電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是近年來(lái)zui受關(guān)注的驅(qū)動(dòng)技術(shù)之一。本文以上海御能動(dòng)力科技有限公司自主研發(fā)的注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)為例，分析介紹電液伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用效果。自動(dòng)控制系統(tǒng)中將輸出量以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量變化而變化的系統(tǒng)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)快是對(duì)它的基本要求。具體到注塑機(jī)，電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控制油泵的輸出流量和壓力快速、準(zhǔn)確地跟隨上位機(jī)給定信號(hào)的變化，適應(yīng)注塑工藝對(duì)壓力、速度、時(shí)間的要求。

    按所用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)分，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流伺服系統(tǒng)，後者又可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。直流電機(jī)的勵(lì)磁回路和電樞回路相互獨(dú)立，獨(dú)立地調(diào)節(jié)兩個(gè)磁場(chǎng)中的一個(gè)來(lái)進(jìn)行調(diào)速，控制性能優(yōu)異，但它采用機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損，運(yùn)行時(shí)易起火花。轉(zhuǎn)子采用永磁材料的同步伺服電機(jī)比非同步感應(yīng)交流伺服電機(jī)應(yīng)用更為廣泛，主要是因?yàn)橛来挪牧闲阅懿粩嗵岣撸瑑r(jià)格下降，相對(duì)於非同步電機(jī)而言，控制較簡(jiǎn)單，易達(dá)到高性能控制要求，因此，近年來(lái)永磁伺服電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展正是順應(yīng)了這一時(shí)代潮流。

    電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

    下面以御能注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)單介紹電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成。如圖1所示，御能注塑機(jī)/電液伺服系統(tǒng)主要由永磁同步伺服電機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)控制器、與伺服電機(jī)同軸連接的油泵，以及檢測(cè)系統(tǒng)油壓的壓力傳感器等關(guān)鍵部件組成。

    交流永磁同步電機(jī)

圖1御能注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

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    永磁同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高。和感應(yīng)非同步電動(dòng)機(jī)相比，它由於沒(méi)有轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子損耗很小；它不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，定子電流和定子損耗減小，因此，永磁電機(jī)總體效率比感應(yīng)電機(jī)高5%-10%。此外，永磁電機(jī)的zui大輸出力矩與轉(zhuǎn)子慣量的比值可比感應(yīng)電機(jī)大很多，因此永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)性能*，適於用作高精度、高動(dòng)態(tài)性能的伺服控制電機(jī)。 
 功率調(diào)速范圍不夠?qū)捠怯来烹姍C(jī)的一個(gè)局限。御能公司借鑒在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)系統(tǒng)方面的經(jīng)驗(yàn)，采用永磁-磁阻同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，有效地突破了這一局限，可*注塑機(jī)電液伺服應(yīng)用的要求。

    電機(jī)轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器

    為控制伺服電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速，需檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。大部分伺服電機(jī)采用光電編碼器作為位置/速度傳感器。光電編碼盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易獲得較高精度，但由於其處理電路須與電機(jī)集成在一起，在電機(jī)溫度高、震動(dòng)大的環(huán)境下，再加上電磁乾擾，其電子電路往往不能正常工作，出現(xiàn)丟碼，導(dǎo)致電機(jī)控制紊亂甚至損壞電機(jī)。

    御能伺服系統(tǒng)采用滿足電動(dòng)汽車(chē)要求的高性能旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度反饋部件，結(jié)構(gòu)牢固，耐高溫、抗震動(dòng)、抗乾擾能力強(qiáng)，確保系統(tǒng)在注塑機(jī)的“惡劣”環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作，且精度可達(dá)每轉(zhuǎn)4096個(gè)脈沖。

    伺服驅(qū)動(dòng)控制器

    伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)注塑機(jī)控制器（上位電腦）的壓力和流量的指令，控制伺服電機(jī)的電流、力矩和轉(zhuǎn)速。御能伺服驅(qū)動(dòng)器包含伺服控制、整流/逆變功率、通訊接口和反饋檢測(cè)等單元。整流/逆變功率單元采用*的集成IGBT模組；伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為驅(qū)動(dòng)器的控制核心，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，并輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)至逆變功率驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)改變逆變器輸出功率，達(dá)到控制三相永磁同步交流伺服電機(jī)的目的。

    油泵

    作為注塑機(jī)/主動(dòng)力源，油泵與伺服系統(tǒng)的良好匹配對(duì)其整機(jī)性能及節(jié)能效果至關(guān)重要。目前適用於伺服系統(tǒng)的油泵有齒輪泵、柱塞泵和螺桿泵，特性各有不同，因此伺服系統(tǒng)要能適配各種油泵，并優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。御能伺服系統(tǒng)具備*的負(fù)載參數(shù)辨識(shí)功能，可靈活優(yōu)化適配各種油泵。

    壓力反饋部件——壓力傳感器

    御能伺服系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制策略，即通過(guò)控制電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)注塑機(jī)油壓并使之跟隨壓力命令值。油壓信號(hào)通過(guò)壓力傳感器獲得，其精度將決定注塑機(jī)壓力的控制精度。御能可提供不同控制精度要求的壓力傳感器。

    磁場(chǎng)定向控制技術(shù)

    磁場(chǎng)定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步電機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，在磁場(chǎng)定向座標(biāo)上，將電流矢量分量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然後分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。交流電機(jī)的矢量控制使轉(zhuǎn)矩和磁通的控制實(shí)現(xiàn)了解耦，控制轉(zhuǎn)矩時(shí)不影響磁通的大小，控制磁通時(shí)不影響轉(zhuǎn)矩，使交流電機(jī)控制與直流電機(jī)控制一樣方便，且可獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的動(dòng)態(tài)特性。

    為了使電機(jī)始終維持zui大輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)需要獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置和轉(zhuǎn)速，通過(guò)將可測(cè)量的定子變量經(jīng)過(guò)座標(biāo)變換，變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，從而形成電流閉環(huán)，動(dòng)態(tài)地跟蹤電流的變化，再使用速度傳感器形成速度閉環(huán)，zui終實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)，獲得優(yōu)異的系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性及控制精度。這些復(fù)雜的運(yùn)算需借助高速數(shù)字信號(hào)處理晶片DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    磁場(chǎng)定向控制的另一個(gè)好處是，通過(guò)力矩電流分量和磁通電流分量的分別控制，*分配電機(jī)的銅損和鐵損，從而獲得*系統(tǒng)效率。

    電液伺服系統(tǒng)控制原理與算法

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圖2電液伺服控制系統(tǒng)方框圖

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    結(jié)合圖2及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)單描述如下：即時(shí)接收來(lái)自注塑機(jī)電腦主控板的流量和壓力給定信號(hào)；即時(shí)檢測(cè)并反饋來(lái)自於油泵的壓力和來(lái)自於電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

    針對(duì)給定與反饋之間的誤差，伺服驅(qū)動(dòng)器的高速DSP運(yùn)用各種控制算法，生成對(duì)伺服電機(jī)的控制信號(hào)，通過(guò)IGBT模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
 針對(duì)注塑機(jī)的特定應(yīng)用，御能公司開(kāi)發(fā)出一系列控制算法：

    A.將現(xiàn)代非線性控制方法引入電機(jī)磁場(chǎng)定向控制算法，以消除磁阻電機(jī)參數(shù)的非線性影響，且對(duì)電機(jī)與控制器進(jìn)行一體優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)永磁-磁阻伺服電機(jī)輸出力矩的控制。

    B.針對(duì)齒輪泵和柱塞泵壓力波動(dòng)的特性，采用噪聲消除（NoiseCancellation）控制方法減小油泵輸出壓力的波動(dòng)。

    C.由於系統(tǒng)在流量控制與壓力控制模態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換，采用模糊控制原理以實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制間的平滑轉(zhuǎn)換。

    D.采用帶壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂?，消除壓力?duì)流量估算精度的影響。

    E.采用滑模變結(jié)構(gòu)等非線性控制方法，使系統(tǒng)快速響應(yīng)并且超調(diào)小。

    F.采用弱磁控制算法，系統(tǒng)具有更好的高速特性、更寬的調(diào)速范圍。

    G.負(fù)載參數(shù)自適應(yīng)算法，使系統(tǒng)可以適配各種油泵。

    H.由於給定信號(hào)具有非線性特征，設(shè)計(jì)了給定校正算法，配合系統(tǒng)的優(yōu)異低速控制特性，有效解決了注塑機(jī)的低速爬行問(wèn)題。

    測(cè)試結(jié)果

    御能伺服電液系統(tǒng)目前在注塑機(jī)的應(yīng)用已收到節(jié)能、、精密的效果。

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圖3御能伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)效率Map圖

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   圖3為御能伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)效率Map圖（包括控制器和電機(jī)），zui率達(dá)91%以上，且區(qū)（大於85%的區(qū)域）很寬，可見(jiàn)，節(jié)能效果顯著。

    右圖為在一家東莞客戶(hù)工廠測(cè)試的制品重復(fù)精度圖。從圖中可以看出，制品重量重復(fù)誤差<3%。測(cè)試所用注塑機(jī)為190噸，系統(tǒng)壓力160bar，伺服電機(jī)采用KT-TM-1802-D-F，油泵為普什BK55，排量55.5cc/rev；伺服控制器：KT-CT-1802-A-0。
選型配置方法

    在已知注塑機(jī)/zui大需求流量、zui高系統(tǒng)壓力時(shí)，可用下面的方法在油泵/電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器系列中配型。

    *：根據(jù)需求的zui大流量，計(jì)算油泵理論需求排量。

    理論需求排量=zui大流量*1000/zui高轉(zhuǎn)速

    排量單位：毫升/轉(zhuǎn)，流量單位：升/分，轉(zhuǎn)速單位：轉(zhuǎn)/分，zui高轉(zhuǎn)速取電機(jī)和油泵的zui高轉(zhuǎn)速中的較小值。在油泵系列中選擇排量大於并zui接近理論需求排量的油泵。

    第二：由油泵排量和系統(tǒng)zui大工作壓力，計(jì)算電機(jī)理論需求力矩，選擇電機(jī)。

    理論需求力矩=（壓力*排量*9.55）/機(jī)械效率值*60

    力矩單位：牛米，壓力單位：兆帕，機(jī)械效率取值1。

    選擇電機(jī)中額定力矩與理論需求力矩/2相近的電機(jī)。

    第三：由zui大電流選擇伺服控制器

    

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    zui大電流=額定電流*zui大壓力/持續(xù)工作壓力

    電流單位：安培。選擇伺服控制器中峰值電流大於并zui接近需求zui大電流的控制器。

    上述配型方法遵循力矩兩倍超載的原則，一般力矩兩倍超載的運(yùn)行時(shí)間為20秒，三倍超載的運(yùn)行時(shí)間為5秒，按比例可以計(jì)算出30秒、20秒、10秒對(duì)應(yīng)的力矩超載倍數(shù)。 
 發(fā)展方向

    伺服電液混合系統(tǒng)：除了用一個(gè)伺服電機(jī)為注塑機(jī)/提供總動(dòng)力外，還可以靈活地用一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的液壓部件，或用數(shù)個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)組合驅(qū)動(dòng)。

    帶位置傳感器的伺服電液系統(tǒng)：通過(guò)螺桿行進(jìn)油缸處的位置傳感器，可更直接的對(duì)射膠過(guò)程進(jìn)行的速度和位置控制，試制品的合格率、質(zhì)量、精度有會(huì)進(jìn)一步提高。

    融合塑料成型工藝技術(shù)的伺服電液系統(tǒng)：與上位機(jī)配合將注塑成型工藝技術(shù)與液壓動(dòng)力系統(tǒng)相配合，可以期望將出現(xiàn)成型工藝技術(shù)與伺服控制技術(shù)融合起來(lái)的產(chǎn)品，以滿足客戶(hù)的需求。

    多泵合流伺服電液系統(tǒng)：通過(guò)CAN匯流排技術(shù)，將若乾伺服電液泵相連接形成多泵合流控制，實(shí)現(xiàn)大型注塑機(jī)液壓控制，優(yōu)化系統(tǒng)提率，增加系統(tǒng)的壽命等。