李向東，楊偉杰

(寶捷精密機械有限公司，廣東 佛山 528137)

1 伺服驅(qū)動技術(shù)在注塑成型工藝中的應(yīng)用現(xiàn)狀

從2013年開始，伺服驅(qū)動技術(shù)在我國注塑機械行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，但由于我國塑料機械制造業(yè)是起源于技術(shù)和設(shè)備引進基礎(chǔ)之上的消化吸收，對塑料機械使用伺服驅(qū)動作為動力源的應(yīng)用技術(shù)還沒有專門研究，經(jīng)驗積累還比較少,絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家和該領(lǐng)域的工程技術(shù)人員還停留在異步電機拖動的時代。造成國內(nèi)的許多注塑機生產(chǎn)商由于技術(shù)門檻原因，不能充分利用注塑成型工藝過程的技術(shù)特點合理選擇設(shè)計和選擇伺服電機和驅(qū)動器。在設(shè)計更高端的液電復合注塑成型機及全電動注塑成型機器時，僅能根據(jù)功率和扭矩計算參數(shù)，簡單選擇伺服電機和驅(qū)動器，從而造成機器在超速控制過程中，由于弱磁電流的不規(guī)則變化，導致力的控制不斷變化，最終造成注塑成型工藝的壓力波動很大，反而沒有達到精密控制的效果。

伺服驅(qū)動技術(shù)由于具有高響應(yīng)、穩(wěn)定性好、精度高、環(huán)保、節(jié)能、低噪音等技術(shù)特點，逐漸成為傳統(tǒng)液壓注塑機的換代產(chǎn)品，對此類注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行研究，具有重要的應(yīng)用價值。

2 注塑成型工藝過程中對伺服驅(qū)動的要求

伺服驅(qū)動式注塑機的控制性能很大程度上依賴于伺服驅(qū)動控制器的精密性和穩(wěn)定性、伺服電機的響應(yīng)速度和剛性特性，因而對伺服電機和驅(qū)動器提出了以下要求：

（1）為了保證注塑制品的成型能夠滿足精密注射的要求，并具有極高的重復性和穩(wěn)定性，必須保證鎖模和射膠等動作在執(zhí)行時有比較高的位置控制精度。因此在伺服控制中，位置控制要求有高的定位精度；而在速度控制中，要求伺服驅(qū)動器能提供高的調(diào)速精度。

（2）響應(yīng)速度要快。在注射成型過程中，為了成型具有復雜結(jié)構(gòu)的塑料制品，常常需要進行多級注射。為了保證執(zhí)行機構(gòu)能嚴格按照設(shè)定的要求進行成型參數(shù)切換，要求系統(tǒng)除了具有很高的位置控制精度外，還應(yīng)具有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，跟蹤誤差要小。

（3）調(diào)速范圍要求要比較寬。無論是對注射單元還是鎖模單元，在工作過程中，執(zhí)行機構(gòu)需要在較大的速度范圍內(nèi)進行工作。例如為了模具安全保護，鎖模機構(gòu)在驅(qū)動動模板進行合模動作的過程中，需要從移模階段的高速運動切換到即將鎖模狀態(tài)下的低速低壓運動。因此，驅(qū)動鎖模機構(gòu)運動的伺服驅(qū)動器必須能夠提供最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速非常大的調(diào)速范圍。

（4）輸出轉(zhuǎn)矩大。由于在注塑成型工藝過程中需要為執(zhí)行機構(gòu)提供大的輸出扭矩，例如螺桿的射膠推力、保壓壓力、背壓壓力、鎖模力等，即輸出都需要伺服電機提供較大的轉(zhuǎn)矩輸出。

3 伺服驅(qū)動注塑機矢量變頻控制原理

永磁同步電機控制的基本思路，就是利用電動機外部的控制系統(tǒng)，即通過外部條件對定子磁動勢相對勵磁磁動勢的空間角度（也就是定子電流空間矢量的相位）和定子電流幅值的控制，實現(xiàn)定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量間的解耦，達到對交流電機的磁鏈和電流分別控制的目的，從而將永磁同步電機模擬為他勵直流電動機。因而我們將通過控制定子電流矢量的幅值和相角來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的方式稱為矢量變頻控制技術(shù)。

通常在一定的假設(shè)的基礎(chǔ)上可以建立永磁同步電機的數(shù)學模型，而空間矢量模型（SPM: Space Vector Model)分析方式使得永磁同步電機的數(shù)學模型得到了大大的簡化，尤其是在dq坐標系下數(shù)學模型，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制。永磁同步電機的定子是由三相繞組和鐵心構(gòu)成，三相繞組常常以Y型連接。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，用永磁體取代電勵磁。需要安裝永磁體位置檢測傳感器，用來檢測磁極位置，以此實時地對電樞電流進行控制。三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中dq坐標系是固定于轉(zhuǎn)子上的參考坐標系，取磁極軸線為d軸，順著軸沿著旋轉(zhuǎn)方向超前90°電角度為q軸。

圖1 三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)模型

圖2為電流空間矢量圖。is為定子電流空間矢量，β為is在dq坐標系中的空間相角，其大小決定了定子is在dq軸上的兩個分量id和iq。如果已經(jīng)知道了id和iq，那么不僅確定了β，同時也確定了定子電流空間矢量is的幅值。矢量控制的實質(zhì)就是通過對兩個電流分量的控制來控制定子電流的相角和幅值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨立控制，使交流電機的控制性能達到直流電機的水平。

圖2 電流空間矢量圖

在dq坐標系下，三相永磁同步電機（PMSM）的數(shù)學模型為：

其中：ω為機械角加速度，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，TL為負載轉(zhuǎn)矩，Rs為定子電阻，J為電機轉(zhuǎn)動慣量，Pm為電機極對數(shù)，B為阻尼系數(shù)。

dq坐標系中，轉(zhuǎn)子電角速度ωe（即旋轉(zhuǎn)角頻率）和電機轉(zhuǎn)子機械角頻率ω的關(guān)系為：ω=Pmω。

伺服電機從零到額定轉(zhuǎn)速的角加速時間：

其中：tω為角加速時間，n為電機額定轉(zhuǎn)速。

本文采用的伺服電機矢量控制方法為磁場定向控制，其基本過程為：將d軸定向在轉(zhuǎn)子上，控制直軸電流id=0，實現(xiàn)dq軸解耦，此時定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，定子電流與轉(zhuǎn)子永磁磁通互相獨立。圖3為永磁同步電機矢量控制調(diào)速原理圖，從圖中可知，轉(zhuǎn)子位置和速度信號可以通過實際的位置傳感器獲取，這樣就構(gòu)成了有位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)，也可以不通過實際的位置傳感器，而是使用一些估算的方法得到轉(zhuǎn)子的位置和速度，這樣就構(gòu)成了無位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)。在高精度的伺服系統(tǒng)中，為了保證控制的精度，一般都使用位置傳感器，實際設(shè)計的系統(tǒng)也是有位置傳感器的控制系統(tǒng)。

弱磁控制原理在注塑機上的應(yīng)用

圖4揭示了永磁同步伺服電機的負載特性：以額定轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)換點，額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩型負載特性，額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率型負載特性。

圖3 永磁同步電機矢量控制調(diào)速原理圖

圖4 伺服電機的負載特性

在全電動注塑成型或液電復合成型機器設(shè)計中，由于成本、性能的相互矛盾約束，在進行鎖模、注射等關(guān)鍵運動控制時，由于傳動結(jié)構(gòu)和伺服驅(qū)動的限制，為了獲得更高轉(zhuǎn)速而超速，以達到機構(gòu)要求的運動速度。但一旦進入超速控制，伺服電機的負載特性將從恒轉(zhuǎn)矩控制模式改變?yōu)楹愎β士刂颇Ｊ健Ｍ瑫r在超速過程中由于伺服電機弱磁，為了滿足注射壓力的要求伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須要有超載能力。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)超速后進入弱磁控制。在弱磁之前，即恒磁通情況，轉(zhuǎn)矩是正比于電流的。超速后變成了弱磁狀態(tài)，磁通不斷變化，此時轉(zhuǎn)矩正比于電流，并反比于磁通，且轉(zhuǎn)矩降低。此時為了滿足注塑工藝達到負載工作壓力，實質(zhì)上同時進行了速度閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)情況下，當電機弱磁時，為保證轉(zhuǎn)矩不降低，輸出電流要相應(yīng)的增加以彌補磁通減小的損失。此時電機會處于過載狀態(tài)，輸出功率也就相應(yīng)的增大了。

因而在實際進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計時，必須要明確矢量變頻、弱磁控制的基本控制原理，在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合塑料成型工藝的要求，對伺服電機和驅(qū)動器進行有根據(jù)的設(shè)計匹配。同時也要高度注意伺服電機轉(zhuǎn)動慣量、同步輪系轉(zhuǎn)動慣量、滾珠絲杠等轉(zhuǎn)動體對總轉(zhuǎn)動慣量的影響。弱磁后伺服驅(qū)動器一定能夠承受超載峰值電流，伺服電機的溫升要在同時控制在合理區(qū)間。