海日公司注塑机伺服节能控制技术

一、概述

近年来，随着海天J5节能注塑机在市场上大力推广，节能机的概念从变频器应用、变量泵技术逐渐演变成伺服驱动技术。伺服机已成为新一代节能机的代名词。

目前市场上已出现多种伺服控制方案，也已有部分已进入应用阶段，主要集中在小型机器，目前行业内基本还没有完整的全系列伺服控制方案，原因是注塑机伺服节能控制技术涉及到注塑机电脑控制器、伺服驱动器、同步电机、精密油泵、注塑机工艺等多种技术，各厂商各自为政，各做各的，没有联合就不可能出现完整的系列产品。尤其在中大型注塑机上，电脑控制器软件必须与伺服驱动系统匹配才能达到使用要求。

下面从伺服节能技术的基本原理开始，介绍海日公司采用的一种目前最先进的全数字全系列注塑机伺服节能EHS控制系统。

系统结构

目前市场上多数方案的原型都是日本大金公司的IPMP系统，这个系统由压力传感器、精密油泵、同步电机和伺服驱动器构成，其工作原理是模拟传统比例阀的工作模式，利用塑机电脑控制系统提供的压力流量控制信号（2路标准0—10V的模拟信号），一路作为系统压力限制，另一路作为驱动器速度控制信号，伺服驱动器或外置控制卡通过PID算法在实际反馈压力达到输入压力信号时通过调节电机的转速达到平衡油压的目的。在实际反馈压力低于压力限制信号时，通过伺服驱动器内部算法，控制同步电机按照给定的速度信号进行工作。

节能原理

定量泵：马达开启后，普通电机会以恒定转速持续工作，机器不工作时，PQ阀不工作，油泵打出的油直接回流到油箱，电机一直有恒定的低负载功耗，在不同的机器动作时，根据负载变化消耗不同的电能。不同的调节方式可以达到同样的目的，但会产生不同的能耗。 

变量泵是在机器工作时，通过降低负载来达到节能目的。 

电液伺服机在马达开启后，机器不工作，同步电机不动作，几乎没有耗能，在机器工作时，按照机器工作所需油量通过控制同步电机的转速使油泵输出合适的油量。

大家知道，电功率=电流*电压。在伺服系统中，同步电机获得的电流决定了电机的扭矩，电压（频率）决定了电机的速度，任何一项的减少都能使功率下降。

从技术原理上讲，电液伺服机的节能性能在目前阶段和全电动一起是最佳方案，而且也已在实际应用中得到了验证。当然纯粹从节能角度，不同的工艺状况会对节能率产生非常大的影响，在成型周期很短，储料时间占周期时间较长，储料压力和速度均较高的时候节能率会大幅下降。  

二、几个部件对电液伺服系统进行简单分析：油泵/电机/驱动器

1.油泵

1.1 油泵的比较

1.2 油泵的选择

在各项主要技术指标中，高的容积效率意味着较小的损耗，不过现在市场上使用的油泵的容积效率都已达到90%以上，相对差距已经不是特别明显。过高的容积效率会大幅提高油品要求，噪音很大，卸压也会比较慢。
低速性能是另一项重要指标，齿轮泵在＜100转时，它的输出有不确定性，因而其低速性能相对会较差。在某些需要低速射出的场合，无法保证产品稳定性。
油压脉动是对压力精度至关重要，在电液伺服机系统中，由于控制的基础是以油泵出油口油压传感器的检测数据为基础作PID计算，出油口的油压波动会影响系统控制精度，同时由于油温的变化会导致同一动作、同样的压力需要不同的电机速度补充泄漏，从而出现不同的脉动频率，进而影响控制精度。油压脉动同时也会导致驱动器输出转矩的波动。在大电流输出时，输出转矩的波动会对驱动器功率模块产生冲击，严重时会影响驱动器的使用寿命。
油泵的使用寿命更是产品成功的基础。

1.3 油泵噪音图

1.4 油泵脉动图

2.电机

电机方面：永磁同步电机与传统的异步电机有很大的区别。永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数，电机效率可比异步电机高5%以上。但同时同步电机的结构和技术相对复杂很多。在我们的系统中最关心的是电机的长期稳定性，其中重要考虑的一项是电机退磁问题。永磁同步电机一旦退磁，就会出现力矩不足，驱动电流就会大幅上升，导致系统崩溃。
电机和油泵的连接：与普通电机油泵的单向运动不同，新的模式需要电机油泵不停快速地停止、启动、稳态时的正反转等往复运动，对电机和油泵的连接要求非常高。保守计算小型机一年连接器往复运动>1000万次，市场上最好的连轴器设计寿命<1000万次，因此普通的平键加连轴器的模式很难支撑住如此严酷的使用要求。我们认为使用渐开式花键直连模式可能会更好一些。

3.驱动器

驱动器的最主要要求是响应快，稳定性好，服务能力强，价格合理。同时必须有在这个行业生存的能力。否则会对整机厂造成无法估量的损失。

3.1 伺服驱动器与变频器的区别

相对普通变频器而言，伺服驱动器拥有无可匹敌的优势：

3.2 伺服驱动器应用

结合伺服驱动器与永磁同步电机响应快速、控制精密的特点，在精确PID压力控制的基础上，形成了伺服节能注塑机的心脏部分，为实现注塑机快速、精密、节能的目标提供了强大的动力。
同时，伺服驱动技术的不断完善和永磁同步电机稳定性的提高，为伺服节能注塑机批量投产奠定了基础。

3.3 汇川（inovance）IS300伺服驱动器

  1、高性能的伺服驱动器，保证了注塑机动作的响应准确、快速和一致性。

  2、专为注塑机应用进行的整体结构设计，耐震动、耐油污、耐高温。

  3、欧式端子结构，接线方便灵活，专门设计的端子构造和注塑机应用相当。

  4、简易的调试过程与控制稳定性，保证了注塑机产品的量产和质量一致性。

  5、完善的报警保护、 电机过热保护、通讯故障等，让注塑机控制随心所欲。

三、各种方案的分析对比

1.各种系统示意图

驱动器算法
A：驱动器算法

B：控制卡算法

C：EHS（海日公司伺服控制系统的控制系统）

2.模拟接口和数字接口对比

A.模拟接口

例：压力传感器标准为250MPa，电脑标准输出为0-10V，系统压力为160Mpa，电脑压力输出必须调为（160/250）×10=6.4V。由于模拟线路的基本特性，调节精度和零位误差无法保证。低速运动时，1%的电压为0.064v，驱动器是一个强干扰源，干扰产生的纹波也可能>0.064v,因此，低速性能无法保证。在机器停止运行的时候，由于有微小电压或干扰纹波，电机会有往复运动，加大连接器的负担。

由于不同电脑的运行速度不同，电脑DA输出斜率输出图如下：

锯齿跳跃取决于电脑DA精度和电脑的周期时间

驱动器强大的跟随能力会导致机器运行的不平稳或爬行。
     从以上的系统结构可以看出，A、B二种结构的系统，由于采用模拟接口，驱动器或中间控制卡会产生AD采样的二次或三次误差及传输延迟，AD和DA本身也都有精度问题，因此模拟接口连接方式的精度和一致性相对较差,尤其其低速稳定性无法保证。如果电脑压力流量部分一旦出现故障也会导致驱动器的误动作。  

B. 数字接口

EHS系统通过CAN通讯实现电脑和驱动器的纯数字数据交换，中间过度误差为0，精度可通过通讯协议自行定义，因而能完全保证数据的一致性和传输精度。压力传感器信号采用数据设定模式且线性可调，调试非常方便。电脑出现故障时，通讯故障保护系统自动保护不会产生误动作。

海日公司伺服控制系统的通讯测试画面：

3、控制算法层次

由于油路特性不同，顶针、注射、开关模等动作采用同样的PID参数无法保证系统的精度和平稳性。A、B二种结构的系统由于无法知道当前机械动作特性，只能使用1-2级PID的折中算法来实现。EHS系统的PID算法由电脑系统实现，针对不同机械运动可独立设置相应的PID参数，因此能对机器实现更精确和平稳控制。

海日公司伺服控制系统的参数设定画面一

海日公司伺服控制系统的参数设定画面二

4.状态显示参数设定

   A、B结构的系统的驱动器参数必须在驱动器面板上分别设定，各种运行状态也只能在驱动器面板上进行手动切换显示。EHS系统可在电脑中设定、调试驱动器所需各类参数。同时实时显示驱动器的状态，电流及故障等信息，也能显示电机的实时转速，生产及维护的便利性大大提高。

海日公司伺服控制系统的伺服画面:

5.射出工艺

EHS系统由于压力传感器安装在电脑上，因而可通过使用压力转保压方式实现闭环射出，并有射出压力实时曲线显示。在提高注射精度的同时，也便于分析产品的工艺缺陷原因。

A、B结构的系统则难以实现。

海日公司伺服控制系统的射出曲线画面:

6.控制软件

A、B结构的系统使用标准的塑机电脑控制程序，完全模拟PQ系统的工作方式，由于响应速度的提高，配合上难以达到伺服系统要求。海日公司所采用的伺服EHS控制系统按照电液射出机的工作原理，增加了一些工艺控制和过渡控制的模式，使产品应用范围更广，机器更平稳,使用更方便。同时也增加了电机温度保护,提高使用安全性.

综合比较：

海日公司伺服控制系统的主画面:

海日公司伺服控制系统的电脑示波器画面:

海日公司伺服控制系统的电机、油泵照片:

四、多驱动器同步控制技术

中大型机是伺服节能系统最具价值的应用场合，也是目前市场上比较关注的问题。有了前面的基础，下面介绍一种我们独特的最先进的多驱动器同步控制技术。

系统框图

系统概要

在这个系统中，我们使用最多7组标准的伺服驱动器、伺服电机、油泵组合成一个大型系统，通过CAN总线把电脑和多个伺服驱动器进行连接，只要将每个伺服驱动器设置独立的ID号，电脑就可以按照不同动作对油量的要求,控制不同的驱动器动作，从而输出相应的油量,把系统的浪费减到最少,使系统达到最大的效率。 
系统的设置画面类似传统大机的多泵组合画面，非常简单。 每个动作都可以独立设置所需要的油泵，工作时速度不会出现阶越，完全实现线性输出。在慢速工作环境中，完全可以按照需要关闭多余的驱动器，达到更加节能的目的。

海日公司伺服控制系统多泵组合图:

应用举例

案例一:
    机型: HRF268T 伺服机   产品:手机壳 1出4  成品率:>99.5%
    对比机型: HRF268T闭环变量泵              成品率:>80%
    伺服机工艺: 4段射出, 时间:0.3s, 射速:240mm/s
案例二:
    机型: HRF600T               产品:CPVC管件
    伺服机工艺: 3段射出, 速度分别为2%, 5%, 10%  时间:65S
    储料时间:80S  速度 15%   冷却:55S     油温:30度
    节能:>70%  成品率:100%     常规机: <50%   油温:>70 度

五．系统配置

海日公司伺服控制系统使用的油泵是意大利原装进口螺杆泵，某种程度上，油泵的好坏会决定这个系统的成败，在90年代欧洲的电液伺服系统就被称为二年机，原因是油泵使用二年后几乎都坏了。
海日公司伺服控制系统使用的的伺服电机采用中意合资生产的菲仕电机，伺服电机的主要问题是连接装置的可靠性，另外一个问题是长期使用时是否会出现退磁问题，一旦电机出现退磁，扭矩会大幅下降，从而出现能耗增大，严重时会烧坏驱动器或导致驱动器频繁保护。 
海日公司伺服控制系统的伺服驱动器采用的是汇川驱动器。

 

宁波海日塑料机械制造有限公司

技术部

在此感谢宁波伊士通电子有限公司和深圳汇川技术股份有限公司的大力支持与合作！