CN101913236B - 全电动注塑机开合模电机和顶出电机的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为全电动注塑机的开合模电机和顶出电机控制系统，一种全电动注塑机的开合模电机和顶出电机控制系统，包括相互连接的电脑控制器、PLC控制器、开合模顶出驱动器、开合模电机和顶出电机；本发明还分析了五支铰合模双曲肘合模机构对象的肘杆机构运动特性和动力学特性，提出了全电机驱动下的合模机构的模具保护实现方法，并从控制理论角度提出一种基于模糊自适应理论的合模机构控制方法和磁场定向控制算法，满足对合模力、速度、位置三方面的控制要求，保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及制品准确而平稳地从模内顶出，所设计的DSP驱动器保证了系统在高负载情况下的稳定可靠性，同时提高扰动的补偿性。

Description

全电动注塑机开合模电机和顶出电机的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电动注塑机领域，特别涉及一种电动注塑机开合模电机、顶出电机的控制系统及控制方法。

背景技术

在全电动注塑机注射过程中，合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及顶出制品的部件。在注射成型时，由于进入模腔中的熔料还具有一定的压力，目前很多注塑机的合模装置没有足够的合紧力，模具在熔料的压力下被打开，从而导致制品溢边或使制品精度下降。

另外，目前很多合模电机驱动系统仍不能满足模具启闭时的速度要求，既没有考虑缩短空载行程的时间，同时又没有考虑到模具启闭过程的缓冲要求，以致损坏模具和制件，导致机器的生产率低，使机器受到强烈振动和产生撞击噪音。

此外，很多模具不能满足安装和制品取出时空间位置的要求，致使合模装置不能满足对合模力、速度、位置三方面的控制要求，承载能力低，结构不紧凑，运动性能差，力的放大比相对较小，在注射过程中易产生涨模现象。

很多顶出装置不具有足够而均匀的顶出力和可控的顶出次数、顶出速度，也不具有足够可调的顶出行程，导致了制品不能准确而平稳地从模内制品顶出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全电动注塑机开合模电机和顶出电机的控制系统及控制方法，保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及制品准确而平稳地从模内顶出。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种全电动注塑机的开合模电机和顶出电机控制系统，与开合模电机和顶出电机连接，其特征是，包括电脑控制器、PLC控制器和开合模顶出驱动器；所述电脑控制器和PLC控制器分别通过CAN网络与开合模顶出驱动器信号连接，所述开合模顶出驱动器分别与开合模电机和顶出电机连接。

为了更好地实现本发明，所述开合模顶出驱动器由伺服控制器、IPM功率驱动板、电流传感器、码盘和开关电源组成；所述伺服控制器与外部电路信号连接；所述IPM功率驱动板连接伺服控制器和伺服电机；所述电流传感器连接IPM功率驱动板、伺服电机和伺服控制器；所述码盘连接伺服电机和伺服控制器；所述开关电源连接IPM功率模块、电流传感器、码盘和伺服控制器；所述伺服电机是指开合模电机和顶出电机。

所述开合模顶出驱动器中的伺服控制器是指数字信号处理芯片TMS320F2833X，其包括系统初始化程序模块、定时器下溢中断服务程序模块、正交编码器中断处理模块；所述芯片TMS320F2833X的一个输出端通过其自带的CAN总线通信模块、JTAG接口分别连接到注塑机电脑控制器和仿真器，另一输出端通过其自带的事件管理器EVA/B依次连接IPM功率驱动板和伺服电机，所述伺服电机通过电流传感器连接到芯片的模数转换模块ADC，所述伺服电机还通过码盘连接芯片的正交编码器单元QEP；所述伺服电机是指开合模电机和顶出电机。

上述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统的控制方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步，采用五支铰合模双曲肘合模机构和曲柄滑块顶出机构，根据双曲肘机构的开合模过程的移模速度特性和增力特性，确定合模装置和顶出装置选用的滚珠丝杠和开合模电机、顶出电机；

第二步，根据开合模电机、顶出电机的负载特性和工艺要求，对开合模电机和顶出电机进行控制并设置完善的模具保护措施，包括：

(1)合模过程中，首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，自动切换为低速合模，在确定模腔内无异物后，再次切换到高压将模具闭合；合模过程中，为防止模具物料溢出，需要施加较大的合模力，该过程开合模电机采用力矩控制；

(2)开模过程中，首先要保证注塑零件冷却模具型腔面脱离导柱的位置，然后动模板匀速移动快速开模，在接近动模板的起点位置时动模板慢速停止；

(3)通过调节顶出电机的转速来调整顶出速度，保证准确而平稳地将模内制品顶出。

为了更好地实现上述方法，所述第一步中的确定合模装置和顶出装置选用的滚珠丝杠和开合模电机、顶出电机是指：①根据五支铰合模双曲肘合模机构的平动工作状况，确定滚珠丝杠轴径、导程、丝杠长度、丝杠轴径和精度等级；②综合考虑所需的锁模力、移模速度、行程比、滚珠丝杠导程、皮带传动装置的传动比来选定开合模电机、顶出电机。

所述第二步第(1)中的确定模腔内无异物是指在接近定模板的位置设定一个检测区间，通过检测开合模电机负载电流的变化有否超限来确定有无障碍物。

所述第二步第(2)中保证注塑零件冷却模具型腔面脱离导柱的位置是指将所述位置设定为导柱与固定侧的模具接触时的位置。

所述第二步第(1)中的合模过程，包括：

①、从开模结束位置移动到合模变速位置，称为合模速度1段；

②、从合模变速位置移动到模具保护位置，称为合模速度为2段，该段是高速低压运动；

③、从模具保护位置移动到模具接触位置，称为合模速度3段，该段为模具保护区，如果电流传感器监测到该段合模出现电流比平常电流曲线增大，视为模具端面有残余塑料没有被取出，合模过程停止并且立即开模；

④、从模具保护区移动到模具合紧，施加最大压力锁模。

所述第二步开模和闭模过程的移模速度按下述方法得出：

I、动模板行程

依结构分析，动模板的移动行程S_m可以铰支座B点的位移量表征：

$S_m=L_{{\mathrm{AB}}_0}\cos {\mathrm{\γ}}_0-L_{{\mathrm{AB}}_1}\cos {\mathrm{\γ}}_1---\left(1\right)$

式(1)中

是在终锁位置铰A、B的中心连线。

$L_{{\mathrm{AB}}_O}=L_1+L_2---\left(2\right)$

$L_{{\mathrm{AB}}_1}=L_1\cos {\mathrm{\α}}_1+L_2\cos {\mathrm{\β}}_1---\left(3\right)$

肘长比λ＝L₁/L₂，根据正弦定律

由此可得 $S_m=L_1(1-\cos {\mathrm{\α}}_1+\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_1}}{\mathrm{\λ}})---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}_1={\cos }^{-1}[1-\frac{S_m(2L_1-S_m\mathrm{\λ})}{2L_1(L_1+\mathrm{\λ}{L}_1-\mathrm{\λ}{S}_m)}]---\left(5\right)$

II、活塞杆行程S_g和行程比K_S

活塞杆行程是沿用液压式合模装置的术语，在电机驱动的合模装置里，S_g表示十字头的行程，以十字头上铰E的移动量表征：

模板行程与十字头行程之比称为行程比K_S＝S_M/S_g    (9)

K_S反映了移模速度和十字头移动速度的比值，而且也反映了机台的能量消耗；

III、移模速度V_m和速度变化系数K_V

肘杆式合模机构的移模速度为可控制移模速度，若忽略摩擦损失，根据能量守恒定理，对合模机构输入的功率应等于输出的功率即

P_B·V_B＝P_M·V_M             (10)

所以模板移动速度可得

本发明的控制原理如下：

如图1、图2-1所示，双曲肘机构的开合模过程的移模速度特性为：

1、动模板行程S_m

式中是在终锁位置铰A、B的中心连线。

肘长比λ＝L₁/L₂，根据正弦定律

可得

其中：

由此可知肘杆机构的行程是S_m是随肘长比λ和α₁的增大而增加的。然而后连杆L₁的尺寸受后模板的外形尺寸制约，一般有L₁＜L_AA/2，L_AA为后模板两支铰的中心距。而α₁的大小则会影响到机构能否实现自锁。

2、活塞杆行程S_g和行程比K_S

在电机驱动的合模装置里，S_g表示十字头的行程，以十字头上铰E的移动量表征为：

其中：

模板行程与十字头行程之比称为行程比K_S＝S_M/S_g，K_S反映了移模速度和十字头移动速度的比值，而且也反映了机台的能量消耗。实践证明K_S在1～3之间，小型机取大值，大型机取小值，过大的K_S值会引起冲击现象。

3.移模速度V_m和速度变化系数K_V

肘杆式合模机构的移模速度一般指其平均移模速度。若忽略摩擦损失，根据能量守恒定理，对合模机构输入的功率应等于输出的功率即P_B·V_B＝P_M·V_M，所以模板移动速度为：

由上式可知肘杆机构在移模过程中平缓变速的特性。

双曲肘机构的开合模过程的增力特性为：

1、增力倍数M

设十字头推力P_O，合模力P_m，由上述运动分析可知，十字头的移动速度V_g＝V_E，动模板的移动速度V_m＝V_B，因为

故有根据虚位移原理P_Ods_g-P_mds_m＝0，则连杆机构的增力倍数

式中

2、机构的自锁和正常运动条件

由可知连杆机构的自锁条件是

连杆机构的正常运动条件是

3、肘杆机构在锁模过程的变形力

设ΔS为系统的总形变量，则有

ΔS＝ΔL_p+ΔL_k-f₁-f₂＝L_k-L_p＝L₁(cosα-cosα_L)+L₂(cosβ-cosβ_L)

式中：L_P，ΔL_P——拉杆长度和拉伸变形量；

L_K，ΔL_K——受压件总的自由长度和压缩变形量；

f₁，f₂——后模板和前模板的弯曲挠度；

αL，βL——锁模临界角；

根据虎克定律，合模机构的变形力为：

P_C＝C[L₁(cosα-cosα_L)+L₂(cosβ-cosβ_L)]，当模具合紧，连杆L₁和L₂撑成一条直线时，α＝0°，β＝0°，变形力达到最大值，即P_cm＝c[l₁(1-cosα_L)+l₂(1-cosβ_L)]，式中C为系统总刚度。

4、十字头推力P_O

根据工艺生产的要求，在模具合紧过程中，十字头推力P_O(相当于液压机型中的液压油缸推力)产生的合模力P_m应该大于等于机构变形力P_C

双曲肘机构具有力的放大特性，力的放大倍数M表示机构在合模过程中的移模力P_m与十字头推力P_O之间的关系。双曲肘五支铰式合模机构的力放大比在整个合模过程的变化曲线如图2-3a所示。变形力P_C与α角成二次抛物线规律变化，而移模力P_m则如图所示与α是双曲线关系。机构在克服变形阻力最终实现合模力的过程中，电机传动机构作用于十字头上的推动力经过双曲肘机构放大得到的移模力P_m，随机构的放大比改变而改变，如图2-3b所示，只有保证P_m大于合模过程的机构变形力P_C，才能顺利合模，如图2-3b的相切情况。实际上由于摩擦力和加工精度等原因，移模力通常要比P_m1高才能合模。因此P_m1就成为了我们电机选型中对电机额定力矩计算的关键参考依据。

模糊自适应位置控制在全电动注塑机中，快速的模板移动、频繁的开合模导致电动机在几秒间就需要进行一次正反转的切换，再加上螺杆式丝杠等机械传动会产生的累计误差，另外模具保护也需要在锁紧前1.5mm附近的狭小位置进行力矩和电流的检测，因此位置的控制显得重要。

5、电流环控制器的设计

电流环在系统中的作用主要是控制输出力矩，目的是实现快速的动态响应，并保证电流在突加负载时的过渡过程中没有超调或者超调越小越好。为此我们把电流环校正成I型系统，开环传递函数为

$w\left(s\right)=\frac{K}{s(\mathrm{Ts}+1)}---\left(13\right)$

电流环采用PI控制，框图如图8。

为了使控制器的零点对消电机控制对象相对较大的时间常数，令τ_i＝T_m则T＝T_s，所以

为使超调量低于5％，可取阻尼比ξ＝0.707，KT＝0.5，则K＝1/2T，根据式(13)得

代入数值即可求得K_i、τ_i，其中，电机参数为：额定转速N，额定转矩T，转子惯量J，绕组电阻R，机械时间常数T_m，电气时间常数T_s，电感L_q，转矩常数K_t；

6、速度环控制器的设计

电流环的传递函数为 $W\left(s\right)=\frac{1}{\frac{T}{K}{s}^2+\frac{s}{K}+1}---\left(14\right)$

考虑到转速环的截止频率一般较低，因此电流环传递函数可近似降阶为

$W\left(s\right)=\frac{1}{\frac{1}{K}s+1}=\frac{1}{2\mathrm{Ts}+1}---\left(15\right)$

在上述电流调节环节的基础上，速度环采用PI控制器的原理框图如图9：将速度环校正为典II型系统，使用PI速度控制器，开环传递函数为

$W_n\left(s\right)=\frac{K_n{K}_t({\mathrm{\τ}}_{n}s+1)}{{\mathrm{\τ}}_n{\mathrm{Js}}^2(2\mathrm{Ts}+1)}---\left(16\right)$

根据典型II型系统设计参考公式τ_n＝h·2T

$K_n=\frac{h+1}{2h}\×\frac{J}{2{\mathrm{TK}}_t}$

取h＝5，可求得τ_n、K_n

7、模糊自适应位置控制器的设计

位置环位于闭环控制系统的最外环，作用是保证动模板移动位置的静态精度。在全电动注塑机中，快速的的模板移动、频繁的开模合模导致电动机在几秒间就需要进行一次正反转的切换，再加上螺杆式丝杠等机械传动会产生的累计误差，另外模具保护也需要在锁紧前1.5mm附近的狭小位置进行力矩和电流的检测，因此位置的控制显得重要。

模糊自适应控制器的设计是根据模糊理论建立自适应机构，它并不要求对参考模型和被控对象建立精确的数学模型而只要根据系统的模糊信息，模拟一个有经验的控制工作人员，用模糊条件语句写出控制规则，就能实现其控制作用，另外，模糊算法比较简单，便于在DSP上实现实时控制。其原理框图如下所示。

模糊位置控制器的设计包含如下步骤：

(1)精确量的模糊化

位置控制对象的模型用一个二阶传递函数描述：

$G_m=\frac{\mathrm{\ω}}{s^2+\mathrm{\ξs}+\mathrm{\ω}}---\left(17\right)$

模糊控制器设计为两输入单输出系统，输入变量为位置误差e和误差变化率

输出控制变量ΔK为速度环的给定信号。它们三者的实际变化范围称为这些变量的基本论域。对位置误差e、误差变化率

和控制变量ΔK的定义如下：位置误差e的精确值分为14级，其基变量的模糊集的论域定义为：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}；

相应地误差e的模糊语言子集定义为8档，依次对应从“正大”到“负大”：

{PL PM PS PO NO NS NM NL}

误差变化率

的等级分为13级，其基变量模糊集的论域定义为：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

误差变化率的模糊语言子集定义为7档：

{PL PM PS O NS NM NL}

控制变量ΔK的定义类似

基变量模糊集的论域定义为：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

控制变量ΔK的Fuzzy语言子集定义为：

{PL PM PS O NS NM NL}

在我们的电机合模系统中，位置误差e是对应着正交编码器反馈回来的脉冲数换算出的位移与电子尺测量值之差，位置误差变化率

则是前者对时间t的导数，最大的输出量为电机的最高转速2000转/分。从测量反馈回来的误差和误差变化率的精确值，变换到基变量模糊集中的某一个成员，这需要一个量化比例因子或者换算表。同样地输出的控制量ΔK也有一个从基变量模糊论域成员到精确量的比例因子。实际程序中换算的公式如式18、19所示，换算表1说明具体换算的情况。

ΔK＝k_ΔK·n_i         (19)

表1模糊基变量的量化表

然后是要确定基变量论域内的元素对模糊语言子集变量的隶属度，这称为语言化过程。位置误差变量e的语言化过程由模糊关系矩阵

给出：

${\tilde{R}}_A=\begin{array}{cc}& \begin{array}{cccccccccccccc}-6& -5& -4& -3& -2& -1& -0& +0& 1& 2& 3& 4& 5& 6\end{array}\\ \begin{array}{c}\mathrm{PL}\\ \mathrm{PM}\\ \mathrm{PS}\\ \mathrm{PO}\\ \mathrm{NO}\\ \mathrm{NS}\\ \mathrm{NM}\\ \mathrm{NL}\end{array}& \left[\begin{array}{cccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.4& 0.8& 1.0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& +0& 0.2& 0.7& 1.0& 0.7& 0.2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.3& 0.8& 1.0& 0.7& 0.5& 0.4& 0.2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1.0& 0.6& 0.1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0.1& 0.6& 1.0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0.2& 0.4& 0.5& 0.7& 1.0& 0.8& 0.3& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0.2& 0.7& 1.0& 0.7& 0.2& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1.0& 0.8& 0.4& 0.1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\end{array}$

同理误差变化率

输出控制量ΔK的语言化过程由模糊关系矩阵

和

给出：

${\tilde{R}}_{\stackrel{\·}{e}}={\tilde{R}}_{\mathrm{\ΔK}}=\begin{array}{cc}& \begin{array}{ccccccccccccc}-6& -5& -4& -3& -2& -1& 0& 1& 2& 3& 4& 5& 6\end{array}\\ \begin{array}{c}\mathrm{PL}\\ \mathrm{PM}\\ \mathrm{PS}\\ O\\ \mathrm{NS}\\ \mathrm{NM}\\ \mathrm{NL}\end{array}& \left[\begin{array}{ccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.1& 0.4& 0.8& 1.0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.2& 0.7& 1.0& 0.7& 0.2\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.9& 1.0& 0.7& 0.2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.5& 1.0& 0.5& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0.2& 0.7& 1.0& 0.9& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0.2& 0.7& 1.0& 0.7& 0.2& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1.0& 0.8& 0.4& 0.1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\end{array}$

设e论域上的模糊集为

语言论域上的模糊集为

论域上的模糊集为

语言论域上的模糊集为

则把测量进行Fuzzy语言化的过程可以用矩阵的内积表示为：

和

分别是

和

的转置矩阵。

而在确定输出控制量ΔK的时候，数量化是Fuzzy语言化的反变换，设ΔK论域上的模糊集为在Fuzzy语言论域上的模糊集为

则把控制量ΔK数量化的过程可以表示为：

(2)设计模糊规则

模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心。模糊控制规则实质上是将操作者在控制过程中的实践经验(即手动控制策略)加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合。操作者要认真调查研究，反复进行试验，使模糊规则客观的反映控制对象的规律，这样才能减少人为的影响，使其符合控制要求。并要注意规则的完整性，相容性和干涉性。表2是根据经验而对输出量ΔK的控制规则。

表2ΔK的控制规则

这些规则在实际中达到良好的控制效果。可以利用这些规则通过模糊算法求解控制量的语言值。每个表分别由56条语句构成，表格中点(i，j)表示的语句意义为：

$\mathrm{ife}={\tilde{A}}_i\mathrm{and}\stackrel{\·}{e}={\tilde{C}}_j\mathrm{then\ΔK}={\tilde{U}}_k$

(3)模糊判决

上面模糊控制器的输出量是一个模糊集合，而被控过程只能接受一个控制量，这就需要从输出的模糊集集判决出一个精确的控制量，也就是设计一个由模糊集合到普通集合的映射，称为判决。我们采用取中位数法(均值判决法)。上述计算是离线进行的，通过计算得到修正值表，在DSP中实现模型参考模糊自适应控制是通过查询修正表3来实现的。

表3 ΔK的模糊控制修正查询表

设置合模机构具有完善的模具保护措施，注射成型的周期一般以模具闭合动作一次为标记，起点位置是①，合紧为⑧。合模过程中，首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，自动切换为低速合模，在确定模腔内无异物后，再次切换到高压将模具闭合。合模过程中，为防止模具胀开或者物料溢出，需要施加较大的合模力，该过程伺服电机采用力矩控制。

合模动作分解：

1、从开模结束位置①移动到合模变速位置④，称为合模速度1段(其中①至②是动模板克服静摩擦驱动瞬间的位移，③至④是合模速度1段)。

2、合模变速位置④移动到模具保护位置⑥，称为合模速度为2段，该段是高速低压运动。

3、模具保护位置⑥移动到模具接触位置⑦，称为合模速度为3段或者称模具保护区，模具位置⑥移动到模具接触位置⑦靠模具保护力，如果驱动器监测到模具端面有残余塑料没有被取出，合模过程停止并且立即开模。

4、从模具导柱插入定模位置⑦移动到模具合紧⑧，伺服电机施加最大压力锁模。

在锁紧状态，开闭模轴的现在位置为⑧。

开模动作设定：

第一步、开模⑧至⑨是在模具打开时，要保证注塑零件冷却模具型腔面脱离导柱的位置。

第二步、⑨和⑩是快速开模，按照面板设定值匀速移动，(11)至①是开模慢速停止，大约与①至②的值小10mm相等。

第三步、⑧至⑨的位置设定为模具的导柱与固定侧的模具接触时的位置。

第四步、⑦至⑧和⑧至⑨的设定值应相同。

除此以外，还需要有完善的模具保护措施。通常注射用的模具精密且结构复杂。如果模具内留有制品或者残留物，或者在使用嵌件时嵌件的位置没有正确放置时，模具按设定进行合模的话，会使模具受到损伤。在全电动注塑机中，模具保护是通过在临近定模的位置设定一个检测区间，电机以低速低转矩推动模板靠近定模，同时检测电机负载电流的变化有否超限来确定无障碍物。

制品顶出装置的功能是保证准确而平稳地将模内制品顶出。因此，顶出装置应具有足够而均匀的顶出力和可控的顶出次数、顶出速度，应具有足够可调的顶出行程。本例采用滚珠丝杠顶出机构，通过调节电机转速来调整顶出速度。这种顶出机构的结构简单，顶出平稳。

全电动注塑机开合模电机顶出电机控制装置有如下特点：1、开合模机构采用五支铰合模双曲肘合模机构；2、全电动注射机的顶出装置采用滚珠丝杠机构；3、完善的模具保护措施；4、伺服驱动器设计了PI电流环控制器、PI速度环控制器、模糊自适应位置控制器；5、基于DSP的伺服电机控制程序，采用磁场定向(FOC)控制算法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.本发明的控制系统引进了模糊自适应智能控制器，具有较高的动态性能和静态性能；算法简单，易于解析生成，适合于实时控制；对各种参数变化、扰动及不确定性干扰不敏感，系统鲁棒性好；与传统控制策略(如PID控制)相结合，优势互补。

2、本发明的控制系统采用的驱动器满足开合模非线性运动规律要求的控制技术，自学习控制、滑模变结构控制、鲁棒自适应控制等多种控制策略，提高系统参数自整定能力，保证系统在高负载情况下的稳定可靠性，同时提高扰动的补偿性。

3、采用本发明的控制系统进行控制，对电机采取消除应力负载，使得顶出过程完全消除了塑料制品模腔应力脱模的突变现象，保证顶出工艺正常工作。

4、本发明采用TMS320F2833X微处理器控制器芯片和大功率智能模块IPM功率驱动板相结合，满足了对合模力、速度和位置三方面的控制要求，采用本发明的控制方法，实现了开合模时间的最优化，而且具有完善的模具保护功能，保证了成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及制品准确而平稳地从模内顶出。

附图说明

图1是全电动注塑机采用的电机合模机构的结构示意图：

其中：1-调模板；2-曲肘机构；3-动模板；4-定模板；5-开合模电机；6-顶出电机；7-滚珠丝杆；8-动模具；9-导杆；10-定模具；

图2-1是全电动注塑机采用的双曲肘机构运动图；

图2-2a是全电动注塑机采用的双曲肘机构速度特性图；

图2-2b是全电动注塑机采用的双曲肘机构的压力特性图；

图2-3a全电动注塑机采用的双曲肘五支铰式合模机构的力放大比在整个合模过程的变化曲线；

图2-3b是全电动注塑机采用的双曲肘机构力的放大比曲线；

图3是本发明全电动注塑机开合模电机顶出电机控制系统结构框图；

图4是本发明的控制系统采用的电流、速度、位置三闭环控制方法原理图；

图5是本发明的控制系统中的伺服驱动器的内部连接框图；

图6是本发明的控制系统中的伺服控制器与外部电路的连接图；

图7是本发明的控制系统采用的FOC算法控制框图；

图8是本发明的控制系统采用的电流环控制框图；

图9是本发明的控制系统采用的速度环控制框图；

图10是本发明的控制系统采用的模糊自适应控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示为全电动注塑机采用的合模机构，包括五支铰合模双曲肘合模机构、曲柄滑块顶出装置和控制系统三部分，其中五支铰合模双曲肘合模机构由开合模电机、调模板、曲肘机构、动模板、动模具、定模具、顶出电机、滚珠丝杆、导杆、定模板组成，曲柄滑块顶出装置由顶出电机、滚珠丝杆、顶出杆、顶板、齿形带轮、皮带、动模板组成；所述开合模电机一端连接调模板和滚珠丝杠与曲肘机构的十字头，调模板另一端连接滚珠丝杆同时与导杆相连，导杆同时还连接动模板、定模板，动模板连接曲肘机构和顶出杆与动模具固定连接在一起，滚珠丝杆另一端与顶出装置相连，即与顶出电机、顶板和齿形带轮相连，齿形带轮驱动皮带并带动滚珠丝杆回转，顶板另一端连接顶出杆，定模板另一端与定模具相连，控制系统连接控制开合模电机和顶出电机。

注射成型的周期一般以模具闭合动作一次为标记，起点位置是①，合紧为⑧。合模过程中，首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，自动切换为低速合模，在确定模腔内无异物后，再次切换到高压将模具闭合。合模过程中，为防止模具胀开或者物料溢出，需要施加较大的合模力，该过程伺服电机采用力矩控制。

除此以外，还需要有完善的模具保护措施。通常注射用的模具精密且结构复杂。如果模具内留有制品或者残留物，或者在使用嵌件时嵌件的位置没有正确放置时，模具按设定进行合模的话，会使模具受到损伤。在全电动注塑机中，模具保护是通过在临近定模的位置设定一个检测区间，电机以低速低转矩推动模板靠近定模，同时检测电机负载电流的变化有否超限来确定无障碍物。

制品顶出装置的功能是保证准确而平稳地将模内制品顶出。因此，顶出装置应具有足够而均匀的顶出力和可控的顶出次数、顶出速度，应具有足够可调的顶出行程。本例采用滚珠丝杠顶出机构，通过调节电机转速来调整顶出速度。这种顶出机构的结构简单，顶出平稳。

如图2-1所示为五支铰合模双曲肘合模机构在某一位置时的运动原理图，其工作原理为伺服电机带动滚珠丝杠与曲肘机构的十字头联接，电机通过滚珠丝杆推动十字头运动，十字头与曲肘机构配合将旋转运动转化为开合模方向的线性运动。合模过程的原理是：当电机正向转动时，移模丝杆带动肘杆机构推动模板向前运动。当模具的分型面接触时，肘杆机构尚未形成一线排列，动模板受到变形阻力的作用。此时电机的转速降低、扭矩增大，使作用在移模丝杆上的作用力不断增加，直至足以克服变形应力，使肘杆成为一线排列。合模机构发生的弹性变形对模具实现了预紧，该预紧力即为合模力。开模时，电机反转，在移模螺杆力的作用下，肘杆的一线排列被拉下扭曲，动模板被迫与定模板分离并退回合模前的初始位置，从而实现开模。

在合模过程中，要求动模板的速度按照“慢-快-慢”的规律变化。在起始阶段，移模速度尽量慢，以降低系统冲击；在运行过程中要求移模速度尽量高，从而降低工作循环时间，提高工作效率；在接近行程终点时，动模板的移动速度能够无限接近0，从而避免模具受到锁模系统的冲击，延长其使用寿命。当机构运动到终点前某一位置时，模具刚好碰上，机构继续运动，迫使合模装置机件发生弹性变形，从而对模具产生压紧力(即锁模力)，防止模具在注入高压熔体时模具的型腔张开。

图2-1中锁模伺服电机推动十字头，动模板向前移动，L₁L₂伸直。其中：

1、从动模板行程S_m可知肘杆机构的行程是S_m是随肘长比λ和α₁的增大而增加的。然而后连杆L₁的尺寸受后模板的外形尺寸制约，一般有L₁＜L_AA/2，L_AA为后模板两支铰的中心距。而α₁的大小则会影响到机构能否实现自锁。

2、活塞杆行程S_g和行程比K_S

实践证明K_S在1～3之间，小型机取大值，大型机取小值，过大的K_S值会引起冲击现象。

图2-2a所示为双曲肘机构速度特性图，如图2-2a、b所示，肘杆式合模机构的移模速度一般指其平均移模速度。若忽略摩擦损失，根据能量守恒定理，可知肘杆机构在移模过程中平缓变速的特性。

双曲肘机构具有力的放大特性，力的放大倍数M表示机构在合模过程中的移模力P_m与十字头推力P_O之间的关系。双曲肘五支铰式合模机构的力放大比在整个合模过程的变化曲线如图2-3a所示。

变形力P_C与α角成二次抛物线规律变化，而移模力P_m则如图所示与α是双曲线关系。机构在克服变形阻力最终实现合模力的过程中，电机传动机构作用于十字头上的推动力经过双曲肘机构放大得到的移模力P_m，随机构的放大比改变而改变，如图2-3b所示，只有保证P_m大于合模过程的机构变形力P_C，才能顺利合模，如图2-3b的相切情况。实际上由于摩擦力和加工精度等原因，移模力通常要比P_m1高才能合模。因此P_m1就成为了我们电机选型中对电机额定力矩计算的关键参考依据。

根据开合模电机、顶出电机的负载特性，采用如图3所示的全电动注塑机开合模电机顶出电机控制系统，包括电脑控制器、PLC控制器和开合模顶出驱动器；电脑控制器、PLC控制器通过CAN网络连接控制开合模顶出驱动器，开合模顶出驱动器连接控制开合模电机和顶出电机。注塑机电脑为AMDGeodeLX800，开合模电机顶出电机控制系统的功能有：开合模电机和顶出电机由DSP伺服驱动器控制，完成电动注塑机的开合模控制和顶出控制，该驱动器带动开合模电机和顶出电机，通过图4所示的电流、速度、位置三闭环控制，实现对电机的智能控制，上位控制器和下位伺服控制系统之间采用高速CAN总线实现通信。

图4中，模糊自适应控制从电动锁模的环节看，电机控制部分的PI电流环是为控制合模力、限制最大电流服务的；PI速度环负责控制移模速度、消除转速波动；模糊自适应位置环处于最外面，负责对动模板的起、停定位，作用是保证动模板移动位置的静态精度。在全电动注塑机中，快速的的模板移动、频繁的开合模导致电动机在几秒间就需要进行一次正反转的切换，再加上螺杆式丝杠等机械传动会产生的累计误差，另外模具保护也需要在锁紧前1.5mm附近的狭小位置进行力矩和电流的检测，因此位置的控制显得重要。

模糊自适应控制器的设计是根据模糊理论建立自适应机构，它并不要求对参考模型和被控对象建立精确的数学模型而只要根据系统的模糊信息，模拟一个有经验的控制工作人员，用模糊条件语句写出控制规则，就能实现其控制作用，另外，模糊算法比较简单，便于在DSP上实现实时控制。

合模装置的机械结构决定了电动锁模对象的力与运动特性，而注塑工艺对开合模的控制要求则是联系机械运动与控制理论的桥梁。本发明将合模装置的机构特点和工艺要求与伺服电机的控制理论结合起来，提取出双曲肘合模机构与电机驱动息息相关的多个物理量进行分析与计算，并详细地设计了模糊控制器。

在本发明中，开合模顶出驱动器的结构如图5所示，由伺服控制器、IPM功率驱动板、电流传感器、码盘、开关电源组成，与伺服电机电连接，其中伺服电机在本发明中指开合模电机和顶出电机；所述IPM功率驱动板连接伺服控制器和伺服电机，电流传感器连接IPM功率驱动板、伺服电机和伺服控制器，码盘连接伺服电机和伺服控制器，开关电源连接IPM功率模块、电流传感器、码盘和伺服控制器。其中，伺服控制器以TMS320F2833X为核心，主要负责电流、编码器、报警等反馈信号的处理，电机控制算法的运算，运行状态的显示，与上位机通信的实现等工作；功率驱动电路以IPM功率驱动板为核心，功率驱动电路主回路采用交-直-交整流逆变电路；电源电路采用开关电源，变压得到的多路电源供控制板，功率模块栅极控制电源、传感器、散热风扇等使用。

如图6所示本发明开合模顶出电机伺服控制器硬件结构图，所述开合模顶出驱动器伺服控制器是指由数字信号处理芯片TMS320F2833X及其外设模块组成的DSP控制器，其中外设模块包括：SCI外设接口、CAN总线通信模块、JTAG接口、事件管理器EVA/B、ADC转换模块、正交编码器单元QEP；所述芯片TMS320F2833X控制器一输出端通过其外设模块CAN、JTAG分别连接注塑机电脑、仿真器，另一输出端通过事件管理器EVA/B依次连接IPM模块、开合模电机，开合模电机通过电流传感器、码盘分别连接到外设模块ADC转换模块、正交编码器单元QEP，顶出电机也是通过事件管理器EVA/B连接到DSP控制器，同时顶出电机还通过电流传感器、码盘分别连接到DSP的外设模块ADC转换模块、正交编码器单元QEP。本发明的伺服控制器以TMS320F2833X芯片为核心控制电路，分别连接仿真器、伺服电机报警输出定位完成信号，通过SCI连接在线监测，CAN总线连接注塑机电脑，通过事件管理器EVA/B产生脉宽调制信号PWM送到智能模块IPM控制开合模电机和顶出电机，同时开合模电机和顶出电机将电流通过电流传感器反馈连接到ADC并经过克拉克/帕克变换处理，正交编码器单元QEP根据捕获的编码器信号获得电机转子的速度和方向信息。本发明的伺服控制器以MS320F2833X芯片为核心控制电路，采用磁场定向算法(FOC)，实现对开合模电机、顶出电机电流、速度和位置的控制。

基于DSP的伺服电机控制程序实行的是按功能分工的模块化设计，包括四大部分，由系统初始化程序模块、定时器下溢中断服务程序、正交编码器中断处理模块组成。各大模块又由多个功能细分的子模块组成，系统初始化模块完成系统的上电自检测、对芯片级寄存器进行初始化设置以及初始化伺服控制模块的参数。外部中断处理模块处理因电机转动引起的正交编码器电平跳变中断，作用是获得转子相对位置信息以及计算转速增量，该模块是磁场定向算法实现的重要部分。定时器下溢中断服务程序是整个程序中最复杂、运算量最为集中的软件模块，磁场定向算法中的核心计算皆在此完成。ZLG7290程序模块是管理人机交互的软件，负责显示系统运行状态、参数设置和处理按键事件。

在进入主程序后的第一件事情就是封锁所有PWM通道，使之成为高阻态，让IPM的功率管栅极状态由硬件电路中的上拉电阻拉高，即处于截止状态。尽管DSP的PWM通道默认上电后是输入功能的I/O口，理论上不会使得IPM模块的功率管导通，但是为了避免在初始化过程中误修改了PWM通道的状态，所以一开始就可靠地封锁PWM通道是很有必要的。然后检测主电路是否正常(有否欠压、功率模块保护等)，进行芯片一级的寄存器的初始化，包括SCSR、WatchDog、MCRA、IMR、IFR等。然后是伺服系统运行参数的初始化，如运行模式、最大允许转速、最大允许转矩、转速计数器清零等。一切都正常后，数码管显示第一个运行选项，程序开中断，等待速度指令或按键。

如图7所示为本发明的磁场定向算法(FOC)控制框图，磁场定向算法(FOC)程序实行模块化设计，使用到的模块如表4所示。

表4磁场定向算法程序模块

每一次磁场定向计算依次完成：定子转子位置检测、电流检测、CLARKE和PARK坐标变换、速度环PI调节、q轴电流PI调节、PARK逆变换、SVPWM发生等步骤。触发每一次FOC计算的事件是DSP的定时器1的下溢中断，中断的周期为67us，对应产生的PWM载波频率为15KHz，在定时器1的下溢中断程序中完成FOC算法的全部计算。

磁场定向控制算法是基于电压空间矢量理论来讨论的，我们通过坐标变换以及模糊、PI调节器把控制量解耦和校正，得到基于2相静止坐标系的的输出量u_α和u_β，这时需要通过DSP根据电压空间矢量理论调制成PWM输出作用于功率管的栅极上，这是整个FOC计算中的最后一环。

根据式

可见得到任意幅值和相位的空间矢量的关键是不断计算和更新T1、T2和T0的值。根据三角形的正弦定理有

解得

上述是基于abc三相坐标系讨论的，当把UOUT、UX和UX+60投影到2相平面直角坐标系αβ中时，式

变换成：

其中，一旦确定了PWM的载波频率，Tpwm就事先选定了，而U_OUTα和U_OUTβ正是FOC算法中倒数第二环节的PARK逆变换的输出量u_α和u_β。而六个非零基本空间电压矢量是已知的，因此逆阵

是可以离线预先计算好，然后分扇区存储成表，在实际的计算中查表就可得到。则t1和t2就可以通过式计算确定了。根据TPWM＝t1+t2+t0，可确定零矢量的作用时间t0＝TPWM-(t1+t2)。

本来对于无转子位置检测装置的电机如异步电动机要应用SVPWM调制输出电压还必须通过U_OUTα和U_OUTβ计算UOUT所在的扇区，然后才能知道该查表选择哪一对UX和UX±60的逆阵进行计算。不过在带有转子位置反馈的永磁同步伺服电机就可以直接得知当前的UOUT位于哪个扇区了。添加零矢量是遵循使功率管开关次数最小的原则。插入零矢量有两种不同的方式，一种是把零矢量集中的插入，另外一种则是把零矢量作用时间平均分成几份、多点的插入到一个PWM周期中，但作用时间的和仍旧是t0。前者对减少功率管开关次数有好处，而后者对平滑磁链的变化速度、抑制转矩脉动有好处。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全电动注塑机的开合模电机和顶出电机控制系统，与开合模电机和顶出电机连接，其特征是，包括电脑控制器、PLC控制器、开合模和顶出驱动器；所述电脑控制器和PLC控制器分别通过CAN网络与开合模和顶出驱动器信号连接，所述开合模和顶出驱动器分别与开合模电机和顶出电机连接；所述开合模和顶出驱动器由伺服控制器、IPM功率驱动板、电流传感器、码盘和开关电源组成；所述伺服控制器与外部电路信号连接；所述IPM功率驱动板连接伺服控制器和伺服电机；所述电流传感器连接IPM功率驱动板、伺服电机和伺服控制器；所述码盘连接伺服电机和伺服控制器；所述开关电源连接IPM功率模块、电流传感器、码盘和伺服控制器；所述伺服电机是指开合模电机和顶出电机；

所述全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统按如下步骤控制：

第一步，采用五支铰合模双曲肘合模机构和曲柄滑块顶出机构，根据双曲肘机构的开合模过程的移模速度特性和增力特性，确定合模装置和顶出装置选用的滚珠丝杠和开合模电机、顶出电机；

第二步，根据开合模电机、顶出电机的负载特性和工艺要求，对开合模电机和顶出电机进行控制并设置完善的模具保护措施，包括：

⑴合模过程中，首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，自动切换为低速合模，在确定模腔内无异物后，再次切换到高压将模具闭合；合模过程中，为防止模具物料溢出，需要施加较大的合模力，该过程开合模电机采用力矩控制；

⑵开模过程中，首先要保证注塑零件冷却模具型腔面脱离导柱的位置，然后动模板匀速移动快速开模，在接近动模板的起点位置时动模板慢速停止；

⑶通过调节顶出电机的转速来调整顶出速度，保证准确而平稳地将模内制品顶出。

2.根据权利要求1所述的全电动注塑机的开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，所述开合模顶出驱动器中的伺服控制器是指数字信号处理芯片TMS320F2833X，其包括系统初始化程序模块、定时器下溢中断服务程序模块、正交编码器中断处理模块；所述芯片TMS320F2833X的一个输出端通过其自带的CAN总线通信模块、JTAG接口分别连接到注塑机电脑控制器和仿真器，另一 输出端通过其自带的事件管理器EVA/B依次连接IPM功率驱动板和伺服电机，所述伺服电机通过电流传感器连接到芯片的模数转换模块ADC，所述伺服电机还通过码盘连接芯片的正交编码器单元QEP；所述伺服电机是指开合模电机和顶出电机。

3.根据权利要求1或2所述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，步骤第一步中的确定合模装置和顶出装置选用的滚珠丝杠和开合模电机、顶出电机是指：①根据五支铰合模双曲肘合模机构的平动工作状况，确定滚珠丝杠轴径、导程、丝杠长度、丝杠轴径和精度等级；②综合考虑所需的锁模力、移模速度、行程比、滚珠丝杠导程、皮带传动装置的传动比来选定开合模电机、顶出电机。

4.根据权利要求1或2所述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，步骤第二步第⑴中的确定模腔内无异物是指在接近定模板的位置设定一个检测区间，通过检测开合模电机负载电流的变化有否超限来确定有无障碍物。

5.根据权利要求1或2所述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，步骤第二步第⑵中保证注塑零件冷却模具型腔面脱离导柱的位置是指将所述位置设定为导柱与固定侧的模具接触时的位置。

6.根据权利要求1或2所述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，步骤第二步第⑴中的合模过程，包括：

①、从开模结束位置移动到合模变速位置，称为合模速度l段；

②、从合模变速位置移动到模具保护位置，称为合模速度为2段，该段是高速低压运动；

③、从模具保护位置移动到模具接触位置，称为合模速度3段，该段为模具保护区，如果电流传感器监测到该段合模出现电流比平常电流曲线增大，视为模具端面有残余塑料没有被取出，合模过程停止并且立即开模；

④、从模具保护区移动到模具合紧，施加最大压力锁模。

7.根据权利要求1或2所述的全电动注塑机开合模电机和顶出电机控制系统，其特征是，步骤第二步开模和闭模过程的移模速度按下述方法得出：

①、动模板行程

依结构分析，动模板的移动行程S_m可以铰支座B点的位移量表征：

式（1）中 

是在终锁位置铰A、B的中心连线

肘长比λ＝L₁/L₂，根据正弦定律 

由此可得

②、活塞杆行程S_g和行程比K_S

活塞杆行程是沿用液压式合模装置的术语，在电机驱动的合模装置里，S_g表示十字头的行程，以十字头上铰E的移动量表征：

模板行程与十字头行程之比称为行程比K_S＝S_M/S_g    (9)

K_S反映了移模速度和十字头移动速度的比值，而且也反映了机台的能量消耗；

③、移模速度V_m和速度变化系数K_V

肘杆式合模机构的移模速度为可控制移模速度，若忽略摩擦损失，根据能量守恒定理，对合模机构输入的功率应等于输出的功率即

P_B·V_B=P_M·V_M    (10)

所以模板移动速度可得 

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