李明輝 李正琦

（1浙江溫州輕工研究院 浙江 溫州 325000）（2陜西科技大學機電工程學院 西安 710021）

基于矢量控制的全電動注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計＊

李明輝1李正琦2

（1浙江溫州輕工研究院 浙江 溫州 325000）（2陜西科技大學機電工程學院 西安 710021）

根據(jù)全電動注塑機的工藝結(jié)構(gòu)及對控制系統(tǒng)的要求，通過分析全電動注塑機的結(jié)構(gòu)，在把矢量控制應(yīng)用到永磁同步電機控制的基礎(chǔ)上，提出了一種全電動注塑機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。經(jīng)過分析和研究，表明該方案能夠進一步提高全電動注塑機的精確控制能力，其穩(wěn)定性好、可靠性高，能夠較好地滿足對全電動注塑機控制精度和穩(wěn)定性的要求。

全電動注塑機 永磁同步電機 矢量控制

功耗大、污染程度高、噪音大以及控制精度不夠精確等問題是傳統(tǒng)液壓形注塑機普遍存在的問題。因此，開發(fā)節(jié)能環(huán)保、高速高效、低噪聲以及高自動化的全電動注塑機已經(jīng)成為21世紀注塑行業(yè)的主要目標。目前國內(nèi)在全電動注塑機控制系統(tǒng)的理論方面的研究相對薄弱，特別是控制系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)與國外還有很大差距。筆者依據(jù)全電動注塑機的間架結(jié)構(gòu)及對控制系統(tǒng)的要求，通過對全電動注塑機的結(jié)構(gòu)和性能進行分析和研究。由于傳統(tǒng)異步電機驅(qū)動裝置重復定位精度差，低速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩小，諧波損耗大，速度變動率大，動態(tài)性能不佳等原因，運用傳統(tǒng)的控制方法很難達到滿意的控制效果；而永磁同步電動機具有動態(tài)響應(yīng)性好、輸出扭矩大、閉環(huán)控制精度高、制動性能好等優(yōu)點，特別是在低速時仍然能夠穩(wěn)定運行、無爬行線現(xiàn)象。因此，筆者把矢量控制應(yīng)用到永磁同步電機中，設(shè)計了一種新的全電動注塑機的運動控制系統(tǒng)，能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的要求，并在實際中得到了成功的應(yīng)用［1］。

1 全電動注塑機的核心結(jié)構(gòu)及注塑過程

注塑機是生活中塑膠產(chǎn)品的主要生產(chǎn)設(shè)備。全電動注塑機主要包括鎖模系統(tǒng)、模具系統(tǒng)、注塑系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，采用永磁同步伺服電機作為動力驅(qū)動系統(tǒng)，采用滾珠絲桿和同步皮帶作為傳動結(jié)構(gòu)，并借助螺桿（或柱塞）的推力，將已塑化好的熔融狀態(tài)（即粘流態(tài)）的塑料注射入閉合好的模腔內(nèi)，經(jīng)固化定型后取得制品的工藝過程。

圖1 全電動式注塑機主要部件結(jié)構(gòu)Fig.1 Fully－electric injection molding machine main parts of the structure

其工作原理為：將粒狀或粉狀塑料加入機筒內(nèi)，隨螺桿轉(zhuǎn)動原料向前移動，并通過螺桿的旋轉(zhuǎn)形成剪切熱和機筒外壁加熱使塑料由顆粒狀變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，最后成為流態(tài)，而且對注射料筒形成一定壓力；當螺桿頭部的熔態(tài)物料壓力達到能克服注射電機退回時的阻力時，螺桿便向后移動，自動計算熔態(tài)物料體積是否滿足注射需求，此時，螺桿頭部與噴嘴之間體積越來越大，物料越來越多；當熔態(tài)物料體積滿足注射需求時，計量裝置撞擊限位開關(guān)，螺桿停止轉(zhuǎn)動并后退，然后合模電機驅(qū)動合模機構(gòu)運動，模板沿導桿方向使模具閉合，緊接著注射座前移，使噴嘴貼緊模具的澆口道，接著電機啟動，使螺桿向前推進，注塑電機按照系統(tǒng)設(shè)定的注射壓力和速度將熔態(tài)物料射入模具型腔內(nèi)。當熔料充滿整個模腔后，螺桿仍對熔料保持一定的壓力，以此來防止模具型腔中的熔態(tài)物料反向流動，并向模具型腔內(nèi)補充產(chǎn)品因冷卻收縮所需要的物料，以保證產(chǎn)品具有一定的密度和尺寸公差。模具型腔中的熔態(tài)物料經(jīng)過冷卻，使其固化成形，當完全冷卻后，在頂出機構(gòu)的作用下便可開模，產(chǎn)品被頂出。這就是一個完整的注塑成型過程，時序圖如圖2所示。

圖2 電動注塑時序圖Fig.2 Electric injection timing diagram

全電動注塑機的性能在很大程度上依賴于其運動控制系統(tǒng)的精密性和穩(wěn)定性，因此好的動態(tài)響應(yīng)性、大扭矩輸出、高精度閉環(huán)控制、良好的制動性能等是設(shè)計控制系統(tǒng)方案時需要考慮的因素。

2 永磁同步伺服電機的控制

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，通常是由勵磁繞組、磁極鐵心、永磁磁鋼及磁轆等組成。轉(zhuǎn)子的作用是在電動機的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強度，與通電后的定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以此來驅(qū)動自身的轉(zhuǎn)動。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝位置的不同，永磁同步電機可以分為兩大類：凸極式和嵌入式永磁同步電機，如圖3所示。

圖3 永磁同步電機結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of permanent magnet synchronous motor

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是具有兩個極的永磁體。當給電機的繞組通上交流電時，則會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場；當定子的旋轉(zhuǎn)磁場以一定的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，N極與S極互相吸引，定子的旋轉(zhuǎn)磁極就會帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)［3］。顯然，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，即同步，否則電機就會失步。失步與否跟定子的磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角θ有關(guān)，而θ與負載的大小有關(guān)。因此，只要電機的負載不超過一定限度，θ在允許范圍內(nèi)變化，電機就不會失步［2］。三相PMSM的模型是多變量、強耦合、非線性的系統(tǒng)。通過對轉(zhuǎn)子磁場定向矢量的控制就可以對轉(zhuǎn)矩的控制參數(shù)實現(xiàn)解耦，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性控制。其基本原理是：通過坐標變換，即在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標軸系上通過對電動機的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進行解耦，使其具有與傳統(tǒng)直流電動機相同的運行性能。將PMSM的轉(zhuǎn)子永磁體磁場方向定為d軸，將電動機旋轉(zhuǎn)方向上滯后90°的方向定為q軸，建立一個基于轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系，如圖4所示。利用坐標變換可以將電壓、電流在電動機的三相坐標系與同步旋轉(zhuǎn)坐標軸系之間相互轉(zhuǎn)換［3］。

圖4 同步旋轉(zhuǎn)坐標系Fig.4 Synchronous rotating coordinate system

3 全電動注塑機的運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

在全電動注塑機的控制系統(tǒng)中，位置控制應(yīng)用比較多，其主要特點是定位精度高、反應(yīng)速度較快。位置伺服控制系統(tǒng)有電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)等，如圖5所示。該控制系統(tǒng)不需要辨別對象參數(shù)，在微分、坐標變換及逆變的基礎(chǔ)上，檢測出實際輸出，即可形成位置、速度和電流閉環(huán)系統(tǒng)，從而可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖5 伺服電機控制框圖Fig.5 Servo motor control block diagram

4 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計［4～6］

電流傳感器測量出的定子電流經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過clarck和park變換將電流變換成為坐標系dq中的分量，用于電流環(huán)的反饋量。利用編碼器測量電動機的機械角位移并將其換算成電角度及轉(zhuǎn)速，電角度用于參與矢量變換，轉(zhuǎn)速用于速度環(huán)的負反饋。給定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速反饋量的偏差經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)器輸出用于轉(zhuǎn)矩控制的q軸參考電流分量，參考電流分量與電流的反饋量的偏差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器輸出旋轉(zhuǎn)坐標系的電壓分量，電壓分量再經(jīng)過park逆變換轉(zhuǎn)換成靜止的兩相直角坐標系中的定子相電壓矢量的分量，通過電壓空間矢量svpwn技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

轉(zhuǎn)子相位初始化采用磁定位的方法，通過給定子一個已知大小和方向的直流電，使定子產(chǎn)生一個恒定的磁場，這個磁場與轉(zhuǎn)子的恒定磁場相互作用，迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁場成一線的位置停止，從而使轉(zhuǎn)子的位置固定，初始相位也就得到固定。DSP2407為定點DSP，為了滿足精度的要求，在運算中采用PU模式，電流、電壓和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)格式采用Q12格式。在系統(tǒng)位置與速度板塊中，利用增量脈沖編碼器AB輸入的4個沿信號對脈沖信號進行4倍頻，提高了位置與速度反饋的分辨率。由于慣性較大，機械系統(tǒng)響應(yīng)的時間常數(shù)遠大于電系統(tǒng)響應(yīng)的時間常數(shù)，所以可以按一定間隔對速度進行采樣，系統(tǒng)中每32個PWM脈沖對速度采樣一次［7］。DSP用于磁場定向的矢量控制子程序框圖如圖6所示。

圖6 矢量控制子程序Fig.6 Vector control subroutine

5 結(jié)論

實踐證明，基于PMSM的全電動注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計，在運用永磁同步伺服電機作為驅(qū)動動力源的基礎(chǔ)上，將矢量控制應(yīng)用到全電動注塑機的控制系統(tǒng)中去，使生產(chǎn)過程中的全電動注塑機的優(yōu)越性有極大的提高。DSP2407通過CPLD連接與DSP連接進行電平轉(zhuǎn)換、隔離和總線仲裁等先進技術(shù)，使用極為方便、靈活、簡潔，并且運行極其穩(wěn)定。因此，PMSM的加入更是提高了全電動注塑機的控制精度、重復定位精度，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量得以保證。全電動的驅(qū)動方式在生產(chǎn)效率上明顯優(yōu)于液壓或混合驅(qū)動的驅(qū)動方式，而且全電動注塑機的效率高，控制精度高，性能穩(wěn)定，目前已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)時間中。

1 從爽.實用運動控制技術(shù).北京：電子工業(yè)出版，2006

2 李大寅，周舟，朱寧迪.永磁伺服同步電機在注塑機中的應(yīng)用.橡膠技術(shù)與裝備，2004（7）：58～60

3 王成元，夏加寬.電機現(xiàn)代控制技術(shù).化京：機械工業(yè)出版，2005

4 張開飛，黃逝.基于DSP的變頻壓縮機PMSM數(shù)字控制系統(tǒng).裝備機械，2008（1）：60～63

5 顧軍.基于DSP的永磁同步電機無線傳感器矢量控制系統(tǒng)研究.南京：南京航空航天大學，2006

6 賈洪平，賀益康.基于高頻注入法的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究.中國電機工程學報，2007，27（15）：15～20

7 寧建榮，朱成實.基于永磁同步電機的全電動注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計.工程塑料應(yīng)用，2008，36（1）：65～68

Vector Control in the Fully Electric Injection Molding Machine Control System Design

Li Minghui1，Li Zhengqi2（1Research Institute of Light Industry，Zhejiang，Wenzhou，325000）（2Shaanxi University of Science and Technology College of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Xi＇an，710021）

Fully electric injection molding machine according to the process structure and the requirements of the control system，by analyzing the structure of fully electric injection molding machine，in the vector control applied to permanent magnet synchronous motor control on the basis，fully electric injection molding machine control system design，through analysis and research，indicating that the program could further improve precise，fully electric injection molding machine control，its stability，high reliability，better meet on fully electric injection molding machine control accuracy and stability requirements.

Fully electric injection molding machine；Permanent magnet synchronous motor；Vector control

TP273

B

1002－2872（2012）07－0027－03

浙江省溫州市科技項目（項目編號：H20100044）

李明輝（1972－），博士，副教授，碩士生導師；主要研究方向為智能及高級過程控制。