伺服电动机直接驱动定量泵液压系统在精密注塑中的应用及其控制策略

２．１伺服驱动液压系统模型
伺服电动机精确模型复杂，具有非线性，在这 里可以简化为一个一阶环节。
Ｇｂ～）：型：』，＿ ％（ｓ）％ｓ＋ｌ
转换成时域为
塑一＝：一一一旦＋一＋ｌ堡，ｕ
出 ％％
（●一１¨）
式中，厅为电动机转速，％为时间常数，墨为转矩
增益，【，为输入控制电压。
液压泵的流量与转速之间关系可用式（２）表示。
ｓｙｓｔｃ＝Ｉｎ ｆ．ｏｒ画ｃｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉＩｌｅ，ａ ｓｅｒｖｏ
ｐ咖叩ｈｙｄｒａｕＩｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｐｒｃｃｉｓｉｏｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏＩｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅ鹳，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｓｅｒＶｏ ｍｏｔｏｒ，ｃｏ璐ｔａｎｔ ｐ咖叩粕ｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｅｓｔ ｒｃｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔ锄ｆｂａｎ鹏ｓ叫ｃｋ ｒｅｓｐｏｎ∞，ｈｉｇｌｌ—ａｃｃｍｃｙ ｃｏｎ仃０１ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ狮ｄ
ｓｐｅｅｄ，柚ｄ ｇｏｏｄ ｅｎｅ奶ｒ—ｓａｖｉｎｇ ｅ髓ｃｔ．
Ｈｙ妇ｌｉｃ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｓｅｎｒｏ越ｖｅ Ｐ他ｃｉｓｉｏｎⅫｅｃｔｉｏｎ Ｓｌｉｄｅ ｍｏｄｅ ｃｏｎ们ｌ
·国家科技支撑计划（２００７ＢＡＦｌ３８０３）和浙江省教育厅（Ｙ２０１００９９５３）资 助项目。２０１００３０７收到初稿，２０ｌ００９１２收到修改稿
制。由于注塑过程是一个高压、高能耗的过程，一 台注塑机的功率在几千瓦到几百千瓦不等，在当前 金融危机和能源危机的时代，节能也是注塑工业的 ～大发展趋势。
式中，ｍ为液压缸等效质量，ｃ。为液压缸粘性阻尼 系数，七为负载弹性系数，Ｅ为负载阻力。
设状态变量为五＝刀，置＝Ａ，墨＝工，
墨＝叫出，则伺服驱动液压系统的注塑过程对象
模型如式（５）～（８）所示。
墨一去墨＋等ｕ
④
丘＝志（ｃ隅一五置一４墨） （６）
墨＝五
（７）
பைடு நூலகம்
五＝二（４恐一ｃ。丘一－蝎一Ｅ）
（８）
写成标准矩阵形式为
目前注塑机有液压式、全电动式和电液混合式 三种类型。全电动式注塑机成本太高，应用受到限 制，目前仍然以液压式注塑机为主流。普通液压式 注塑机为一台三相电动机驱动定量泵为液压系统提 供动力，通过比例压力阀和比例流量阀实现液压系 统的压力和流量控制。整个注塑过程电动机以额定 功率运行，而整个注塑过程中注塑动作都存在多余 流量通过溢流回到油箱，能源浪费严重。另外由于
万方数据
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机械工程学报
第４７卷第２期
比例压力阀和比例流量阀响应速度限制以及压力、 流量基本采用开环控制，系统的控制效果很差，难 以满足精密注塑的要求。
虽然液压系统在各种液压机械中广泛使用，但 是使用阀控的传统液压驱动系统仍然有很多缺点， 如结构复杂、能耗高、发热高、高噪声、压力振动 以及对液压油要求高等，随着伺服驱动控制技术的 发展，由各种伺服电动机直接驱动的电液伺服系统 开始出现，该系统克服了传统阀控液压系统的不足。 很多研究已经表明，这类非阀控液压系统结构紧凑、 可靠性高、机械效率高，而且由伺服电动机直接驱 动的液压系统具有闭环控制方便、调速范围广、控 制精度高、节能效果好以及便于实现各种控制策略 等优点。因此这类伺服电动机直接驱动的液压系统 由于其节能效果在国内外受到广泛关注，并成功应
能量损失，原因究其本质有两个，即流量不适应—— 过多的流量流入了油路系统；压力不适应——供油 压力大于工作压力，以补偿比例调速阀的节流压降。
传统的定量泵液压系统无法实现注塑机各个 生产工艺环节所需压力和流量的匹配控制，所以能 耗高。由于伺服直接驱动液压系统具有天然的节能 优势，所以结合注塑过程的特点设计了如图２所示 的由伺服电动机直接驱动的注塑液压系统。
用到多种大型液压机械中。文献【１—２］研究了一种开 关磁阻电动机直接驱动的液压系统性能，并提出了 一种自调整的模糊补偿及模糊ＰＩＤ控制策略。该类 系统虽然具有节能的天然优势，但是由于流量和压 力的耦合特性，其对象仍然具有不确定、时变和高 度非线性等特点，其精确控制策略是关键。传统的 ＰＩＤ在该类直接驱动液压系统中效果不佳，超调大， 响应速度慢，鲁棒性差。因此各类自适应策略和先
第４７卷第２期 ２０１１年１月
机械工程学报
ＭＥＣＨ州ＩＣＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ
ＥＮＧｎ、丁ＥＥＲｎ町Ｇ
ＤｏＩ：１０．３９０ｌ，ＪＭＥ．２０１１．０２．１７３
Ｖｂｌ．４７
Ｊ蚰．
Ｎｏ．２ ２０１１
伺服电动机直接驱动定量泵液压系统在 精密注塑中的应用及其控制策略木
彭勇刚 韦 巍
（浙江大学电气工程学院杭州３１００２７）
图ｌ传统油路系统原理图 该系统采用定量泵供油，液压泵转速，ｌ及液压 泵排量％都不可调，称为比例阀控制的定量泵系 统。注塑过程中各动作进行时，其液压系统的压力 和流量并不都等于设定的压力和流量，因为动作过 程中实际压力取决于负载和摩擦力大小，负载未稳 定前为流量控制状态，此时因液压泵流量ｑ６＝圪×以 为定值，除一部分流量印ｌ经比例调速阀进入工作回 路外，其余流量ｑ，都经比例溢流阀排回油箱。当大 力稳定后为压力控制状态，此时工作流量口ｌ极小， 液压泵流量口６＝圪×以的绝大部分都要经比例溢流阀 流回油箱，以此维持液压泵压力船达到设定值，能 量浪费巨大。而当系统进行冷却吹气等不需液压动 作时，液压系统的能源全部通过泄流损失掉。可以 看到，传统的定量泵油路系统必会存在节流及溢流
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进控制技术得到应用。如文献［２］采用模糊ＰＩＤ控制 策略，文献［３．６］采用了滑膜变结构控制策略来控制 液压系统系统，都取得了很好的效果，显示出变结 构控制在该类液压系统控制中具有很好的优势。
但是注塑成型过程是一个高度复杂的过程，其 中注射过程是最关键的一个环节，直接关系到产品 的质量。一系列研究关注了注射过程的速度闭环控 制，如文献［７］提出了一种带学习能力的ＰＩ控制器 应用到注射过程的速度控制中，文献［８】采用自适应 控制策略应用的注塑速度控制中，使注射过程的速 度控制响应速度和控制精度得到提高。也有文献关 注注射过程压力的闭环控制，如文献［９】采用自适应 控制策略，文献［１０］采用了鲁棒迭代学习控制策略 来控制注塑过程的压力。但是，注射过程是一个连 续的成型过程，其压力和速度都需要进行闭环控制， 注射过程可以划分为注射阶段和保压阶段，其压力 和速度是耦合的，如何实现压力和速度的闭环控制 并进行准确地切换是实现注射过程全闭环控制的关 键，这方面还很少有研究。本文就基于伺服驱动的 液压系统结构下，着重对注射过程的压力速度控制 策略进行研究。
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该液压系统由一个受控制器直接控制的伺服
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彭勇刚等：伺服电动机直接驱动定量泵液压系统在精密注塑中的应用及其控制策略
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’ 图２伺服直接驱动注塑液压系统原理图
驱动系统控制的定量泵为注塑液压系统提供液压， 液压系统的流量由伺服电动机速度闭环和控制器直 接检测液压缸双闭环控制，系统的压力由一个压力 传感器检测并送到控制机进行闭环控制。该系统能 够根据注塑机工艺需要设定的压力和流量提供完全 匹配的液压压力和流量，消除了系统的溢流能耗 损失。
在普通的由比例压力阀和流量阀控制的定量 泵液压系统中，由于比例阀的响应速度限制，无法 实现系统液压和流量的快速响应，无法实现系统的 精确闭环控制，所以在精密注塑中无法使用。而上 述液压系统由于采用高响应速度的伺服系统和定量 泵，所以系统具有很高的动态响应性能，可以实现 系统的精确快速闭环控制。
２液压系统模型及控制策略
ｌ液压系统结构
注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、保压、 熔胶、冷却、开模和项出等几个阶段，各个阶段需 要不同的压力和流量。对于液压泵电动机而言，注 塑过程的负载总是处于变化状态，在传统采用比例 阀控制的定量泵的液压系统中，液压泵电动机以恒 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。据统计由高压节流 造成的能量损失高达３６％～６８％。图１为传统油路 系统原理图。
ｓｙｓｔｅｍ ＥｎｅＦｇ），一阻Ｖｉｎｇ
Ｏ前言
注塑过程是目前塑料加工的主要生产方式之 一，由于注塑过程能够一次成型各种复杂形状及高 精度的产品，因此注塑产品在工业、消费电子和日 常生活中受到广泛应用。随着光学及精密制造，如 光学镜片、精密齿轮等对注塑件精度要求的提高， 常规注塑已经不能满足要求，精密注塑日益受到关 注。精密要求实现各项注塑工艺参数的精确闭环控
。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＳｅｒＶＯ Ｍｏｔｏｒ ＤｒｉＶｅｎ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｕｎｌｐ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ
ＰＥＮＧ ＹｂｎｇｇａｎｇⅥ，ＥＩ Ｗ萌 （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｚｈｅｊｉａｎｇ ＵｎｉＶｅｒｓｉ劬Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００２７）