专利名称：伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及液压注塑机领域，特别涉及一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系 统及其控制方法。
背景技术：
注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个阶段，各阶 段需要不同的工作压力和流量。对于伺服泵马达而言，注塑过程是处于变化的负载状态。在 定量泵的液压系统中，伺服泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流 阀回流，此过程称为高压节流。注塑成型过程中的锁模、射胶、充填、熔胶、冷却、开模等阶段对压力的要求各不相 同，开模阶段只需保证较小的压力即可，但熔胶、冷却阶段却需要较大的压力，以保证产品 质量及生产率。根据注塑机的工作原理，以及伺服泵控制系统的技术发展，可以采用精确闭 环控制伺服电机的转速来调节伺服泵的压力和流量，使伺服泵输出的油量跟注塑机的各个 工艺要求相吻合，进而达到最佳的节能和控制效果。目前国内注塑机生产厂家生产的注塑机，90%以上采用比例压力阀和比例流量阀 控制技术，安装定量泵的液压系统，该系统存在耗电量大、电能消耗严重等问题。液压控制 系统伺服泵存在最低稳定转速限制使得低速功率输出效果不理想，液压泵的转速过低，阀 门控制效率能力下降，容易造成吸油不充分形成气蚀，引起噪音和流量脉动，影响注塑机液 压速度的稳定性及液压泵的寿命。在注塑机发展历程中有两类机型比较突出传统液压型注塑机和最新的伺服电机 驱动柱塞泵的注塑机。传统的液压注塑机的控制系统绝大多数采用定量泵和比例流量阀与 比例压力复合阀(PQ阀)的控制方式。油箱中的液压油通过伺服泵旋转产生高压主油路，经 过两位四通阀控制各个工艺液压阀在相应的工序周期控制相应的执行油缸，产生动作。注 塑工艺要求的机械压力(如锁模压力、熔胶背压、注射压力)、机构移动速度(移模速度、注 射速度)可以通过控制油路上的比例压力、比例流量阀来实现。它的特点是驱动力大，结 构相对简单，是一种传统的控制方法。它的缺点则有存在耗电多、油污染较重、效率不高、 控制精度低和噪音大等固有的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有比例压力阀和比例流量阀注塑机技术的缺点与 不足，提供一种集液压和伺服电机驱动于一体的伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统， 具有高精度、快速高效、节能环保、低噪音等优点。本发明的目的之二在于提供一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制 方法。本发明的目的之一是通过下述方式实现的，一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑 机系统，包括油箱、伺服泵、调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油缸、熔胶马达
7和电子尺测量传感器，还包括电脑控制器、压力及速度综合控制模块、伺服驱动器、伺服电 机和压力传感器，其中所述电脑控制器通过压力及速度综合控制模块与伺服驱动器连接， 所述伺服驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机还与伺服泵相连接，所述伺服泵进口端与 油箱相连接，所述伺服泵出口端分别与调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油 缸、熔胶马达相连接，所述压力传感器分别与调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射 胶油缸、熔胶马达、伺服驱动器和电脑控制器相连，所述电子尺测量传感器分别与锁模油 缸、顶针油缸、射胶油缸、伺服驱动器和电脑控制器相连。优选的，所述伺服驱动器的控制电路包括主电路、反馈电路、DSP驱动器、电压检 测电路、驱动控制电路、驱动电路和光耦隔离电路，所述主电路外接伺服电机，所述伺服电 机分别与主电路、反馈电路相连；所述DSP驱动器分别与电子尺测量传感器、压力传感器相 连，所述DSP驱动器通过压力及速度综合控制模块与电脑控制器相连，所述DSP驱动器还分 别通过电压检测电路、驱动控制电路与主电路相连接，所述DSP驱动器还依次通过光耦隔 离电路、驱动电路与主电路相连接。优选的，所述主电路设有IPM逆变器，所述IPM逆变器分别与驱动控制电路、驱动 电路相连接；所述DSP驱动器包括故障保护模块、制动控制模块、输入指令电路、PWM驱动模 块、A/D转换模块和QEP正交编码脉冲模块；反馈电路包括电流检测电路及正交编码器；
所述电压检测电路、驱动控制电路、驱动电路和反馈电路中的电流检测电路分别 与主电路连接；电压检测电路与故障保护模块连接；所述驱动控制电路一端与IPM逆变器 连接，另一端与制动控制模块相连；PWM驱动模块依次通过光耦隔离电路、驱动电路与IPM 逆变器连接；IPM逆变器、反馈电路分别与伺服电机连接。优选的，所述DSP驱动器采用TI公司的TMS320LF28XXX型数字信号处理器。优选的，所述伺服电机采用永磁同步电机；优选的，所述伺服泵采用径向柱塞泵。本发明的目的之二是通过下述方式实现的，一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑 机系统的控制方法，包括以下步骤Si、电脑控制器接收注塑机工艺动作指令，开启系统，进入步骤S2 ；S2、压力传感器实时测量系统的压力，并把实际压力指令信号发送给伺服驱动器 和电脑控制器；电子尺测量传感器实时测量锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的位移值、速度 值，并将位移值、速度值发送至电脑控制器和伺服驱动器；伺服驱动器采集伺服电机的旋转 速度、电机轴扭矩和电流，并把旋转速度、电机轴扭矩和电流反馈信号发送至电脑控制器； 进入步骤S3 ；S3、电脑控制器根据液压注塑机工艺动作指令，根据关安全门、锁模、注射、保压、 冷却、熔胶、开模及制品顶出的各个注塑工艺对伺服泵流量的需求，找出该段工艺的最佳压 力和最佳速度，形成压力指令信号和速度指令信号并发送给压力及速度综合控制模块，进 入步骤S4 ；S4、压力及速度综合控制模块接收电脑控制器的压力指令信号和速度指令信号， 同时，压力及速度综合控制模块接收锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的速度位置反馈，所述 压力指令信号和速度指令信号经PWM脉冲光电隔离电路隔离后，整形为跟随工艺操作的序 列脉冲信号，与所述锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的速度位置反馈经积分电路得到平均
8电压后，采用前馈比例微分控制电路控制和积分电路叠加来克服信号给伺服电机造成的纯 滞后时间，将压力和速度叠加的综合信号，经过调节器运算最后形成压力速度综合信号并 发送至伺服驱动器，进入步骤S5 ；S5、伺服驱动器接收压力速度综合信号，经过运算处理形成电机控制信号并发送 至伺服电机，进入步骤S6 ；S6、伺服电机根据电机控制信号调整转速，改变伺服泵的供油量，进入步骤S7 ；S7、电脑控制器根据压力传感器测量得到的实际压力指令信号，电子尺测量传感 器实时测量得到的锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的位移值、速度值，以及接收的伺服电机 的旋转速度、电机轴扭矩和电流反馈信号，判断该时刻系统的压力及伺服泵的流量速度是 否最佳值，若是，则进入步骤S8 ；若否，则返回至步骤S3 ；S8、电脑控制器判断是否收到用户的结束操作指令，若是，则结束操作，关闭系统； 若否，则返回至步骤S7。优选的，所述步骤S5中伺服驱动器接收压力速度综合信号，经过运算处理形成电 机控制信号，所述运算具体为定子电压方程Uq = Rsiq+purq+QrVdUd = Rsid+p￥d- rVq磁链方程￥q = LqIq
Ψ. = Ldid+￥电磁转矩方程Te=-Pn^Jq-ψ^)Te = pn[Vfia_(Ld-La) idij
(1) (2)
(3) ⑷
(5)
(6)
(7)电动机的运动方程Te = T!+BQr+JpQr = T^B ω r+Jp ω r (pn = 1, ΩΓ = ωΓ)式中U/d、Ψ,为定子磁链d、q轴分量；LtnLq为定子绕组d、q轴等效电感；为 定子电流d、q轴分量；ud、Uq为定子电压d、q轴分量；Vf为转子磁链；RS为定子绕组电阻； P为微分算子；为转子机械角速度；Te为电机的电磁转矩；pn为电机极对数； \为负载转 矩J为电机转动惯量；B为粘滞系数；将电压方程和运动方程写成状态方程的形式，即
Pid = {ud — RJd + o>rLqiq ) / Ld
Piq 二 (Md 一 RJd + ^rWi VLd( 8)
pa>r =、P Tem -PnTl -B(Or)IJ
-般来说，控制id = 0，在这种情况下，iq也就是电动机的定子电流，求得
以相量形式表示的状态方程为
/ .)Pr,
kΦ/卜lqlqM+lqklb ji j
(10)对于用磁体为面装式的永磁电机有La = Ld = Lq ；永磁同步电机直接转矩控制涉及到三种坐标系三相静止坐标系ABC、两项静止 坐标系α β和两相旋转坐标系dq，坐标变换就是在这三种坐标系下对空间矢量进行不同 坐标系下分解等效的结果，且符合功率不变原则；则永磁同步电机在d_q坐标系下的基本方程为
Wd = lJd +￥f I Ψ ,=W,
权利要求
1.一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，包括油箱、伺服泵、调模马达、锁模油 缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油缸、熔胶马达和电子尺测量传感器，其特征在于，还包括电 脑控制器、压力及速度综合控制模块、伺服驱动器、伺服电机和压力传感器，其中所述电脑 控制器通过压力及速度综合控制模块与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与伺服电机连 接，所述伺服电机还与伺服泵相连接，所述伺服泵进口端与油箱相连接，所述伺服泵出口端 分别与调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油缸、熔胶马达相连接，所述压力传 感器分别与调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油缸、熔胶马达、伺服驱动器和 电脑控制器相连，所述电子尺测量传感器分别与锁模油缸、顶针油缸、射胶油缸、伺服驱动 器和电脑控制器相连。
2.根据权利要求1所述一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，其特征在于，所 述伺服驱动器的控制电路包括主电路、反馈电路、DSP驱动器、电压检测电路、驱动控制电 路、驱动电路和光耦隔离电路，所述主电路外接伺服电机，所述伺服电机分别与主电路、反 馈电路相连；所述DSP驱动器分别与电子尺测量传感器、压力传感器相连，所述DSP驱动器 通过压力及速度综合控制模块与电脑控制器相连，所述DSP驱动器还分别通过电压检测电 路、驱动控制电路与主电路相连接，所述DSP驱动器还依次通过光耦隔离电路、驱动电路与 主电路相连接。
3.根据权利要求2所述一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，其特征在于，所 述主电路设有IPM逆变器，所述IPM逆变器分别与驱动控制电路、驱动电路相连接；所述 DSP驱动器包括故障保护模块、制动控制模块、输入指令电路、PWM驱动模块、A/D转换模块 和QEP正交编码脉冲模块；反馈电路包括电流检测电路及正交编码器；所述电压检测电路、驱动控制电路、驱动电路和反馈电路中的电流检测电路分别与主 电路连接；电压检测电路与故障保护模块连接；所述驱动控制电路一端与IPM逆变器连接， 另一端与制动控制模块相连；PWM驱动模块依次通过光耦隔离电路、驱动电路与IPM逆变器 连接；IPM逆变器、反馈电路分别与伺服电机连接。
4.根据权利要求2所述一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，其特征在于，所 述DSP驱动器采用TI公司的TMS320LF28XXX型数字信号处理器。
5.根据权利要求1所述一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，其特征在于，所 述伺服电机采用永磁同步电机；所述伺服泵采用径向柱塞泵。
6.根据权利要求1至5所述任伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制方法，其 特征在于，包括以下步骤(51、电脑控制器接收注塑机工艺动作指令，开启系统，进入步骤S2；(52、压力传感器实时测量系统的压力，并把实际压力指令信号发送给伺服驱动器和电 脑控制器；电子尺测量传感器实时测量锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的位移值、速度值， 并将位移值、速度值发送至电脑控制器和伺服驱动器；伺服驱动器采集伺服电机的旋转速 度、电机轴扭矩和电流，并把旋转速度、电机轴扭矩和电流反馈信号发送至电脑控制器；进 入步骤S3 ；(53、电脑控制器根据液压注塑机工艺动作指令，根据关安全门、锁模、注射、保压、冷却、 熔胶、开模及制品顶出的各个注塑工艺对伺服泵流量的需求，找出该段工艺的最佳压力和最佳速度，形成压力指令信号和速度指令信号并发送给压力及速度综合控制模块，进入步 骤S4 ；·54、压力及速度综合控制模块接收电脑控制器的压力指令信号和速度指令信号，同时， 压力及速度综合控制模块接收锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的速度位置反馈，所述压力 指令信号和速度指令信号经PWM脉冲光电隔离电路隔离后，整形为跟随工艺操作的序列脉 冲信号，与所述锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的速度位置反馈经积分电路得到平均电压 后，采用前馈比例微分控制电路控制和积分电路叠加来克服信号给伺服电机造成的纯滞后 时间，将压力和速度叠加的综合信号，经过调节器运算最后形成压力速度综合信号并发送 至伺服驱动器，进入步骤S5 ；·55、伺服驱动器接收压力速度综合信号，经过运算处理形成电机控制信号并发送至伺 服电机，进入步骤S6;·56、伺服电机根据电机控制信号调整转速，改变伺服泵的供油量，进入步骤S7；·57、电脑控制器根据压力传感器测量得到的实际压力指令信号，电子尺测量传感器实 时测量得到的锁模油缸、顶针油缸或射胶油缸的位移值、速度值，以及接收的伺服电机的旋 转速度、电机轴扭矩和电流反馈信号，判断该时刻系统的压力及伺服泵的流量速度是否最 佳值，若是，则进入步骤S8 ；若否，则返回至步骤S3 ；·58、电脑控制器判断是否收到用户的结束操作指令，若是，则结束操作，关闭系统；若 否，则返回至步骤S7。
7.根据权利要求1所述一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制方法，其特 征在于，所述步骤S5中伺服驱动器接收压力速度综合信号，经过运算处理形成电机控制信 号，所述运算具体为 定子电压方程Uq = Rsiq+PVq+"rVd (1) Ud = RsId+P Vd"Wr Vq (2) 磁链方程Vq = LqIq(3)Vd = Ldid+Vf(4)电磁转矩方程 Te = ρη[ Ψfiq" (Ld-Lq) idij (6) 电动机的运动方程Te = Ti+B Ωr+Jp Ωr = I^+BcOr+JpcoJpn = 1, ΩΓ = ωΓ) (7) 式中Vd、Ψ,为定子磁链d、q轴分量；LtnLq为定子绕组d、q轴等效电感；ipi,为定子 电流d、q轴分量；ud、Uq为定子电压d、q轴分量；为转子磁链；RS为定子绕组电阻；ρ为 微分算子；^^为转子机械角速度；Te为电机的电磁转矩；ρη为电机极对数； \为负载转矩； J为电机转动惯量；B为粘滞系数；将电压方程和运动方程写成状态方程的形式，即
全文摘要
本发明公开了一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，包括油箱、伺服泵、调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射移油缸、射胶油缸、熔胶马达和电子尺测量传感器，还包括电脑控制器、压力及速度综合控制模块、伺服驱动器、伺服电机和压力传感器。本发明还公开了一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制方法，采用了压力传感器和伺服电机扭矩控制，可实现压力和流量的多级控制；注塑时的压力和流量采用实时闭环控制，在控制过程中，压力、流量指令与反馈作实时比较，精确控制每一时刻速度、压力、电流等一些参数的变化，从而有效实现工艺动作的注塑机开合模、顶出、射胶熔胶油缸的闭环伺服跟随控制。本发明具有高精度、快速高效、节能环保、低噪音等优点。
文档编号B29C45/82GK102001167SQ20101027736
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者钟汉如 申请人:华南理工大学