液压注塑机伺服泵流量与压力解耦控制方法_钟汉如

２］ 。 通过对伺服 电 机 转 速 和 扭 矩 的 控 制 ， 制［ 从而达
０ 引言
液压 系 统 早 期 广 泛 应 用 于 注 塑 机 ， 但是传统的 阀控型液压驱动 系 统 存 在 诸 多 缺 陷 。 因 此 ， 国内改
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ２ １ ３ － －
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介绍一种 液 压 注 塑 机 伺 服 泵 流 量 与 压 力 摘要 ： 解耦的控制方法 。 对液压注塑机伺服系统进行建模 分析 ， 详细分析伺服泵转速与转矩 、 流量与压力的解 耦控制 ， 采用切换控制策略对控制方法进行优化 ， 实 现了注塑周期中不同工艺过程的良好跟踪效果和控 制精度 ， 并提高了控制响应速度 。 关键词 ： 注塑机 ；伺服控制 ；流量压力解耦 ；控 制优化 ； 切换控制策略 中图分类号 ： ＴＨ ３； Ｔ Ｐ ２ ０ ２． ７ 文献标识码 ： Ａ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ２ ５ ７ ２ ０ １ ２ ０ ６ ０ ０ ５ ４ ０ ３ － － － ： ａ ｅ ｒ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｉ ｓ ｈ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ａ ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｕ ｍ ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ． Ｂ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｙ ｊ ｇ ｙ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｙ ｙ ｊ ｇ ， ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｈ ｏ ｗ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｅ ｄ ｙ ｐ ， ｔ ｏ ｒ ｕ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｑ ｐ ｇ ｐ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｅ ｄ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｕ ｍ － ｇ ｐ ｐ， ， ｔ ｏ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｄ ｏ ｏ ｄ ｇ ｙ ｐ ｇ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ａ ｃ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ － ｇ ｙ ， ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｃ ｃ ｌ ｅａ ｌ ｓ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｐ ｊ ｇ ｙ ｐ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ ｅ ｅ ｄ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． ｐ ｐ ｙ ： ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｊ ｇ ｙ ； ； ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｔ ｉ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ － ｐ ｇ ｐ ｐ ； ｍ ｉ ｚ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇｓ ｇ ｇ ｙ
Ｖ（ ｘ） ｄ ｄ ｘ ｐ （ ） ＋Ａ ２ λ ｑ＝ ｐ＋ Ｋ ｄ ｔ ｄ ｔ 为 Ｖ（ ｘ） λ 为液压缸总泄漏系数 ； ｐ 为液压压力 ；
液压缸 总 容 积 ； Ｋ 为 液 压 油 体 积 模 量； Ａ 为液压缸 有效作用面积 ； ｘ 为液压缸位移 。
３］ 而液压缸的运动平衡方程 ［ 为： ２ ｄ ｘ ｄ ｘ （ ） ｃ ＋ ｋ ｘ＋ＦＬ ３ ２ ＋ ｄ ｔ ｄ ｔ ｍ 为液压缸 等 效 质 量 ； ｃ为液压缸粘性阻尼系
自动控制与检测
液压注塑机伺服泵流量与压力解耦控制方法
钟汉如 ， 王文俊 （ ） 华南理工大学机械与汽车工程学院 ， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ４ １
Ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉ ｎ Ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｍ －ｐ ｐ ｇ ｙ ｊ ｐ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
， ｕ ｎ Ｚ Ｈ Ｏ Ｎ Ｇ Ｈ ａ ｎ ｒ ｕ ＷＡ Ｎ Ｇ Ｗ ｅ ｎ － － ｊ （ ， ， ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ａ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｇ ｕ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ５ １ ０ ６ ４ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ ｇ
Ｆ＝Ａ ｐ＝ｍ
数； ｋ 为负载弹性系数 ； ＦＬ 为负载阻力 。 在伺 服 驱 动 液 压 泵 系 统 中 ， 液压泵的流量与转 速之间的关系为 ： （ ） ｎ Ｖ ４ ｑ＝Ｃ ｎ 为伺服电机驱动转速 ； Ｃ 为液压泵容积效率 ；
Ｖ 为液压泵额定排量 。 对于 伺 服 驱 动 液 压 泵 系 统 ， 液压泵的出口压力
图 ２ 前馈补偿解耦 图 １ 控制系统解耦
如图 ２ 所示 ， 由式 （ 得前馈补偿综合法的伺 １ ２） 服电机液压泵压力与流量解耦实现方法 。
３ 控制策略优化及实验
３． １ 控制策略及其优化 在交流同步伺服电机控制中 ， 由于电机的力矩－ ·５ ５·
ＫＶ １ Ｘ１ ＝－ Ｘ１ ＋ Ｕ ＴＤ ＴＤ
进液压驱 动 系 统 的 研 究 都 着 重 于 把 阀 控 转 变 为 泵 控 。 把液压注塑机从传统的异步电机比例流量和比 例压力控制改为伺 服 电 机 驱 动 定 量 泵 控 制 ， 其关键 问题是油缸的低压高速运动或者高压低速移动没有 较好的解决方 法 。 例 如 注 塑 机 在 快 速 锁 模 和 保 压 、 射胶低速大扭矩移 动 等 工 艺 中 ， 伺服定量泵的流量 造成注射制品质 与压力控制无法有 效 的 分 解 开 来 ， 量难以满足工艺 要 求 。 因 此 ， 流量与压力解耦控制 是解决问题的关键技术 。
Ｋ （ Ｃ Ｖ２ Ｖ Ａ ） Ｘ１ － Ｘ２ － Ｘ４ Ｘ２ ＝ （ ） λ ２ Ｖｘ ２ π π Ｘ３ ＝Ｘ４
１ ２ Ａ π Ｘ４ ＝ （ Ｘ２ － ｋ Ｘ３ － ｃ Ｘ４ －ＦＬ ） ｍ Ｖ 以标准矩阵形式表示为 ： Ｘ＝Ａ Ｘ＋Ｂ Ｕ ＋Ｅ ＦＬ
（ ） ７ （ ） ８ （ ） ９
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（ ） ６
自动控制与检测
液压注塑机伺服泵流量与压力解耦控制方法 表 １ 控制策略
注塑阶段 快速锁模 ຫໍສະໝຸດ Baidu压锁模 高压锁模 控制策略 流量优先控制 压力优先控制 压力优先控制 到下一阶段的切换策略 位置 压力 压力 位置 压力 时间 位置 位置 位置 位置 位置 位置
液压注塑机伺服泵流量与压力解耦控制方法
自动控制与检测
到注塑成型工艺所 要 求 流 量 与 压 力 的 完 全 匹 配 ， 消 除液压系统中节流和溢流的能耗损失 。
２ 系统模型及控制原理
控制交流伺服电机转速和控制液压油缸位移在 数学模型方面有着相互关联 。 ２． １ 交流同步伺服电机与液压油路系统数学模型 由于伺服电机转速 ｎ 与输入电压 Ｕ 方程为 ： ｄ ｎ ｎ ＫＶ ＝－ ＋ Ｕ ｄ ｔ ＴＤ ＴＤ 液压执行缸的流量平衡方程为 ： （ ） １
即伺服电机负载 将会反映到伺服电 机 的 输 出 轴 上 ，
４］ ， 转矩 与 液 压 泵 输 出 压 力 之 间 存 在 着 对 应 关 系 ［ 忽
ＫＣ Ｖ２ Ｋ λ － ２ Ｖ（ ｘ） Ｖ （ ｘ） π 燀 燅
略机械产生的摩擦 阻 力 和 液 压 泵 的 泄 漏 因 素 ， 两者 之间的关系式可近似为 ： ／ （ ） ＴＬ ＝ Ｖ ２ ５ π ｐ ） 由式 （ 和式 （ 可 知， 液压泵的输出流量和压 ４ ５） 力与伺服电机的输出转速和转矩存在线性的对应关 系， 即对液压泵的 输 出 流 量 和 压 力 控 制 可 以 转 化 为 对伺服电机转速和转矩的控制 。 当流量和压力的检 测信号反馈到上位 机 控 制 器 或 伺 服 驱 动 器 时 ， 即可 从控制算法上实现对液压系统的伺服控制 。 设状态 ｄ ｘ 则可以求 变量为 Ｘ１ ＝ ｎ， Ｘ２ ＝ＴＬ ， Ｘ３ ＝ｘ， Ｘ４ ＝ ， ｄ ｔ 出伺服驱动液压系统的注塑过程模型 ：
（ ） Ｙ＝Ｃ Ｘ １ ０ ２． ２ 压力与流量控制解耦 设计一 个 解 耦 Ｆ（ 阵， 将 其 串 联 在 系 统 中， 解 ｓ） 耦过程如图 １ 所示 。 采用前馈补偿解耦可得开环传 递函数方程 ： ） ） ） ） （ ） ＧＣ （ ｓ ＝Ｇ（ ｓ Ｆ（ ｓ Ｄ（ ｓ １ １ ） ） 为常规调节器的控制矩阵 ， 由于 Ｇ（ Ｄ（ ｓ ｓ ≠０， 所以压力 、 流量解耦矩阵结果为 ： 燄 ２ Ａ π ０ Ｇ２ ｍＶ 燅 １ ） Ｆ１（ ｓ ＝－ ＝－ 燀 Ｇ２ ０ １ ２ 熿 燄 ｋ ｃ － － ｍ燅 燀 ｍ ０ ０ 熿 燄 ＫＶ Ａ ０ Ｇ１ ２ Ｖ（ ｘ） ２ π 燅 ） （ ） ｓ ＝－ ＝－ 燀 １ ２ Ｆ２（ １ Ｇ１ １ 熿 － ０ 燄 ＴＤ ０ 熿 ０
１ 液压伺服泵注塑过程
注塑成型过 程 工 艺 一 般 分 为 锁 模 、 射 胶、 保 压、
１］ 。 不同工 熔胶 、 冷却 、 开模和顶出等多个工艺过程 ［
艺段需要不同的流量和压力 。 注塑过程中油泵驱动 系统是处于变化的负载状态 。 传统的比例阀控液压 即油泵电机以恒定 系统存在称为高压 节 流 的 过 程 ， 的转速运行 ， 液压油泵提供恒定的流量 ， 多余的液压 造成高压 节 流 阀 能 量 损 失 ３ 油通过溢流阀回流 ， ６％ 定量泵恒定转速供油大于油缸 ８％ 。 究 其 原 因 ， ～６ 移动所需要的油量 ， 就造成过多的油流量通过压力 只 泄流阀流入油缸 。 油 路 系 统 压 力 和 流 量 不 适 应 ， 能通过比例流量阀和比例压力阀来调节油路系统中 这就 使 得 实 际 能 耗 远 大 于 工 作 所 需 的流量和压力 ， 能耗 。 传统定量泵液压系统无法实现注塑机各工况所 需流量与压力的匹 配 控 制 ， 伺服泵驱动液压系统则 可以弥补其不足 。 伺服驱动液压系统采用交流同步 伺服电机 驱 动 定 量 泵 的 形 式 为 注 塑 机 液 压 系 统 供 伺服电机由伺服驱动器直接控制 ， 液压系统的流 油， 量和 压 力 都 由 传 感 器 反 馈 到 控 制 器 进 行 闭 环 控
转速特性 ， 在转速恒定的情况下 ， 电机的输出转矩是 由负载决定的 。 同时 ， 在液压系统中 ， 液压泵的输出 ） 压力也是由负载决定的 。 又根据式 （ 可知 ， 伺服驱 ５ 动液压系统中伺服电机的输出转矩与液压泵的输出 压力近似成线性关 系 ， 则在伺服驱动液压系统的控 制中 ， 伺服电机的 输 出 转 矩 可 近 似 成 由 液 压 系 统 负 载决定 。 由液压系统模型可以知道 ， 在注塑过程中 ， 系统 注塑过程中的负载会根据 的流量和压力是耦 合 的 ， 工艺改变而变化 ， 液压缸的压力受负载的直接影响 。 液压系统中 ， 在系统压力稳定前 ， 实际液压压力无法 达到控制设定值 ， 控制作用以流量闭环为主 ； 而压力 负载稳定后 ， 速 度 很 小， 无法按控制设定的速度运 行， 控制作用以 压 力 闭 环 为 主 。 对 于 注 塑 成 型 的 液 压系统来说 ， 注塑 过 程 中 不 同 动 作 对 流 量 和 压 力 的 要求都各不相同 ， 比如高压锁模阶段要求的压力非 但是对流量的要求则相对较小 ， 而在加料时则 常高 ， 要求流量非常大 ， 压力相对较小 。 这就要 刚好相反 ， 求在不同动作阶段 使 用 不 同 的 控 制 策 略 ， 在对流量 和压力的控制上有所偏重 。 在实 际 的 应 用 中 ， 可以对液压注塑机的工作过 程采用切换控制策略 ， 如图 ３ 所示 ， 即根据注塑过程 分为流量优 中各动作的特点采 用 不 同 的 控 制 方 法 ， 先控制和压力 优 先 控 制 。 由 于 从 液 压 系 统 模 型 中 ， 可以得到伺服电机的转速和转矩与液压泵的输出流 量和压力之间的关 系 ， 则可以通过采用不同控制器 ） 组合 Ｄ（ 实现上述 ２ 种控制方式 。 ｓ