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伺服驅動技術在注塑成型工藝領域的應用

作者:李向東 楊偉傑來源:原創 瀏覽次數: 日期:2018年11月14日 17:29

摘要:

主要論述了在使用伺服驅動技術應用於注塑機器設計中,特備是全電動注塑成型機器和液電複合注塑成型機器設計中,如何正確運用矢量變頻、弱磁控製基本原理進行注塑成型過程中的工藝匹配,從而獲得更高尺寸重複精度的精密注塑成型製品。

摘要: 主要論述了在使用伺服驅動技術應用於注塑機器設計中,特備是全電動注塑成型機器和液電複合注塑成型機器設計中,如何正確運用矢量變頻、弱磁控製基本原理進行注塑成型過程中的工藝匹配,從而獲得更高尺寸重複精度的精密注塑成型製品。

關鍵詞: 注塑工藝,伺服驅動,矢量變頻,弱磁控製
 

Application of servo drive technology in injection molding process

Li XiangDong, Yang WeiJie

Abstract: This paper mainly discussed how to correctly apply the basic principles of vector frequency conversion and magnetic weakening control in the process of injection molding matching, so as to obtain precision injection molded products with higher dimensional repetition accuracy in the design of injection molding machine, especially in the design of all-electric injection molding machine and hydroelectric compound injection molding machine.

Key word: injection molding technology; servo drive; vector frequency conversion; flux weakening control


文章已發表於《橡塑技術與裝備》2018年第20期10月下半月刊 工業自動化專題




一、伺服驅動技術的在注塑成型工藝中的應用現狀

伺服從2013年開始,伺服驅動技術在我國注塑機械行業得到越來越多的普及應用,但由於我國塑料機械製造業是起源於技術和設備引進基礎之上的消化吸收,對塑料機械使用伺服驅動作為動力源的應用技術還沒有專門研究,經驗積累還比較少,絕大多數生產廠家和該領域的工程技術人員還停留在異步電機拖動的時代。造成國內的許多注塑機生產商由於技術門檻原因,不能充分利用注塑成型工藝過程的技術特點合理選擇設計和選擇伺服電機和驅動器。在設計更高端的液電複合注塑成型機及全電動注塑成型機器時,僅能根據功率和扭矩計算參數,簡單選擇伺服電機和驅動器,從而造成機器在超速控製過程中,由於弱磁電流的不規則變化,導致力的控製不斷變化,最終造成注塑成型工藝的壓力波動很大,反而沒有達到精密控製的效果。

伺服伺服驅動技術由於具有高響應、穩定性好、精度高、環保、節能、低噪音等技術特點,逐漸成為傳統液壓注塑機的換代產品,對此類注塑機伺服驅動係統進行研究,具有重要的應用價值。

 

二、注塑成型工藝過程中對伺服驅動的要求

伺服伺服驅動式注塑機的控製性能很大程度上依賴於伺服驅動控製器的精密性和穩定性、伺服電機的響應速度和剛性特性,因而對伺服電機和驅動器提出了以下要求:

  1. 為了保證注塑製品的成型能夠滿足精密注射的要求,並具有極高的重複性和穩定性,必須保證鎖模和射膠等動作在執行時有比較高的位置控製精度。因此在伺服控製中,位置控製要求有高的定位精度;而在速度控製中,要求伺服驅動器能提供高的調速精度。
  2. 響應速度要快。在注射成型過程中,為了成型具有複雜結構的塑料製品,常常需要進行多級注射。為了保證執行機構能嚴格按照設定的要求進行成型參數切換,要求係統除了具有很高的位置控製精度外,還應具有良好的快速響應特性,即要求跟蹤指令信號的響應要快,跟蹤誤差要小。
  3. 調速範圍要求要比較寬。無論是對注射單元還是鎖模單元,在工作過程中,執行機構需要在較大的速度範圍內進行工作。例如為了模具安全保護,鎖模機構在驅動動模板進行合模動作的過程中,需要從移模階段的高速運動切換到即將鎖模狀態下的低速低壓運動。因此,驅動鎖模機構運動的伺服驅動器必須能夠提供最高轉速與最低轉速非常大的調速範圍。
  4. 輸出轉矩大。由於在注塑成型工藝過程中需要為執行機構提供大的輸出扭矩,例如螺杆的射膠推力、保壓壓力、背壓壓力、鎖模力等,即輸出都需要伺服電機提供較大的轉矩輸出。

 

三、伺服驅動注塑機矢量變頻控製原理

伺服永磁同步電機控製的基本思路,就是利用電動機外部的控製係統,即通過外部條件對定子磁動勢相對勵磁磁動勢的空間角度(也就是定子電流空間矢量的相位)和定子電流幅值的控製,實現定子電流的勵磁分量與轉矩分量間的解耦,達到對交流電機的磁鏈和電流分別控製的目的,從而將永磁同步電機模擬為他勵直流電動機。因而AG亚游集团將通過控製定子電流矢量的幅值和相角來實現轉矩控製的方式稱為矢量變頻控製技術。

伺服通常在一定的假設的基礎上可以建立永磁同步電機的數學模型,而空間矢量模型(SPM: Space Vector Model)分析方式使得永磁同步電機的數學模型得到了大大的簡化,尤其是在dq坐標係下數學模型,實現了轉矩與磁鏈的解耦控製。永磁同步電機的定子是由三相繞組和鐵心構成,三相繞組常常以Y型連接。在轉子結構上,用永磁體取代電勵磁。需要安裝永磁體位置檢測傳感器,用來檢測磁極位置,以此實時地對電樞電流進行控製。三相永磁同步電機的結構模型如圖1所示,其中dq坐標係是固定於轉子上的參考坐標係,取磁極軸線為d軸,順著軸沿著旋轉方向超前90°電角度為q軸。

圖1  三相永磁同步電機的結構模型

 

伺服圖2為電流空間矢量圖。圖中為定子電流空間矢量,在dq坐標係中的空間相角,其大小決定了定子在dq軸上的兩個分量。如果已經知道了,那麽不僅確定了,同時也確定了定子電流空間矢量的幅值。矢量控製的實質就是通過對兩個電流分量的控製來控製定子電流的相角和幅值,實現磁鏈和轉矩的獨立控製,使交流電機的控製性能達到直流電機的水平。

圖2 電流空間矢量圖

 

伺服在dq坐標係下,三相永磁同步電機(PMSM)的數學模型為:

伺服定子電壓方程:

(1)

伺服磁鏈方程:

(2)

伺服電磁轉矩方程:

(3)

伺服PMSM的運動方程:

(4)

伺服其中:為機械角加速度,為轉子電角速度,為負載轉矩,Rs為定子電阻,J為電機轉動慣量,為電機極對數,B為阻尼係數。

伺服dq坐標係中,轉子電角速度(即旋轉角頻率)和電機轉子機械角頻率的關係為:

伺服伺服電機從零到額定轉速的角加速時間:

(5)

伺服其中:為角加速時間,為電機額定轉速。

伺服本文采用的伺服電機矢量控製方法為磁場定向控製,其基本過程為:將d軸定向在轉子上,控製直軸電流,實現dq軸解耦,此時定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交,定子電流與轉子永磁磁通互相獨立。圖3為永磁同步電機矢量控製調速原理圖,從圖中可知,轉子位置和速度信號可以通過實際的位置傳感器獲取,這樣就構成了有位置傳感器的矢量控製係統,也可以不通過實際的位置傳感器,而是使用一些估算的方法得到轉子的位置和速度,這樣就構成了無位置傳感器的矢量控製係統。在高精度的伺服係統中,為了保證控製的精度,一般都使用位置傳感器,實際設計的係統也是有位置傳感器的控製係統。伺服

圖3 永磁同步電機矢量控製調速原理圖

 

四、弱磁控製原理在注塑機上的應用

伺服圖4揭示了永磁同步伺服電機的負載特性:以額定轉速作為轉換點,額定轉速以下為恒轉矩型負載特性,額定轉速以上為恒功率型負載特性。

圖表 1-4   伺服電機的負載特性

 

伺服在全電動注塑成型或液電複合成型機器設計中,由於成本、性能的相互矛盾約束,在進行鎖模、注射等關鍵運動控製時,由於傳動結構和伺服驅動的限製,為了獲得更高轉速而超速,以達到機構要求的運動速度。但一旦進入超速控製,伺服電機的負載特性將從恒轉矩控製模式改變為恒功率控製模式。同時在超速過程中由於伺服電機弱磁,為了滿足注射壓力的要求伺服驅動係統必須要有超載能力。

伺服伺服驅動係統超速後進入弱磁控製。在弱磁之前,即恒磁通情況,轉矩是正比於電流的。超速後變成了弱磁狀態,磁通不斷變化,此時轉矩正比於電流,並反比於磁通,此時轉矩降低。此時為了滿足注塑工藝達到負載工作壓力,實質上同時進行了速度閉環控製和轉矩閉環控製。轉矩閉環情況下,當電機弱磁時,為保證轉矩不降低,輸出電流要相應的增加以彌補磁通減小的損失。此時電機會處於過載狀態,輸出功率也就相應的增大了。

伺服因而在實際進行伺服驅動係統的設計時,必須要明確矢量變頻、弱磁控製的基本控製原理,在此基礎之上,結合塑料成型工藝的要求,對伺服電機和驅動器進行有根據的設計匹配。同時也要高度注意伺服電機轉動慣量、同步輪係轉動慣量、滾珠絲杠等轉動體對總轉動慣量的影響。弱磁後伺服驅動器一定能夠承受超載峰值電流,伺服電機的溫升要在同時控製在合理區間。

所屬類別: 創新專題

該資訊的關鍵詞為:注塑工藝  伺服驅動  矢量變頻  弱磁控製 

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