壓機(jī)電液控制系統(tǒng)的AMESim的仿真分析

徐 赟，霍志亮，趙慶龍，錢 軍，顧海燕

（西派格電液控制科技有限公司，江蘇南通 226000）

1 全自動(dòng)壓機(jī)液壓系統(tǒng)概述

現(xiàn)有的汽車內(nèi)飾等塑料成型壓機(jī)的液壓系統(tǒng)是通過變頻器控制異步電機(jī)加定量液壓泵來控制壓機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)。在壓機(jī)液壓系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)快速、慢速和位置閉環(huán)等工況，設(shè)計(jì)者一般選擇價(jià)格較貴的大通徑的比例伺服閥，大多數(shù)壓機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)速度和節(jié)拍要求較高，而對(duì)位置控制要求較低，使用比例伺服閥控，造成了系統(tǒng)冗余和浪費(fèi)。另一種設(shè)計(jì)，在液壓回路中增加抗衡閥，起到節(jié)流、溢流和平衡負(fù)載的作用，一臺(tái)壓機(jī)需要應(yīng)對(duì)不同負(fù)載的模具，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)抗衡閥，不僅調(diào)節(jié)難度大，而且需要專業(yè)培訓(xùn)，抗衡閥的節(jié)流和溢流能量損失也都需要電機(jī)泵組補(bǔ)償，產(chǎn)生較大能源流失。

2 全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)介紹

圖1為全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)原理。負(fù)載抬升由永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵，給執(zhí)行器下腔供油，可按需供油實(shí)現(xiàn)負(fù)載抬升無極調(diào)速。壓機(jī)負(fù)載下降，執(zhí)行器下腔的壓力油經(jīng)過流量控制閥控制負(fù)載下降，外部控制器調(diào)節(jié)控制閥閥口大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載下降無極調(diào)速。在整個(gè)工作周期中，可在系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)按照需求控制系統(tǒng)流量，使系統(tǒng)工作更加靈活。

圖1 全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)原理

3 全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)建模

3.1 流量控制閥模型的搭建

全自動(dòng)壓機(jī)的上模具在一個(gè)工作周期中需要快速逼近下模具，上模具在負(fù)載作用下快速下降，微控單元調(diào)節(jié)通徑DN16的流量控制閥通過較大流量，待上模具與下模具之間的距離小于工藝設(shè)計(jì)閾值時(shí)，微控單元調(diào)節(jié)通徑DN16的流量控制閥通過較小流量，上模具慢速下降，當(dāng)上模具與下模具的工藝距離達(dá)到工件壓制成型的定位距離，微控單元控制伺服電機(jī)快速進(jìn)入工作中，給執(zhí)行器上腔壓油，壓機(jī)進(jìn)入壓制工藝環(huán)節(jié)。

該全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)所用流量控制閥是一種開環(huán)控制單元。在上模具整個(gè)運(yùn)行周期中，位移傳感器始終發(fā)送信號(hào)給微控單元（MPU）。微控制單元采集電流或電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過設(shè)計(jì)程序控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送給流量控制閥的放大器，以調(diào)節(jié)閥芯位置。流量控制工作原理如圖2所示。

圖2 流量控制工作原理

根據(jù)流量控制閥的工作原理，可使用AMESim軟件搭建其物理模型。

參數(shù)化搭建流量控制閥物理模型后，調(diào)節(jié)其控制電流從0到100%，同時(shí)設(shè)定流量控制閥的進(jìn)口壓力為定值；調(diào)節(jié)流量控制閥的進(jìn)口壓力從0到30 MPa，同時(shí)設(shè)定其控制電流為定值，進(jìn)行流量控制閥的特性仿真。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)流量控制閥進(jìn)口壓力不變，調(diào)節(jié)控制電流由小到大時(shí)，流量控制閥的輸出流量近似成線性變化；當(dāng)流量控制閥控制電流不變，調(diào)節(jié)流量控制閥的進(jìn)口壓力由小到大時(shí)，流量控制閥的輸出流量能夠迅速穩(wěn)定在某一個(gè)流量值附近，且電流越大，最終輸出的穩(wěn)定流量越大。該流量控制閥物理模型仿真的結(jié)果與樣本曲線保持一致，反映出了流量控制閥的控制特性。

3.2 永磁同步電機(jī)模型的搭建

與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)（PMSM）具有過載能力強(qiáng)、效率高、轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在全自動(dòng)壓機(jī)的一個(gè)工作周期中，包含壓機(jī)上、下模具壓制工藝環(huán)節(jié)，保壓工藝環(huán)節(jié)，上模具快速抬升環(huán)節(jié)，以及模具加熱環(huán)節(jié)等。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵的容積控制為壓機(jī)電液控制系統(tǒng)中的主要控制方式之一。永磁同步電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制控制原理如圖3所示。

圖3 永磁同步電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制控制原理

在該壓機(jī)電液控制系統(tǒng)中采用Hysis 品牌U31013C 系列永磁同步電機(jī)，通過AMESim 軟件的電機(jī)庫(kù)和信號(hào)庫(kù)搭建U31013C 永磁同步電機(jī)模型。

對(duì)搭建的永磁同步電機(jī)設(shè)置完整模型參數(shù)，其輸入的目標(biāo)扭矩見表1。

表1 永磁同步電機(jī)目標(biāo)扭矩

調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速?gòu)? 到4000 r/min，分別設(shè)定輸入扭矩對(duì)應(yīng)表1的目標(biāo)扭矩，則U31013C永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出扭矩和其在各個(gè)目標(biāo)扭矩下對(duì)應(yīng)的輸入功率特性，如圖4、圖5所示。

圖5 伺服電轉(zhuǎn)速、扭矩-輸入功率特性

查看U31013C 系列永磁同步電機(jī)說明書，額定轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，額定扭矩T=217 N·m，對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率P=68 kW，與圖4、圖5中的轉(zhuǎn)速、扭矩及功率均能對(duì)應(yīng)。因此，所搭建的永磁同步電機(jī)脈寬調(diào)制控制模型能夠反映出U31013C 永磁同步電機(jī)的特性。

3.3 電液控制系統(tǒng)仿真模型搭建

設(shè)計(jì)好流量控制閥和U31013C 永磁同步電機(jī)的物理模型后，依據(jù)全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)原理（圖1）完成整個(gè)系統(tǒng)物理模型的搭建，如圖6所示。

圖6 全自動(dòng)壓機(jī)電液系統(tǒng)仿真模型

4 仿真分析

隨著現(xiàn)代智能制造的發(fā)展，提出了工件生產(chǎn)過程的綠色化，即把設(shè)備上一個(gè)部件制造過程中的碳中和，也納入了綠色智造的范疇。用于生產(chǎn)新能源汽車內(nèi)飾部件的壓機(jī)，要求工作周期快、壓制頻次高、狀態(tài)穩(wěn)定，同時(shí)要求提高系統(tǒng)能效和減少液壓系統(tǒng)發(fā)熱等問題。全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)采用結(jié)合微控制器單元（MPU）系統(tǒng)的伺服電機(jī)泵控和流量控制閥閥控，可達(dá)到全自動(dòng)壓機(jī)能效高、系統(tǒng)發(fā)熱少、壓制工作周期快的目的。文章將從兩個(gè)方面對(duì)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)展開分析。

4.1 全自動(dòng)壓機(jī)負(fù)載快速下降

汽車內(nèi)飾壓制模具集成了機(jī)械、電氣及液壓等元件，模具自重一般在5～10 t，即負(fù)載變化范圍較寬。作為工業(yè)母機(jī)的壓機(jī)在模具向下運(yùn)動(dòng)過程中，必須快速適應(yīng)模具負(fù)載在較寬范圍的變化。通過流量控制閥控制模具快速下移到距離壓制工藝環(huán)節(jié)前某一位置，設(shè)計(jì)仿真分析6個(gè)不同的負(fù)載，分別為5 t、6 t、7 t、8 t、9 t 和10 t，上模具下降0.8 m。

5～10 t 的模具在快速下降階段的速度響應(yīng)較快，在負(fù)載開始下降和停止下降過程中，速度振幅快速減弱并逼近定值，最大速度保持在0.31 m/s 以上。

55～10 t的模具在快速下降階段，經(jīng)過2.8 s的時(shí)間，均到達(dá)設(shè)定目標(biāo)位置0.8 m，且位移曲線平滑，位置偏差也在允許范圍內(nèi)。

綜上，該壓機(jī)電液控制系統(tǒng)采用流量控制閥控制負(fù)載快速下降的環(huán)節(jié)，可以保證壓機(jī)在模具重量變化后也能快速自適應(yīng)，且系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性能夠滿足要求。

4.2 全自動(dòng)壓機(jī)基本工作周期

針對(duì)汽車內(nèi)飾全自動(dòng)壓機(jī)工作要求，設(shè)計(jì)其基本工藝路線：模具快速逼近→模具慢速逼近→模具接觸工件壓制→模具保壓加熱→模具快速抬升→機(jī)械手卸料。

該全自動(dòng)壓機(jī)上安裝有位置、壓力等傳感器，通過變換器可實(shí)時(shí)向微控單元反饋機(jī)器的控制信號(hào)。依據(jù)工件壓制成型的工藝路線，設(shè)計(jì)全自動(dòng)壓機(jī)的控制程序并下載到微控單元中，同時(shí)控制和監(jiān)測(cè)完整的機(jī)器工作周期。文章以6 t、7 t 和8 t 模具來分析全自動(dòng)壓機(jī)的基本工作周期。

以3個(gè)工作周期為分析對(duì)象，不同重量的模具經(jīng)過兩點(diǎn)幾秒的時(shí)間完成模具快速逼近后又經(jīng)過零點(diǎn)幾秒完成模具慢速逼近，此時(shí)，模具到達(dá)工藝設(shè)計(jì)0.8 m的位置，進(jìn)入工件壓制工藝；零點(diǎn)幾秒后，模具到達(dá)工件成型位置0.815 m，壓制力增大到約200 kN，模具進(jìn)入保壓加熱工藝；經(jīng)過3 s 后，模具快速抬升到原點(diǎn)，機(jī)械手完成同步卸料動(dòng)作。約10 s 完成一個(gè)基本工作周期。

在壓機(jī)基本工作周期中，伺服電機(jī)僅在模具壓制和模具快速抬升工藝過程中參與工作，伺服電機(jī)工作時(shí)間約占?jí)簷C(jī)基本工作周期的50%。

5 結(jié)束語

文章詳細(xì)敘述了汽車內(nèi)飾全自動(dòng)壓機(jī)電液控制系統(tǒng)及其主要元器件的建模和分析過程，并通過仿真驗(yàn)證了該電液控制系統(tǒng)的可行性和正確性。對(duì)傳統(tǒng)壓機(jī)負(fù)載控制不穩(wěn)定、能效低、工作效率低等問題，可應(yīng)用流量控制閥閥控與伺服電機(jī)泵控相結(jié)合的電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案來解決。通過以上分析可得，該電液控制系統(tǒng)能夠有效提高汽車內(nèi)飾全自動(dòng)壓機(jī)的生產(chǎn)效率和節(jié)拍，可以靈活適應(yīng)不同負(fù)載的模具，有效控制和減少系統(tǒng)能耗，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，具有工程實(shí)用意義。