伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统及其控制方法

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。

说明书

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： 

S1、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 

u_q＝R_si_q+pψ_q+ω_rψ_d     (1) 

u_d＝R_si_d+pψ_d-ω_rψ_q     (2) 

磁链方程 

ψ_q＝L_qi_q                (3) 

ψ_d＝L_di_d+ψ_f            (4) 

电磁转矩方程 

$>T_e=\frac{3}{2}{p}_n({\psi }_d{i}_q-{\psi }_q{i}_d)---\left(5\right)$>

T_e＝p_n[ψ_fi_q-(L_d-L_q)i_di_q]        (6) 

电动机的运动方程 

T_e＝T₁+BΩ_r+JpΩ_r＝T₁+Bω_r+Jpω_r(p_n＝1，Ω_r＝ω_r)    (7) 

式中：ψ_d、ψ_q为定子磁链d、q轴分量；L_d、L_q为定子绕组d、q轴等效电感；i_d、i_q为定子电流d、q轴分量；u_d、u_q为定子电压d、q轴分量；ψ_f为转子磁链；R_s为定子绕组电阻；p为微分算子；ω_r为转子机械角速度；T_e为电机的电磁转矩；p_n为电机极对数；T₁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 

$>\left(\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_d=(u_d-R_s{i}_d+{\omega }_r{L}_q{i}_q)/L_d\\ {\mathrm{pi}}_q=(u_d-R_s{i}_d+{\omega }_r{L}_q{i}_q)/L_d\\ {\mathrm{p\omega }}_r=(p_n{T}_{\mathrm{em}}-p_n{T}_1-B{\omega }_r)/J\end{array}\right)---\left(8\right)$>

一般来说，控制i_d＝0，在这种情况下，i_q也就是电动机的定子电流，求得 

$>\left(\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_q=\frac{u_q}{L_q}-\frac{R_s}{L_q}{i}_q-\frac{{\omega }_r{\Phi }_f}{L_q}\\ p{\omega }_r=-\frac{B}{J}{\omega }_r+\frac{K_t}{J}{i}_q-\frac{T_1}{J}\end{array}\right)---\left(9\right)$>

以相量形式表示的状态方程为： 

$>\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{i}}_q\\ {\stackrel{·}{\omega }}_r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}-\frac{R_s}{L_q}& -\frac{{\Phi }_f}{L_q}\\ \frac{K_t}{J}& -\frac{B}{J}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_q\\ {\omega }_r\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\frac{u_q}{L_q}\\ -\frac{T_1}{J}\end{array}\right)---\left(10\right)$>

对于用磁体为面装式的永磁电机有L_a＝L_d＝L_q； 

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αβ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： 

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_d=L_d{i}_d+{\psi }_f\\ {\psi }_q=L_q{i}_q\end{array}\right)---\left(11\right)$>

$>{\psi }_s=\sqrt{{\psi }_d^2+{\psi }_q^2}---\left(12\right)$>

$>\left(\begin{array}{c}{U}_d=R_s{i}_d+p{\psi }_d-{\omega }_r{\psi }_d\\ U_q=R_s{i}_q+p{\psi }_q+{\omega }_r{\psi }_q\end{array}\right)---\left(13\right)$>

$>T_e=\frac{3}{2}{p}_n[{\psi }_f{i}_q+(L_d-L_q)i_q{i}_d]---\left(14\right)$>

其中：ψ_d、ψ_q为定子磁链d、q轴分量；L_d、L_q为定子绕组d、q轴等效电感；i_d、i_q为定子电流d、q轴分量；u_d、u_q为定子电压d、q轴分量；ψ_f为转子磁链；R_s为定子绕组电阻； 为微分算子；ω_r为转子机械角速度；T_e为电机的电磁转矩；p_n为电机极对数； 

经坐标变换，可得定子同步速d-q坐标系下转矩表达式为 

$>T=\frac{3p_n}{4L_d{L}_q}\left|{\psi }_s\right|[2{\psi }_f{L}_q\sin \delta -|{\psi }_s\left|(L_q-L_d)\sin 2\delta \right]---\left(15\right)$>

对于隐形式永磁同步电机来说，L_d＝L_q＝L_s，则转矩中的磁阻分量为零；转矩表达式可以表示为： 

$>T=\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\sin \delta =\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\sin (\mathrm{\Delta \delta t}+{\delta }_0)---\left(16\right)$>

式中，Δδ为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，δ₀为转矩角变化前一时刻的初值；

从式(12)可知，当定子磁链保持幅值恒定时，转矩角从-90°变化到90°时，电机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90°时，转矩达到最大；对式(12)两边求导，电机转矩在t＝0时刻的变化率为： 

$>\mathrm{\Delta T}=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\mathrm{\Delta \delta }\cos \delta ---\left(17\right)$>

由(16)式得 

ΔT∝Δδ            (18) 

根据电机统一理论，定子磁链与输入电压之间的关系为 

ψ_s＝∫(u_s-i_sR)dt    (19) 

若忽略电阻，则： 

ψ_s＝∫u_sdt          (20) 

将式(20)离散化处理，有： 

ψ_s＝u_st+ψ_s0        (21) 

式中ψ_s0为磁链初值；这表明，定子磁链矢量ψ_s将沿着电压矢量u_s的方向，以正比于输入电压的速度移动，因此可以通过控制永磁同步电机的输入电压矢量u_s来精确控制定子磁链的幅值、旋转方向及速度。 

优选的，所述步骤S6中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，具体为： 

根据几何关系求得，设以柱塞滚动中心为极点，极点与转子轴心到柱塞滚动中心的距离： 

ρ²＝e²+R²-2·cos(α+β)·e·R 

因柱塞的转角是转子的角速度和时间的乘机，柱塞的行程随之变化，故柱塞的行程可用下式表示 

$>\left(\begin{array}{c}\beta =\alpha \sin (e·\sin \alpha /R);\alpha =\omega ·t\\ \rho =\sqrt{e^2+R^2-2·\cos (\pi -\omega ·t-a\sin (e·\sin \alpha /R))·e·R}\end{array}\right)$>

式中：ω为转子角速度(rad/s)；e为转子偏心距(mm)；t为转子转动时间(s)；R为定子中心到柱塞滚动中心的距离(rad/s)；ρ为转子轴心到柱塞滚动中心的距离(mm)； 

(1)、流量计算 

单个柱塞的流量 

$>\mathrm{\Delta V}=\frac{\pi d^2}{4}.\mathrm{\Delta s}=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}·e$>

总体柱塞泵的流量 

$>V=\mathrm{\Delta Vz}=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}\mathrm{ez}$>

$>q=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}\mathrm{ezn}{\eta }_v$>

其中：d为柱塞直径；z为柱塞数；Δs为柱塞行程；n为转子转速；η_v为容积效率；q为柱塞泵流量； 

(2)、压力计算 

径向柱塞泵的轴向作用力的作用不是把缸体向配流盘压紧，而是把缸体推离配流盘： 

液压力的作用点用矢量表示为 液压作用力对缸体的力矩可以表示为： 

其中R_A，R_B柱塞底部的极径；A_a，A_b分别为柱塞底部面积，配流口的面积。 

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果： 

1、伺服泵的应用，提升了传统注塑机的整体性能：选用高精度的永磁伺服 电机取代普通的异步电机，提高了系统的控制精度，实现注塑机锁模、顶针、射胶等油缸的伺服跟随控制，并进行每个工艺段的油路闭环控制；同时，减少了伺服泵产生溢流的浪费，可以通过注塑机上位机(即电脑控制器)设定参数而改变每个时刻注塑工艺段伺服泵需要输送油量的多少，进而精确控制每一时刻速度、压力、电流等一些参数的需求，从而能有效实现注塑工艺的顺利进行；另外，节约了能源损耗，通过液压伺服泵注塑机实验研究的方式测试实际能耗与传统异步电机液压伺服阀控制方法比较，其液压伺服泵注塑机型节能达到30％～50％，有效节约了电能、节约冷却水，也更为环保。 

2、采用高精度的压力传感器及电机高精度正交编码器监测电机速度，提高了射出压力、速度分辨率，在控制过程中，压力、流量指令与反馈作实时比较，控制误差由调节器综合控制伺服电机。 

3、采用伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统，注塑时的压力和流量采用实时闭环控制，稳定性和重复精度高，提高了制品的成型稳定性。 

4、选用高精度的永磁伺服电机，提高了系统的控制精度，有利于进行系统设计跟随，并进行每个注塑工艺段的油路闭环控制，减少了每次泵送油的浪费，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。 

5、伺服泵节能注塑机应用高品质交流伺服电机，高精度径向排量柱塞泵，具有低油温，低噪音，精度高，稳定性好，节能可达30～50％； 

6、注塑机系统设计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，简化油路设计、效率高、系统稳定性好、冲击少和噪音小等优点。 

7、伺服电机驱动柱塞泵型注塑机，由于使用了伺服电机控制柱塞泵速度，实现了注塑机液压系统由阀控向泵控的转变，使常规的比例压力和比例流量调节阀控制注塑机阀门改变为使用伺服电机控制流量柱塞泵按比例速度调节注塑机动作阀门，使到注塑机的控制性能指标有了新的改善和提高。注塑机伺服电机控制柱塞泵油路系统几乎无节流、溢流损失，系统运行时发热大大减少，具有转速高且稳定、实现多级调节、简化液压元件、降低了造价成本，并且在节能、节约冷却水、环保等多方面有特色优势，其注射控制精度较高，8个注射工艺段的每一个工序与传统注塑机技术指标比较达到同等快速响应的标准。 

附图说明

图1是本发明伺服电机驱动柱塞泵注塑机注塑工艺流程； 

图2是本实施例一种伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的结构方框图； 

图3是本实施例中伺服驱动器与伺服电机的连接示意图； 

图4是本实施例中伺服驱动器与压力及速度综合控制模块的连接示意图； 

图5是伺服泵注塑机工艺控制方框图； 

图6是伺服电机的直接转矩控制结构示意图； 

图7是定转子参考坐标示意图； 

图8是径向式柱塞泵截面原理示意图； 

图9是注塑机周期中的压力设定参数值示意图； 

图10是注塑机伺服泵节电功率能谱图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但本发明的实施方式不限于此。 

一台通用注塑成型机主要包括四大部分：注射部分、合模部分、伺服电机动力系统、电脑面板控制系统。 

电动式注塑机是用交流伺服电动机，配以滚珠丝杠、齿形带轮等元器件来驱动各个机构的注塑机，根本的特点是所有驱动模块全为电动式。伺服电机驱动柱塞泵注塑机是伺服电机柱塞泵式的注塑机机型，其注塑系统中的各机构(注射、塑化、计量和移座等)及合模系统的各机构(开合模、顶出等)全部采用伺服电机驱动柱塞泵控制实现的。 

射出驱动机构的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定的熔料注到模腔内。因此，注射系统应具有塑化良好，计量精确的性能，并且在注射时对熔料能提供压力和速度。注射系统一般由塑化部件(熔胶筒、螺扦、喷嘴等等)、料斗、计量系统和螺杆传动系统及注射等组成。 

射出驱动机构使螺杆前进后退。通过伺服电机的旋转以及同步皮带的作用，驱动滚轴丝杆，滚轴丝杆把它转化为直线运动，使螺杆前进或后退。它是使塑化的树脂从喷嘴填充到模具内的机构。 

螺杆熔胶机构通过伺服电机的旋转以及同步皮带的作用，使螺杆回转，进行计量。料筒内的树脂，随着螺杆回转，树脂之间的相互摩擦产生了热量，同时由于料筒加热器的传热，使固体树脂融成为可以射出的状态。 

锁模机构是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作，并顶出制品，即成型制品的工作部件。因为在注射时，进入模腔中的熔料还具有一定的压力，这就要求合模系统给予模具以足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打 开，从而导致制品溢边或使制品精度下降。合模系统主要由模板、拉杆(哥林柱)、合模机构(如机铰)、制品顶出系统和安全门、调模系统等组成。 

通过伺服电机的旋转以及同步皮带轮的作用，驱动滚珠丝杆，使模具打开或关闭。射台座动作机构中射出座的移动由齿轮电机控制，另外模具的接触力是检测弹簧应力得知。顶出机构通过伺服电机的旋转以及同步皮带的作用，驱动滚珠导螺杆，使顶出档板前进或后退，完成成型品的顶出过程。模厚调整机构是通过齿轮电机的旋转、精密地维持磨盘的平行度以及锁模力的平衡。 

注塑成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、压力保持、制品固化、开模取出制品等工序所组成的连续生产过程，电机和电气则是为了保证注塑成型机按工艺过程预定的要求(压力、速度、温度、时间及位置)和动作程序，准确无误地进行工作而设置的动力和控制系统.动力部分主要有伺服电机、伺服驱动器(电机控制器)、电脑控制面板(控制动作参数)、螺杆温控器、调模马达、熔胶马达等等。 

控制系统控制注塑周期的顺序及维持过程温度、时间、压力及速度于设定值(过程控制)。电气部分主要由动力、动作程序和加热等控制所组成。 

本发明液压注塑机注塑工艺流程，电动注塑机的工艺流程是由一个伺服电机驱动完成注塑功能，伺服电机实现注塑机的开合模控制、熔胶控制、射胶控制、保压控制、顶出控制、射台移动控制，以及调模控制。其中一些动作是可以重合动作，如开模同时可以顶出，锁模可以进行射台移动等等。全部动作由注塑机电脑控制器配合完成。 

注塑机的动作程序：喷嘴前进→注射→保压→预塑→倒缩→喷嘴后退→冷却→开模→顶出→退针→开门→关门→合模→喷嘴前进。 

1、注塑机操作项目：注塑机操作由面板控制键盘操作，检查电器控制柜、伺服电机系统和机械润滑系统三个方面。分别进行注射过程动作、加料动作、注射压力、注射速度、顶出型式的选择，料筒各段温度及电流、电压的监控，注射压力和背压压力的调节等。 

2、注射过程动作选择：一般注塑机既可手动操作，也可以半自动和全自动操作。手动操作是在一个生产周期中，每一个动作都是由操作者拨动操作开关而实现的。一般在试机调模时才选用。半自动操作时机器可以自动完成一个工作周期的动作，但每一个生产周期完毕后操作者必须拉开安全门，取下工件，再关上安全门，机器方可以继续下一个周期的生产。全自动操作时注塑机在完成一个工作周期的动作后，可自动进入下一个工作周期。在正常的连续工作过程中无须停机进行控制和调整。每台注塑机的动作过程可大致表示成图1所示的基本循环程序： 

(1)闭模和合紧 

注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起。模具首先以低压力快速进行合模，当动模板(二板)与定模板(头板)接近时，合模的动力系统应改切换成低压，低速在确定模腔内无异物存在时，再切换成高压而将模具合紧。 

(2)注射系统前移和注射 

在确认模具达到所要求的合紧力，注射系统前移，使喷嘴和模具贴合，当喷嘴与模具完成贴合后，便可开动注射电机，于是与电机相接的螺杆，则以高压高速将生产的熔料注入模腔。此时螺杆头部作用于熔料上的注射压力，又称为射胶压力。 

(3)压力保持(保压) 

注入模腔的熔料，由于低温模具的冷却作用，使注入模腔内的熔料在冷却时产生收缩，为制得质量致密的制品，故对熔料还需保持一定的压力进行补缩。此时螺杆作用于熔料上的压力称之为保压压力，在保压时螺杆有少量的前移。 

(4)制品冷却和预塑化 

当保压进行到模腔的熔料失去浇口回流可能性时(即浇口封闭)，注射电机的保压压力即可卸去(此时合模电机的高压也可撤除)，使制品在模内冷却定型。此时，螺杆在电机的驱动下转动，将来自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。由于螺杆头部熔料压力作用，使螺杆在转动的同时又产生后退。螺杆在塑化时的后移量，即表示了螺杆头部所积存的熔料积量。当螺杆回退到计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。制品冷却与螺杆塑化在时间上通是重叠的，在一般情况下，要求螺杆塑化计量时间要少于制品冷却时间。 

(5)注射系统后退和开模顶出制品 

螺杆塑化计量完毕后，为了使喷嘴不至于因长时间和冷模接触而形成冷料等缘故，经常需要喷嘴撤离模具，即注射系统后退，此动作进行与否或先后的程序，机器均可供选择。模腔内的熔料经冷却定型后，合模系统即行间模，并自动顶出制品。 

(6)机器的操作 

①手动状态 

手动是调试注塑机各个动作是否符合注塑要求。根据注塑动作循环工艺要求，手动开合模、射台前进、熔胶、注射、顶出等动作独立完成。 

②半自动状态 

手动各种动作正常后，可进行半自动状态下调试，应该将“ON”和“OFF”的旋钮掣及钮子开关在“ON”以防搬回手动时有所动作。旋钮掣于“半自动”位置及关上安全门，锁模动作及按设定的参数开始进行循环工作。这个操作状态适用于试注射产品和某些不能用全自动加工的产品。工作过程是，当关上安全门，行程开关闭合，锁模动作进行，射台前进，射胶，保压冷却，熔胶，至开模动作 结束后则安全门可打开，整个循环至顶针动作停止。 

③全自动状态 

当手动及半自动调试正常，按钮拨到全自动。关上安全门，则全自动开始。 

7、温度控制 

以测温热电偶为测温元件，配以测温毫伏计成为控温系统，指挥料筒和模具电热圈电流的通断，有选择地固定料筒各段温度和模具温度。 

本发明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，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。 

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。 

如图3所示，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。 

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。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，所述电压检测电路包括系统的过压保护电路、过流保护电路以及过热保护电路；驱动控制电路一端与IPM逆变器连接，用于限制电压，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，反馈电路通过电流检测电路对伺服电机的电流进行检测，将伺服电机的电流检测信号发送至DSP驱动器的A/D转换模块，同时反馈电路中的正交编码器将测试到的脉冲反馈发送至DSP驱动器的QEP正交编码脉冲模块，实现伺服电机的闭环控制。所述DSP驱动器采用TI公司的TMS320LF28XXX型数字信号处理器。本实施例中伺服电机采用永磁同步电机(PMSM)。 

在传统的异步电机注塑机的基础上对伺服泵注塑机的电路进行一定的改造，就能得到如图4所示的伺服电机接线图，本发明液压注塑机通过伺服电机控制伺服泵，实现对注塑成型工艺的准确控制，同时利用压力传感器的液压压力反馈信号经光电隔离放大后控制伺服驱动器，即可实现伺服驱动器动态跟踪注塑机伺服信号而自动调速，伺服跟随隔离型双通道模拟输入，提供电压型电流型分离变量的加权比例控制，控制灵活，抗干扰强。将传统的定量泵改造成径向柱塞泵，使通过溢流阀的回流流量降到最低，伺服泵输出与整机运行所需要压力和流量匹配，无高压溢流能量损失。明显改善注塑机油温高、噪声大、机械和密封件使用寿命短等现象。 

如图5所示，所述压力及速度综合控制模块包括相互连接的PWM脉冲光电隔离电路、积分电路、调节器和前馈比例微分控制电路。 

电脑控制器将控制信号经PWM脉冲光电隔离电路后，整形为跟随工艺操作的序列脉冲信号，经积分电路得到平均电压，并采用前馈比例微分控制电路和积分电路来克服信号给伺服电机造成的纯滞后时间，最后通过调节器将信号传输给伺服驱动器，实现了整个控制回路的闭环控制。 

上述伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制流程，如图5所示，包括以下步骤： 

S1、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、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、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； 

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。 

如图6所示，本系统采用直接转矩控制方式控制永磁同步电机： 

本系统中永磁同步电机的电压、磁链和电磁转矩的数学模型如下： 

定子电压方程 

u_q＝R_si_q+pψ_q+ω_rψ_d     (1) 

u_d＝R_si_d+pψ_d-ω_rψ_q     (2) 

磁链方程 

ψ_q＝L_qi_q                (3) 

ψ_d＝L_di_d+ψ_f            (4) 

电磁转矩方程 

$>T_e=\frac{3}{2}{p}_n({\psi }_d{i}_q-{\psi }_q{i}_d)---\left(5\right)$>

T_e＝p_n[ψ_fi_q-(L_d-L_q)i_di_q]            (6) 

电动机的运动方程 

T_e＝T₁+BΩ_r+JpΩ_r＝T₁+Bω_r+Jpω_r(p_n＝1，Ω_r＝ω_r)    (7) 

式中：ψ_d、ψ_q为定子磁链d、q轴分量；L_d、L_q为定子绕组d、q轴等效电感；i_d、i_q为定子电流d、q轴分量；u_d、u_q为定子电压d、q轴分量；ψ_f为转子磁链；R_s为定子绕组电阻；p为微分算子；ω_r为转子机械角速度；T_e为电机的电磁转矩；p_n为电机极对数；T₁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 

$>\left(\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_d=(u_d-R_s{i}_d+{\omega }_r{L}_q{i}_q)/L_d\\ {\mathrm{pi}}_q=(u_d-R_s{i}_d+{\omega }_r{L}_q{i}_q)/L_d\\ {\mathrm{p\omega }}_r=(p_n{T}_{\mathrm{em}}-p_n{T}_1-B{\omega }_r)/J\end{array}\right)---\left(8\right)$>

一般来说，控制i_d＝0，在这种情况下，i_q也就是电动机的定子电流。可以求得 

$>\left(\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_q=\frac{u_q}{L_q}-\frac{R_s}{L_q}{i}_q-\frac{{\omega }_r{\Phi }_f}{L_q}\\ p{\omega }_r=-\frac{B}{J}{\omega }_r+\frac{K_t}{J}{i}_q-\frac{T_1}{J}\end{array}\right)---\left(9\right)$>

以相量形式表示的状态方程为： 

$>\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{i}}_q\\ {\stackrel{·}{\omega }}_r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}-\frac{R_s}{L_q}& -\frac{{\Phi }_f}{L_q}\\ \frac{K_t}{J}& -\frac{B}{J}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_q\\ {\omega }_r\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\frac{u_q}{L_q}\\ -\frac{T_1}{J}\end{array}\right)---\left(10\right)$>

对于用磁体为面装式的永磁电机有L_a＝L_d＝L_q。 

由上述电磁-机械变量所表征的PMSM数学模型，是在做了一些假设的前提下推导出来的。由状态方程(8)可知，这个模型是非线性的，因为在方程中含有状态变量电角度ω_r与定子电流i_d或i_q的乘积项，表明他们存在相互干扰和耦合。另外dq轴上的电流i_d和i_q在静止和动态过程中都存在彼此干扰。在电流处于稳态时，通过速度ω_r与电流乘积项，来影响另一轴上的电压和电流。而在电流变化的动态过程中，这种影响就更加严重了。只有控制i_d＝0，稳态时才能使i_d不 对i_q(u_q)造成干扰，实现所谓的稳态解耦控制，而在动态过程中根本就没有实现两轴电流间的解耦控制。 

永磁同步电机直接转矩控制涉及到三种坐标系，如图7所示：三相静止坐标系ABC、两项静止坐标系αβ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可写为： 

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_d=L_d{i}_d+{\psi }_f\\ {\psi }_q=L_q{i}_q\end{array}\right)---\left(11\right)$>

$>{\psi }_s=\sqrt{{\psi }_d^2+{\psi }_q^2}---\left(12\right)$>

$>\left(\begin{array}{c}{U}_d=R_s{i}_d+p{\psi }_d-{\omega }_r{\psi }_d\\ U_q=R_s{i}_q+p{\psi }_q+{\omega }_r{\psi }_q\end{array}\right)---\left(13\right)$>

$>T_e=\frac{3}{2}{p}_n[{\psi }_f{i}_q+(L_d-L_q)i_q{i}_d]---\left(14\right)$>

其中：ψ_d、ψ_q为定子磁链d、q轴分量；L_d、L_q为定子绕组d、q轴等效电感；i_d、i_q为定子电流d、q轴分量；u_d、u_q为定子电压d、q轴分量；ψ_f为转子磁链；R_s为定子绕组电阻； 为微分算子；ω_r为转子机械角速度；T_e为电机的电磁转矩；p_n为电机极对数。 

经坐标变换，可得定子同步速d-q坐标系下转矩表达式为 

$>T=\frac{3p_n}{4L_d{L}_q}\left|{\psi }_s\right|[2{\psi }_f{L}_q\sin \delta -|{\psi }_s\left|(L_q-L_d)\sin 2\delta \right]---\left(15\right)$>

对于隐形式永磁同步电机来说，L_d＝L_q＝L_s，则转矩中的磁阻分量为零。转矩表达式可以表示为： 

$>T=\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\sin \delta =\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\sin (\mathrm{\Delta \delta t}+{\delta }_0)---\left(16\right)$>

式中，Δδ为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，δ₀为转矩角变化前一时刻的初值。从式(12)可知，当定子磁链保持幅值恒定时，转矩角从-90°变化到90°时，电机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90°时，转矩达到最大。对式(12)两边求导，电机转矩在t＝0时刻的变化率为： 

$>\mathrm{\Delta T}=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=\frac{3p_n}{2L_s}\left|{\psi }_s\right|{\psi }_f\mathrm{\Delta \delta }\cos \delta ---\left(17\right)$>

当转矩角在-90°～90°(电机稳定工作区，此时电动状态工作段为0～90°)范 围内变化时，式(13)中右边的式子总是为正，表明转矩随着转矩角的增加而增加，迅速改变功角增量Δδ，可使转矩增量ΔT快速变化，获得快速转矩响应，这是通过施加有效电压矢量来实现的。可见永磁同步电机转矩增量与功角、功角增量有关，而与角度变化率即转速无关。 

由(16)式得 

ΔT∝Δδ                (18) 

式16表示转矩角的变化量由两项组成，即电压矢量使定子磁链空间位置变化量和转子旋转造成转子磁链位置变化量。而由式(17)可以看出转矩的变化与转矩角变化量成正比例。 

根据电机统一理论，定子磁链与输入电压之间的关系为 

ψ_s＝∫(u_s-i_sR)dt            (19) 

若忽略电阻，则： 

ψ_s＝∫u_sdt                  (20) 

将式(20)离散化处理，有： 

ψ_s＝u_st+ψ_s0                (21) 

式中ψ_s0为磁链初值。 

这表明，定子磁链矢量ψ_s将沿着电压矢量u_s的方向，以正比于输入电压的速度移动，因此可以通过控制永磁同步电机的输入电压矢量u_s来精确控制定子磁链的幅值、旋转方向及速度。 

本实施例系统中，所述伺服泵采用径向柱塞泵，根据各注塑工艺对流量的需求精确地控制径向柱塞泵中油的排量，从而控制了调模马达、锁模油缸、顶针油缸、射胶油缸、射移油缸和熔胶马达各自电磁阀的输出流量； 

如图8所示，径向柱塞泵由一个定子外圈、缸体转子、柱塞组、转动轴、配流盘等主要部件构成柱塞组以等角度内嵌在转子缸孔内，柱塞孔轴线与缸筒转轴轴线垂直。通常，外圈定子与缸体转子之间有一个偏心距。工作时，外圈定子固定不动，转子作周期旋转运动。随着缸体的转动，柱塞随着转子作圆周运动。由于柱塞的滚子端受到定子约束，在一个循环中，当转子旋转时，柱塞 随转子一起旋转，在离心力(或低压油)作用下，柱塞头部与定子内表面紧紧接触。由于转子和定子间有偏心距，所以转子在半周转动时柱塞向外伸出，径向孔内的密封工作容积逐渐增大，产生局部真空，将油箱里的油液吸入；转子运动到另一半周的时候，柱塞向内推入，密封工作容积逐渐减小，将油液经配流机构向外排出。转子每转动一周，每个柱塞吸油、压油各一次，这是径向柱塞式液压泵工作的基本原理。柱塞在缸孔内的行程、流量的大小视定子与转子的偏心位置而定，通过控制偏心来改变泵的排量，进而控制执行机构的运行。 

外圈轨道固定不动，转子作圆周旋转，取柱塞滚柱几何中心为P点，柱塞一边随着转子作圆周运动，一边又作径向往复运动。 

根据几何关系求得，设以柱塞滚动中心为极点，极点与转子轴心到柱塞滚动中心的距离： 

ρ²＝e²+R²-2·cos(α+β)·e·R 

因柱塞的转角是转子的角速度和时间的乘机，柱塞的行程随之变化，故柱塞的行程可用下式表示 

β＝αsin(e·sinα/R)；α＝ω·t 

$>\rho =\sqrt{e^2+R^2-2·\cos (\pi -\omega ·t-a\sin (e·\sin \alpha /R))·e·R}$>

式中：ω为转子角速度(rad/s)；e为转子偏心距(mm)；t为转子转动时间(s)；R为定子中心到柱塞滚动中心的距离(rad/s)；ρ为转子轴心到柱塞滚动中心的距离(mm). 

下面是对密封工作腔中柱塞伸出离心力计算分析。 

1、流量计算 

单个柱塞的流量 

$>\mathrm{\Delta V}=\frac{\pi d^2}{4}.\mathrm{\Delta s}=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}·e$>

总体柱塞泵的流量 

$>V=\mathrm{\Delta Vz}=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}\mathrm{ez}$>

$>q=\frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{2}\mathrm{ezn}{\eta }_v$>

其中：d为柱塞直径；z为柱塞数(本实施例中柱塞泵数为5)；Δs为柱塞行 程；n为转子转速；η_v为容积效率；q为柱塞泵流量。 

当d值较大时，会使偏心轴所承受的径向力增加很快，但d值过小也会带来加工工艺性差和压杆不稳定等问题。当Δs值较大时，将使偏心轴所承受的交变扭转应力增加。要使柱塞泵获得最大的排量需综合考虑上述这两个参数。 

2、压力计算 

伺服泵在运行的工程中一般会受到轴向弹簧压力、液体的压力、柱塞的正压力、柱塞与缸孔的摩擦力、驱动轴的支反力等。本实施例中我们只分析下液体的压力，以便研究实现更好伺服电机的闭环控制。液压作用力体现在两个方面：一方面，缸孔呈星状排列，压紧力指向转轴；另一方面，由于是平面配流，所以工作容积将产生轴向的作用力。与轴向柱塞泵不同的是，径向柱塞泵的轴向作用力的作用不是把缸体向配流盘压紧，而是把缸体推离配流盘。 

液压力的作用点用矢量表示为 液压作用力对缸体的力矩可以表示为： 

其中R_A，R_B柱塞底部的直径；A_a，A_b分别为柱塞底部面积，配流口的面积。 

如图9所示为注塑机周期中的压力设定参数值，伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统在每一个注塑周期中系统的压力和流量是按照工艺要求而变化的，即在液压系统执行每一个具体程序时，如执行元件的驱动力和速度都有具体要求，因此，液压系统压力和流量必须与之相适应。伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的能耗输出总功率是一定的，但由于执行每一个程序时所需要消耗的功率不同，注塑机在一个周期中合模和开模系统所需油压较低，且时间较短，一般为一个工作周期的40％～60％，时间的长短与加工工件有关，间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以间歇期而连续加工。 

伺服泵注塑机取代传统注塑机比例压力阀、比例流量阀在注塑工艺作用，图10为一注塑机伺服泵节电功率能谱图，图中给出伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模取料等各个注塑工艺阶段的注射压力曲线，通过伺服电机控制液压系统的流量，使本发明中液压系统的流量与图中所示压力相适应，使伺服泵注塑机的功率消耗最小，注塑过程中节电 最大的几个工艺阶段是保压、冷却和开模取料阶段，大约占了电机70％的功率，本发明将富余的处于高压状态下的液压油全部截流后送回油箱，这部分耗散的能量就可以从伺服泵电机收回电能中的一部分。伺服电机驱动柱塞泵型液压注塑机系统的控制精度和和跟随性，重复性精度高，一般在整个过程中误差跟随在0.05s左右，大大减少了误差，也就减少了功率消耗。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。