關(guān)鍵字：注塑機(jī) 壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂?解耦PQ控制
1.引言
對于塑料制品行業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，而注塑機(jī)是塑料制品廠的主要能耗設(shè)備之一，因此降低注塑機(jī)的能耗、提高生產(chǎn)效率成為注塑行業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品競爭力的有效途徑。
經(jīng)過測試，一般單臺傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)能耗和所占比例分別是：
--油壓系統(tǒng)的耗能：75-80%
--加熱單元的耗能：10-15%
--冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%
--控制組件的耗能：1-5%
其中最大能耗部分：油壓系統(tǒng)用電量占注塑機(jī)的75%以上。
目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都屬于液壓傳動(dòng)注塑機(jī)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。在注塑周期的過程中，鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對于油泵馬達(dá)都是處在于負(fù)載變動(dòng)的狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大，傳統(tǒng)注塑機(jī)采用定量泵，不能調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和功率，因此多余的能量只能在擋板、油路泄露、油的溫升中消耗掉，當(dāng)系統(tǒng)需求超過設(shè)定的流量及壓力,會由溢流閥或比例閥來調(diào)整壓力流量,這個(gè)過程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達(dá)40%-75%。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，電機(jī)噪音過大，以及機(jī)械壽命縮短等現(xiàn)象。并且通常在設(shè)計(jì)中，用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費(fèi)。
因此英威騰MH500電液伺服系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用，主要針對的就是塑機(jī)油壓系統(tǒng)，對于減少能源浪費(fèi)提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
2.設(shè)備系統(tǒng)介紹
2.1英威騰注塑機(jī)用電液伺服系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)成
英威騰電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由專用伺服驅(qū)動(dòng)器、三相交流永磁同步電機(jī)、伺服液壓油泵壓力傳感器等幾部分組成。利用先進(jìn)的DSP和永磁交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的壓力、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)等自動(dòng)控制功能。
專用伺服驅(qū)動(dòng)器：從成熟、穩(wěn)定、可靠的混合動(dòng)力汽車電機(jī)伺服控制器衍生而來，是專為注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)開發(fā)的專用驅(qū)動(dòng)器。內(nèi)含工藝環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，借助高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）和低成本單片機(jī)（ARM）實(shí)現(xiàn)了高性能矢量控制、無位置傳感器力矩控制、精確位置和速度控制、非線性弱磁高速控制、位置校正空間矢量低速控制。通過嚴(yán)格的電磁兼容、高低溫、潮濕、震動(dòng)試驗(yàn)，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，已通過CE認(rèn)證。
三相交流永磁同步電機(jī)：轉(zhuǎn)子磁鋼由高溫強(qiáng)磁釹鐵錋材料構(gòu)成，采用表貼式固定方式，調(diào)速范圍更寬，高速運(yùn)行更加可靠。由于采用細(xì)長型結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，同時(shí)電機(jī)的運(yùn)行噪聲更低。
伺服液壓泵：選用住友伺服液壓內(nèi)嚙合齒輪泵。
速度（流量）反饋器件：采用結(jié)構(gòu)牢固，耐高溫、抗震動(dòng)、抗干擾的能力很強(qiáng)的機(jī)械型旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋部件，英威騰開發(fā)了與旋轉(zhuǎn)變壓器相配合的專用信號處理芯片，速度反饋精度達(dá)到每轉(zhuǎn)4096個(gè)脈沖，足以滿足注塑機(jī)的控制精度需要。
壓力反饋器件：采用進(jìn)口的瑞士Trafag壓力傳感器
2.2英威騰注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)組成示意圖
如圖所示，英威騰kinway注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)控制器、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器、永磁同步電機(jī)、與伺服電機(jī)同軸連接的油泵，以及檢測系統(tǒng)油壓的壓力傳感器等關(guān)鍵部件組成。
3.負(fù)載運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
上圖中，前半張圖為定量泵，變量泵，伺服三種系統(tǒng)在整個(gè)塑機(jī)工況中的功率消耗情況，后半張圖深藍(lán)色顯示區(qū)域?yàn)槎勘孟到y(tǒng)與伺服電液系統(tǒng)在同等工況下的能耗差。其中兩塊較大面積的區(qū)域?yàn)槭钦麄€(gè)工況中的保壓和冷卻部分，可以看出實(shí)際節(jié)電效果取決于保壓和冷卻時(shí)間占整個(gè)周期的比例。
節(jié)電率不僅和機(jī)器有關(guān)，更重要的取決于成型工藝。輕率的承偌50%以上節(jié)電率是不負(fù)責(zé)任的做法。已有案例的節(jié)電率從20%-70%不等，在非快速成型工藝下一般節(jié)能率在40%以上。
4.控制要求
將模擬量信號直接加在伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)壓力給定信號和系統(tǒng)流量給定信號的輸入端；將油泵出口的壓力傳感器接入伺服的壓力反饋信號端口。伺服系統(tǒng)通過接入的壓力和流量信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，改變伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而改變油泵電機(jī)的輸出流量Q和壓力P，并通過電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器和油路中的壓力傳感器，反饋實(shí)際情況形成高精度的雙閉環(huán)控制，以滿足注塑機(jī)在各個(gè)工序中所需的油壓大小和流量速度，這樣就能避免能量浪費(fèi)。
5.電氣連接
5.1完成主電路端子接線
1)將輸入動(dòng)力電纜分別接到驅(qū)動(dòng)器電源輸入端子L1、 L2、 L3上，將輸入動(dòng)力電纜的接地導(dǎo)體與驅(qū)動(dòng)器的任一顆接地螺絲(PE)連接，并將螺絲旋至適當(dāng)松緊度以保證連接通暢。
2)將電機(jī)三相輸入端子的W V U分別與驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)連接端子W V U連接，并將螺絲旋至適當(dāng)松緊度以保證連接通暢。將電機(jī)地線端子與驅(qū)動(dòng)器的任一顆接地螺絲(PE)連接。將電機(jī)測溫電阻端子與驅(qū)動(dòng)器端子 T1、T2連接，并將螺絲旋至適當(dāng)松緊度以保證連接通暢。將電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器連接端子與驅(qū)動(dòng)器連接器CN2連接，并旋緊固定螺絲。
3)將制動(dòng)電阻兩個(gè)接線端子與驅(qū)動(dòng)器端子U+， PB連接，并將螺絲旋至適當(dāng)松緊度以保證連接通暢。
5.2參看控制器蓋板后的連線圖，完成控制部分的連線
5.3 完成電機(jī)及油泵在注塑機(jī)上的安裝，確認(rèn)油路的連接和電機(jī)接線正確。
6.保護(hù)功能
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代碼 |
保護(hù)內(nèi)容 |
含義 |
代碼 |
保護(hù)內(nèi)容 |
含義 |
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Err01 |
IPM故障 |
功率模塊瞬時(shí)通過短路電流 |
Err02 |
過載 |
輸出電流超過驅(qū)動(dòng)器允許的工作電流 |
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Err03 |
直流過壓 |
主電路DC 電壓異常高 |
Err04 |
直流欠壓 |
電機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，主電路DC 電壓下降到保護(hù)值下 |
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Err05 |
正向過速 |
伺服電機(jī)的正向轉(zhuǎn)速異常高 |
Err06 |
模塊過溫 |
伺服驅(qū)動(dòng)器的散熱片過熱 |
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Err07 |
電機(jī)過溫 |
伺服電機(jī)繞組過熱 |
Err08 |
軟件故障 |
伺服驅(qū)動(dòng)器軟件運(yùn)行異常 |
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Err09 |
CAN故障 |
調(diào)試中用，用戶程序沒有此報(bào)警 |
Err10 |
環(huán)境過溫 |
驅(qū)動(dòng)器內(nèi)空氣溫度過熱 |
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Err11 |
自檢故障 |
驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部硬件異常 |
Err12 |
任務(wù)重入 |
軟件程序調(diào)用出錯(cuò) |
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Err13 |
油壓過壓 |
油壓系統(tǒng)壓力超出允許值 |
Err14 |
反向過速 |
工藝控制模式時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)過速 |
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Err15 |
壓力傳感器故障 |
壓力傳感器接線錯(cuò)或本身損壞 |
Err16 |
制動(dòng)電阻損壞 |
制動(dòng)電阻未接或損壞 |
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Err17 |
交流過壓 |
輸入交流電壓過高 |
Err18 |
EEPROM 故障 |
伺服單元EEPROM 數(shù)據(jù)異常 |
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Err19 |
使能欠壓 |
電機(jī)開始通電時(shí)，主電路DC電壓過低 |
Err20 |
交流欠壓 |
輸入交流電壓過低 |
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Err21 |
制動(dòng)過載 |
制動(dòng)電阻過載發(fā)熱，引起溫度過高 |
Err22 |
節(jié)點(diǎn)故障 |
主從系統(tǒng)間CAN通訊異常 |
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Err23 |
整流單元故障 |
交流電壓與直流電壓檢測值不匹配 |
Err24 |
上電超時(shí) |
上電繼電器吸合超時(shí) |
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Err25 |
485通訊故障 |
工藝指令模式為485連續(xù)時(shí)，485通訊異常驅(qū)動(dòng)器報(bào)此故障 |
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7.調(diào)試要點(diǎn)
HMI連接：MH500系列電液伺服系統(tǒng)支持HMI上電時(shí)的熱插拔。調(diào)試時(shí)將HMI的DSUB9端子插入驅(qū)動(dòng)器前蓋板內(nèi)的CN4端子內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)HMI與驅(qū)動(dòng)器的連接。如下圖所示：
調(diào)試流程圖：
依步序經(jīng)行設(shè)置后就能使系統(tǒng)運(yùn)行。
8.注意事項(xiàng)
為了保證完好的性能和長期工作壽命，請將MH500伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在以下建議環(huán)境中，確保驅(qū)動(dòng)器免遭損壞。
●應(yīng)避免陽光直射，不要直接戶外使用。
●不可在腐蝕性氣體及液體環(huán)境中使用。
●不可在油霧、濺水環(huán)境中使用。
●不可在鹽霧環(huán)境中使用。
●不可在淋雨、潮濕環(huán)境中使用。
●空氣中飄有金屬粉末或絲紡纖維飄絮時(shí)須加過濾裝置。
●不可在機(jī)械沖擊、振動(dòng)場合下使用。
●當(dāng)環(huán)境溫度高于55℃時(shí)，必須采取降溫措施方可使用。
●過冷和過熱會使設(shè)備故障。建議在－20℃～+55℃范圍使用。
●遠(yuǎn)離電源噪聲，例如電焊機(jī)、大功率用電設(shè)備會影響本設(shè)備的使用。
●放射性材料會影響設(shè)備的使用。
●易燃物品、稀釋劑、溶劑應(yīng)遠(yuǎn)離本設(shè)備。
9.產(chǎn)品特點(diǎn)介紹
9.1 產(chǎn)品性能優(yōu)勢
●英威騰伺服驅(qū)動(dòng)器為塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)器，過載系數(shù)達(dá)2.5~3倍；比起市場上用變頻器改造而來的所謂的伺服（矢量變頻器）1.5倍的過載系數(shù)，英威騰產(chǎn)品有著專業(yè)伺服得天獨(dú)厚的優(yōu)勢；
●節(jié)省能耗：與傳統(tǒng)定量泵相比伺服系統(tǒng)節(jié)能50%-70%，個(gè)案高達(dá)80%；與變量泵相比伺服電機(jī)節(jié)能最低承諾25%；
●增加單位時(shí)間的產(chǎn)品合格數(shù)量5%以上；
●流量響應(yīng)時(shí)間50MS，壓力響應(yīng)時(shí)間100MS
●制品重量重復(fù)誤差 <0.3%
●螺桿射膠終止位置誤差<0.1mm
●節(jié)省了傳統(tǒng)技術(shù)高壓節(jié)流浪費(fèi)的能量；
●節(jié)省了液壓冷卻系統(tǒng)的消耗
9.2 按汽車產(chǎn)品的管控流程控制產(chǎn)品質(zhì)量
●全面的高低溫工況的試驗(yàn)
●嚴(yán)格的震動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)
●ISO90001/TS16949的供應(yīng)鏈管理流程，和生產(chǎn)過程控制
●對電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行嚴(yán)格的出廠老化測試，消除電子元器件的早期失效
●英威騰伺服產(chǎn)品通過滿足歐洲電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)CE認(rèn)證
●驅(qū)動(dòng)器兩年的質(zhì)量保證期，讓客戶無憂收回投資成本（節(jié)能/高效）
9.3先進(jìn)的電機(jī)控制算法和注塑應(yīng)用控制策略
●現(xiàn)代電機(jī)正弦矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的完美力矩控制：
●電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；響應(yīng)速度更快；噪音更低；
●整個(gè)系統(tǒng)的效率更高（系統(tǒng)效率大于90%）；
●自適應(yīng)/非線性控制 ，滿足不同注塑機(jī)型的流量和壓力需求，減少流量和壓力的超調(diào)，同時(shí)消除射膠“跳動(dòng)”；
●解耦PQ控制，增加注塑機(jī)的響應(yīng)速度，平滑流量和壓力控制的相互轉(zhuǎn)換（需要上位機(jī)配合）；
●根據(jù)注塑成型工藝的需求，實(shí)現(xiàn)勻速/變速射膠控制，并平滑從流量控制過渡到保壓控制。
9.4帶壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂?/strong>
●流量、壓力雙閉環(huán)控制，保證了注塑過程對壓力和流量的要求；
●可以補(bǔ)償高壓力時(shí)泵泄露產(chǎn)生的流量誤差，流量控制更精確；
●配不同的泵實(shí)現(xiàn)不同的壓力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)精確的流量控制。
9.5 成熟的舊機(jī)改造方案（單泵/多泵）
●從2008年即開始進(jìn)入舊機(jī)改造行業(yè)，對海天等品牌的注塑機(jī)改造有非常成熟的方案；
●電機(jī)與油泵的連接采用高精度聯(lián)軸器連接型式，一來便于維護(hù)，二來伺服電機(jī)和油泵在運(yùn)行中頻繁啟停，二者的嵌入式連接會增加連接軸卡死的風(fēng)險(xiǎn)，采用聯(lián)軸器可以規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)；
●全程監(jiān)控電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的溫度變化，實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)。
●針對大型合流機(jī)，配合油路實(shí)現(xiàn)最小反轉(zhuǎn)量的泄壓控制，以延長油泵和電機(jī)的壽命。
●對多家知名廠商（終端用戶）進(jìn)行了300T~3300T中大型注塑機(jī)的改造施工，獲得一致好評。
10.總結(jié)
根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約200億元，而國內(nèi)市場需求近220億元，注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴(kuò)散，也帶動(dòng)塑料工業(yè)等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，隨著國家節(jié)能減排政策的深入，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，都在考慮怎樣節(jié)能以響應(yīng)國家號召和減少生產(chǎn)成本。從注塑機(jī)工藝過程可知，電能消耗成本在注塑成型產(chǎn)品成本中占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)效果顯著的節(jié)能改造已經(jīng)成為注塑行業(yè)提升的首要課題。而英威騰電液伺服系統(tǒng)在塑機(jī)行業(yè)的應(yīng)用從根本上滿足了這些需求，領(lǐng)先的技術(shù)及在塑機(jī)市場日益成熟的應(yīng)用已得到了諸多制造商和用戶的肯定，未來電液伺服的使用勢必成為塑機(jī)市場的主流。
