伺服技术在注塑机上的应用

伺服技术在电液混合节能型注塑机上的应用
摘要：针对目前注塑机市场对节能，高效的需求特点，将大功率伺服电机和伺服驱动技术应用在电液混合节能型注塑机上，实现节能，高效，高精密的功能。

关键词：注塑机，节能，伺服电机
注塑行业正面临着一个飞速发展的机遇，然而在注塑产品的成本的构成中，电费占了相当的比例，依据注塑机设备工艺的需求，传统的注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量比例高达80%-90%。

随着能源问题日益受到重视，尤其是我国近些时候循环经济理念得提出，节约能源变得越来越重要，设计与制造新一代“节能型”注塑机，就成为迫切需要关注和解决的问题。

在注塑机节能问题上目前存在两个解决方案，即全电动式和电动—液压混合式，各自主要特点如下：
1．全电动式注塑机有一系列优点，特别是在环保和节能方面的优势，据报道，目前较先进的全电动式注塑机节电可以达到70%，另外，由于使用伺服电机注射控制精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。

但全电动式注塑机在使用寿命上不如全液压式注塑机，国内厂家目前在全电动式机型上还缺乏成熟的技术和使用经验，市场上仍以日系设备为主。

2．电动—液压式注塑机是集液压和电驱动于一体的新型注塑机，它融合了全液压式注塑机的高性能和全电动式的节能优点，这种电动-液压相结合的节能型注塑机已成为国内注塑机技术发展的一个主导方向。

本文侧重介绍星辰伺服的大功率交流永磁伺服系统在电液混合式节能型注塑机上的应用。

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，各个阶段需要不同的压力和流量。

对于油泵马达而言，注塑过程的负载总是处于变化状态，在定量泵的液压系统中，油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。

据统计由高压节流造成的能量损失高达36%-68%。

相关的节能技术有变频节能技术和变量泵节能技术，各自的技术特点如下：
1.变频节能型注塑机
传统的注射机没有对机器的驱动电机进行调整，即只要机器通电，电机就始终以额定转速运行。

由于电机与油泵同轴，油泵将以额定排量将油吸入液压系统中，当系统需要的流量小于油泵所提供的流量时，多余的油将被回流，这势必极大浪费。

在注塑机的几个动作阶段中，只有锁模、射胶、熔胶、开模三个阶段是需要对控制对象实施速度控制的，保压阶段仅需要进行压力控制。

见下表：
变频节能型注射机克服了传统注射机的这一弊病。

当系统需要的流量发生变化时，电机的转速也跟着发生变化，从而使得油泵排出的油的流量发生变化，即做到“需要多少给多少”。

由于是异步电机直接加上变频器运行，没有速度闭环精确控制，主电机的加速与减速时间较长，会影响生产效率。

因而在控制过程中引入了各动作控制电磁换向阀的控制信号，以便对注射机所处的工艺流程进行鉴别判断，提前给出加速与减速指令，实现工艺过程与调速控制的最佳配合。

尤其在冷却工艺流程中，使主电机停转。

变频技术对于老式机型实现节能化尤其重要，近年来，不少注塑企业都试验在普通注射机上安装变频器来观察效果，据企业反映，前几年的变频器对于控制精度和响应时间的影响非常大，这主要由于当时的变频器主要为通用型，随着技术迅速发展，注射机专用变频器出现，目前在生产非高精度产品时，采用高品质变频器已经能够为企业节省相当可观的能源。

但是，在对生产效率和产品质量有较高要求或者在局域电网供电不够稳定的情况下，变频节能技术的应用就会遭遇很大困难。

2.变量泵注塑机
变量泵节能型工作原理：在转速不变的情况下，通过改变液压泵排量，同时电机负载也会随着排量而改变，达到省电的目的。

变量泵与标准定量泵的主要区别是输出功率不同，变量泵的输出功率是随负载的变化而变化，而定量泵的输出功率相对恒定，在小流量动作情况下，变量泵的输出功率很低，而定量泵的输出功率基本恒定。

配备高响应功率匹配比例变量泵系统令注射机液压系统输出与整机运行所需功率匹配，无高压节流溢流能量损失，特别在射胶工序、熔胶、冷却工序的节电效果较高，平均可达30-50%的节电效果。

对射胶保压时间较长的厚身或大型制品，节电的优越性更加明显。

同时，相同电机功率可配用更大排量油泵，令整机速度加快。

变量泵注射机一般情况下用于小型机，对于中、大型注射机来讲，采用变量泵对设备成本增加太多，很不经济。

中、大型注射机一般均采用多个定量泵联合工作的方式来达到变换动作速度的目的，通过泵的加载、卸载和匹配，能源消耗也能够得到合理的控制。

另外变量泵对油的清洁度要求较高，这增加了变量泵注射机的使用成本，进而限制了其应用。

虽然以上两种技术都有一定的节能效果，但是存在一些应用场合的限制，是否有更好的产品和技术能够满足用户更高要求的需求呢？
其实，在一些技术交流会和行业媒体上，很多有识之士已经提到将伺服永磁同步电机应用于注塑机上。

异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。

因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流)，也因此叫做异步电机。

而同步电机转子本身产生固定方向
的磁场(用永磁铁或直流电流产生)，定子旋转磁场"拖着"转子磁场(转子)转动，因此转子的转速一定等于同步速，也因此叫做同步电机。

永磁同步电动机的转速n始终为n=60f/p不变，式中f为设定频率，p为电机极对数。

由于交流伺服电机中的转子是永磁材料，在工作时不需要励磁，铜耗和铁耗也很小，因此伺服永磁同步电机的效率和功率因数都在92%以，
所以其性能与效率是使用异步电机和变频器的组合无法比拟的。

伺服永磁同步电机的工作原理，如图4所示，在旋转的定子磁场中插入一个由永磁材料构成的转子（转子磁场径向分布）,磁场相互作用就产生了转子的旋转，转子磁场矢量与定子磁场矢量相差180度。

转子旋转的速度与定子磁场的转速相同，我们可以通过改变三相正弦电流的交变频率来改变定子旋转磁场的旋转速度从而改变电机转子的转速。

但此时相当于电机空载，电机输出转矩为零，只有加上一定的负载，转子磁场矢量与定子磁场矢量相差才会小于180度，这时的输出转矩才与电枢电流有关，撤消负载时，转子将沿定子旋转磁场的旋转方向加速，转子磁场矢量与定子磁场矢量向等于180度的位置变化，但180度处不管电流多大转矩都为零，转子将在惯性的推动下冲过此点，然后又在转矩的作用下回复，这就是同步电机的变频调速振荡。

如果我们逐渐加大负载（转子磁场矢量与定子磁场矢量相角差也向小于180度的方向变化），在一定的电流下，电机转矩将逐渐增大，并出现一个最大点，此后输出转矩随之减小，直到转矩为零，这就是所谓的失步崩溃。

因此，要对伺服电机进行精密控制，就必须要有特别的驱动器来实现。

桂林星辰电力电子有限公司经过多年发展，有在为军工行业服务10多年以及在多个行业的应用经验，专为注塑机行业开发的NAS系列伺服驱动器，通过随时调节定子磁场矢量方向，使转子磁场矢量与定子磁场矢量相位差保持在输出转矩最大点，从而实现通过调节定子磁场矢量大小控制电机输出转矩，进而实现速度伺服、位置伺服。

星辰伺服系统在注塑机上的应用方案：
1.伺服节能型
结构：将目前注塑机上常用的拖动油泵的普通三相异步电机更换为永磁同步伺服
系统，含伺服电机和伺服驱动器，将伺服阀更换为普通安全阀。

油泵为普
通齿轮泵。

控制系统：保留原有的硬件部分，速度给定部分做相应调整。

将目前的油泵电机替换成伺服系统，在注塑机整个工作过程中，油路的压力和流量要求在不同的动作阶段是不一样的，如图一所示
对于某一型号的注塑机而言，由于油缸的活塞面积已经固定，且油泵的参数也已知，因此油泵的流量与电机的转速为线性关系，且油路内的压力也正比于电机的输出扭矩。

所以，对于伺服电机而言，只要精确控制电机的输出扭矩和转速，那么就是精确控制了注塑机在工作时的流量和压力。

具体控制思路为，可让伺服系统工作在带力矩限制的速度模式下，此时，如果油路内的压力在设定压力以下，电机将在最短时间内（十至百毫秒级）加速或减速到给定的速度，使油路达到下一个工作状态所需要的压力，到达力矩限制值以后，电机停止或以很低的转速工作，从而可快速准确地控制油路压力和流量，没有任何的卸流，达到节能的功效。

评估：1，对注塑机在每个动作过程中的压力，速度进行了实施闭环控制
2，压力和速度可随时按预设的曲线快速连续变化
3，压力和速度实时检测和反馈
4，由于伺服电机的输出功率=输出扭矩*转速，可见，在采用伺服系统后，不管是生产何种产品，在保压时可节约90%的能量，在其他动作下至少
可节约50%。

2.全电动型
全电动注塑机是目前比较前沿的产品，在国外市场出现也没有多久，它是将电机驱动全面替代也压驱动，在一台注塑机上需要5个电机，分别是控制开合模，预塑，注射，射台移动，顶出等动作，由于伺服电机内部的完全电流和速度闭环，在不同动
作阶段可以根据要求，与上位机控制系统配合，实现力矩变化调节的快速响应，速度根据设定曲线的完全跟随，位置半闭环控制，定位重复精度在0.01mm以内。

星辰伺服的低速大扭矩电机，额定转速为600rpm(还可以更低)，可以直接连接丝杆，省去减速机构，没有高速旋转部件，减小发热，噪音，摩擦。