CN102700098A - 一种注塑机伺服节能驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及注塑技术，旨在提供一种注塑机伺服节能驱动控制系统及方法。该方法包括以下步骤：处理器模块收到液压系统给定压力值和给定速度值，以及注塑机液压系统的实时压力值P，通过内置的计算与控制程序获得注塑液压伺服系统速度控制信号U；并由模拟输出模块将其转化为模拟信号，然后输出到注塑机液压伺服系统模块以实现控制；处理器模块工作在速度控制模式或压力控制模式，伺服驱动器始终工作在速度控制模式。本发明简单、可靠，无需速度传感器，控制系统切实可行，具有可实现性。本发明重点解决了注塑机液压系统伺服驱动的控制，实现了液压系统精确闭环控制和压力、速度控制的解耦，能够实现速度和压力的精确控制和切换过程的平稳和无超调。

Description

一种注塑机伺服节能驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及注塑过程的控制系统及方法，更详细的说，本发明涉及伺服电机驱动液压系统注塑机的伺服系统控制方法，实现注塑机液压系统的速度和压力的精确闭环及节能控制。

背景技术

注塑机是高分子材料加工的主要设备，注塑成型由于具有可对形状复杂的制品实现一次成型，具有效率高、尺寸精确、适合大批量生产等特点的，是最具优势的高分子加工成型工艺。目前注塑机主要分为液压式、全电动式和电液混合式三类，液压式成本低，成型压力大，是目前最主要的注塑机。全电动式注塑机精度高，但是成本高，成型压力受到限制，而电液混合式注塑机则介于两者之间。一台典型的液压式注塑机包括注射机构、合模机构、液压系统和控制系统四个部分。注塑成型过程是一个周期性的复杂过程。一个典型的注塑成型过程包括合模、注射、保压、预塑和冷却、开模和顶出几个步骤。

传统的液压式注塑机采用普通三相电机驱动定量泵为注塑机提供液压流量，三相电机一直处于额定转速状态，为液压系统提供最大的压力和流量，而控制系统通过压力比例阀和速度比例阀实现对注塑液压系统压力和流量的精确控制，多余的流量通过溢流阀回流到油箱。但是注塑过程大多数阶段都无需最大压力和流量，有些阶段如冷却根本无需液压流量，所以这种注塑液压系统存在很大的能源浪费，为了节约能源必须采取措施来降低能耗。目前注塑机节能方式主要有变量泵方式、变频节能和伺服节能等方式。变量泵方式响应速度较慢，且节能效果有限。变频节能方式则要求注塑机控制器进行改造，而且起变频器启动速度有限，因此对于高速注塑的场合无法应用。伺服节能方式采用伺服电机为液压系统提供动力，由于伺服系统响应速度快因而具有很好的前景。

但是伺服系统本身只能提供对伺服电机的精确控制，无法直接实现对注塑机液压系统的精确控制，尤其是分别实现对液压系统压力和流量的精确控制，因此必须通过注塑机的上位控制系统来实现注塑机液压系统的闭环控制。但是由于伺服驱动控制机液压系统的强耦合性，使得其精确闭环控制非常复杂，一般注塑机控制系统无法实现，而特殊设计的控制系统虽然能够实现其精确控制，但是缺乏了统一性而无法应用到其他注塑系统上。因此需要采用一个独立的控制系统来实现对注塑伺服系统的控制来达到注塑液压系统压力和流量的精确闭环控制，该系统接受上位注塑机控制器根据注塑工艺要求给定的注塑液压系统压力和流量参数，自动实现对伺服系统的控制，达到注塑液压系统的压力和流量控制，满足注塑工艺的要求。

ZL201110043494.8提出了一种注塑机节能控制系统，但是只涉及了基于伺服电机驱动的注塑机液压系统底层结构，但是没有涉及关键的伺服系统如何控制以及控制算法问题。ZL200710069994.2提出了注塑机伺服节能控制系统，设计了一种基于节能控制器的伺服电机驱动注塑液压系统，但是只提出了一个系统框架，没有涉及控制系统具体算法及控制参数，无法具体实现因而未能获得授权。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种注塑机伺服节能驱动控制系统及方法。本发明通过对伺服系统的控制实现液压系统的压力和流量的精确控制，实现速度控制和压力控制的平稳无超调控制。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种注塑机伺服节能驱动控制方法，包括以下步骤：

（1）模拟输入模块一接受由上位注塑机控制器中的压力和速度给定模块发送的液压系统给定压力值P_s和给定速度值V_s信号，并将其转换为数字信号后传送给处理器模块；压力传感器模块检测注塑机液压系统的实时压力值P，并由模拟输入模块二转换为数字信号后传送给处理器模块；

（2）处理器模块通过内置的计算与控制程序获得注塑液压伺服系统速度控制信号U，其实现过程包括：

A、处理器模块有两种工作模式：如果P_s-P＞ΔP，则处理器模块工作在速度控制模式；如果P_s-P≤ΔP，则处理器模块工作在压力控制模式；所述ΔP为压力阈值，ΔP＝(10%～20%)×P_s；

B、处理器模块通过计算获得速度控制信号U，并由模拟输出模块将其转化为模拟信号，然后输出到注塑机液压伺服系统模块以实现控制；其中：

（a）处理器模块当工作在速度控制模式时，

$U=k{V}_s---\left(1\right)$

式中，V_s为给定速度信号；k为控制比例参数，其计算方法为：

$k=\frac{U_{\max }}{V_{\max }}---\left(2\right)$

式中，U_max为控制伺服驱动系统的最大输出电压值，V_max为压力和速度给定模块给定的最大压力值；

（b）处理器模块当工作在压力控制模式时，采用PID控制算法实现对压力的闭环控制：

$U=K_{p}E+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{EdE}+K_d\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式中，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；E为液压系统控制的压力控制误差值，其计算方法为：

$E=P_s-P---\left(3\right)$

式中，P_s为给定压力值，P为实时压力值。

本发明中，所述压力阈值ΔP是通过仿真获得；或者是由PC机通过串行通信模块以RS232方式实现连接和通信，并通过人工设置和实际试验进行调整。

本发明中，注塑机液压伺服系统模块中的伺服驱动器始终工作在速度控制模式，由处理器模块给定伺服驱动控制信号实现其控制，达到注塑工艺所需液压系统压力和流量的精确控制；当处理器模块处于速度控制模式时，注塑液压伺服驱动按照速度控制信号U运行，伺服系统根据其本身具有的编码盘速度反馈以实现速度的闭环控制，使得实际速度达到上位注塑机控制器给定的液压速度V_s；当处理器模块处于压力控制模式时，通过利用速度控制信号U控制伺服驱动器的运行，通过伺服驱动速度的调节实现液压系统压力的闭环控制。

作为进一步的发明目的，本发明还提供了一种用于实现前述注塑机伺服节能驱动控制方法的系统，包括上位的注塑机控制器，所述注塑机控制器中设有压力和速度给定模块；该系统还包括：用于注塑液压伺服系统速度控制信号运算的注塑机伺服节能驱动控制器模块，用于执行注塑液压伺服系统速度控制的注塑机液压伺服系统模块，通过信号线接于注塑液压系统中油泵出口处的压力传感器模块；压力和速度给定模块和压力传感器模块分别通过信号线接至注塑机伺服节能驱动控制器模块，注塑机伺服节能驱动控制器模块与注塑机液压伺服系统模块相接；

所述注塑机伺服节能驱动控制器模块包括：用于接收压力和速度给定模块信号的模拟输入模块一，用于接收压力传感器模块信号的模拟输入模块二，用于实现伺服驱动液压系统闭环控制运算的处理器模块，用于输出伺服驱动器控制信号的模拟输出模块；模拟输入模块一和模拟输入模块二分别连接至处理器模块，处理器模块连接至模拟输出模块。

作为一种改进，所述处理器模块还连接至一个用于实现控制参数设置和调整的串行通讯模块。

本发明的有益效果在于，

本发明中的伺服驱动器采用统一的速度控制模式，依靠该控制器实现注塑过程液压的速度控制模式和压力控制模式，简单、可靠，无需速度传感器，控制系统切实可行，具有可实现性。本发明重点解决了注塑机液压系统伺服驱动的控制，实现了注塑机液压系统的精确闭环控制和液压系统压力和速度控制的解耦，能够实现速度和压力的精确控制和切换过程的平稳和无超调。

附图说明

图1注塑机伺服节能驱动控制系统框图。

图2注塑机伺服节能驱动控制器内部结构。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及控制技术领域。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：压力和速度给定模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本发明的具体思路如下：

本发明首先提供了一种注塑机伺服节能驱动控制系统，该控制系统结构框图如附图1所示。注塑机设备及控制系统包括：设于注塑机控制器中的压力和速度给定模块101、液压系统的注塑机伺服节能驱动控制器模块102、注塑机液压伺服系统模块103、被控注塑机104和注塑液压系统的压力传感器模块105。如图2所示，注塑机伺服节能驱动控制器模块102又可以细分为：模拟输入模块一201、模拟输入模块二202、处理器模块203、模拟输出模块204和串行通讯模块205。压力和速度给定模块101连接到注塑机伺服节能驱动控制器模块102，通过模拟输出方式将注塑工艺所需要的液压系统的压力给定信号P_s和速度给定信号V_s传送到注塑机伺服节能驱动控制器模块102的模拟输入模块一201，模拟输入模块一201连接到处理器模块203，将注塑机控制器给定的液压系统的压力给定信号P_s和速度给定信号V_s转化成数字信号，并输入到处理器模块203用于控制计算。压力传感器模块105安装在注塑液压系统中油泵出口处，检测液压系统的实时压力值P。压力传感器模块105通过信号线连接到注塑机伺服节能驱动控制器模块102，将液压系统的实时压力值P传送到注塑机伺服节能驱动控制器模块102的模拟输入模块二202，模拟输入模块二202连接到处理器模块203，将压力传感器模块105检测的液压系统的实时压力值P转化成数字信号，并输入到处理器模块203用于控制计算。注塑机伺服节能驱动控制器模块102中的处理器模块203内置计算和控制程序，利用压力和速度给定模块101给定的压力给定信号P_s和速度给定信号V_s和压力传感器模块105反馈的液压系统的实时压力值P进行计算和控制，计算速度控制信号U的结果并传送到与处理器模块203连接的模拟输出模块204，模拟输出模块204将获得的数字信号转化为模拟输出，并传送至注塑机液压伺服系统模块103，实现对注塑液压系统中伺服驱动器的控制，最终驱动注塑机机械结构实现注塑工艺控制过程。注塑机伺服节能驱动控制器模块102中的串行通讯205则与处理器模块203相连接，实现与其他设备的串行RS232连接，用来实现控制参数的设置和调节。

各模块的功能具体如下：

模拟输入模块一201接受压力和速度给定模块101发送的液压系统给定压力信号P_s和给定速度信号V_s，并转换为数字量输送到处理器模块203，压力传感器模块105检测注塑机液压系统的压力P，并通过模拟输入模块二202转换为数字量，并输入到处理器模块203。

注塑机伺服节能驱动控制器模块102中的处理器模块203内置计算和控制程序实现注塑液压伺服系统速度控制信号U的计算。具体包括：

（1）处理器模块203内有控制参数压力阈值ΔP。压力阈值ΔP可以通过仿真获得理论值，一般设置压力阈值ΔP为ΔP＝(10%～20%)*P_s，其中P_s为上位注塑机控制器压力和速度给定模块101给定的注塑工艺压力值，也可以人工使用PC机通过串行通讯205以RS232方式连接进行通信来人工设置和实际试验进行调整。

（2）处理器模块203有两种工作模式：速度控制模式和压力控制模式。处理器模块203根据压力阈值ΔP、压力和速度给定模块101发送的给定压力信号P_s和压力传感器模块105检测注塑机液压系统的压力P实现两种控制模式的切换。其切换控制方法为：

如果P_s-P＞ΔP则处理器模块203工作在速度控制模式；

如果P_s-P≤ΔP则处理器模块203工作在压力控制模式。

（3）注塑机液压伺服系统模块103中的伺服驱动器始终工作在速度控制模式，由处理器模块203给定伺服驱动控制信号实现其控制，达到注塑工艺所需液压系统压力和流量的精确控制。当处理器模块203处于速度控制模式时，计算控制输出速度控制信号U，使得注塑液压伺服驱动按照给定速度运行，伺服系统本身具有编码盘速度反馈，可以实现速度的闭环控制，使得实际速度达到给定的液压速度V_s；当处理器模块203处于压力控制模式时，处理器模块203根据给定压力P_s和反馈的压力P计算实现压力闭环控制，处理器模块203的控制输出仍然是速度控制信号U，通过模拟输出模块204利用速度控制信号U控制伺服驱动器的运行，通过伺服驱动速度的调节实现液压系统压力的闭环精确控制。

（4）处理器模块203工作在速度控制模式时其控制信号的控制计算方法为：

$U=k{V}_s---\left(1\right)$

其中V_s为压力和速度给定模块101给定的速度信号，而k为控制比例参数，其计算方法为：

$k=\frac{U_{\max }}{V_{\max }}---\left(2\right)$

其中U_max为控制伺服驱动系统的最大输出电压值，V_max为压力和速度给定模块101给定的最大压力值。

处理机模块203通过计算获得输出的速度控制信号U以后，通过模拟输出模块204将速度控制信号U转化为模拟信号，并输出到注塑机液压伺服系统模块103实现对其控制。

（5）处理器模块203工作在压力控制模式时采用PID控制算法实现对压力的闭环精确控制。其控制算法如下：

a)处理器模块203内置计算程序，首先根据公式（3）得到液压系统控制的压力控制误差值E

$E=P_s-P---\left(3\right)$

其中E为压力控制误差值，P_s为压力和速度给定模块101给定的压力值，P为压力传感器模块105检测并反馈给模拟输入模块二202的液压系统实时压力值；

b)处理器模块203内置计算程序，根据公式（4）计算压力闭环控制所需的速度控制信号U。

$U=K_{p}E+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{EdE}+K_d\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；

c)将速度控制信号U通过模拟输出模块204输出到注塑机液压伺服系统模块103以实现对其控制。

具体的实施例子：

以一个60吨伺服系统驱动液压注塑机的伺服节能驱动控制为例进行说明，其他各种吨位和型号的伺服驱动液压系统注塑机的伺服节能驱动控制算法类似，都被认为在本发明的范围之内。

（1）首先计算处理器模块203内控制参数压力阈值ΔP。压力阈值ΔP可以通过仿真获得理论值，一般设置压力阈值ΔP为ΔP＝(10%～20%)*P_s，其中P_s为压力和速度给定模块101给定的注塑工艺压力值，也可以人工实用PC机通过串行通信模块205以RS232方式连接进行通信来人工设置和实际试验进行调整。在这里假设给定压力P_s为100bar，比例系数采用15%，则ΔP＝15%*P_s＝15bar

（2）处理器模块203有两种工作模式：速度控制模式和压力控制模式。处理器模块203根据压力阈值ΔP、压力和速度给定模块101发送的液压系统的给定压力信号P_s和压力传感器模块105检测注塑机液压系统的实时压力值P实现两种控制模式的切换，其切换控制方法为：

如果P_s－P＞ΔP，则处理器模块203工作在速度控制模式；

如果P_s－P≤ΔP，则处理器模块203工作在压力控制模式。

由于第二步计算得到ΔP＝15bar，所以可以得到：

如果P_s－P＞15bar，则处理器模块203工作在速度控制模式；

如果P_s－P≤15bar，则处理器模块203工作在压力控制模式。

（3）注塑机液压伺服系统模块103中伺服驱动器始终工作在速度控制模式，由处理器模块203给定伺服驱动控制信号实现其控制，达到注塑工艺所需液压系统压力和流量的精确控制。

（4）当处理器模块203工作在速度控制模式时根据公式（1）计算控制输出：

$U=k{V}_s---\left(1\right)$

其中V_s为注塑机控制器压力和速度给定模块101给定的速度信号，而k为控制比例参数，其计算方法为：

$k=\frac{U_{\max }}{V_{\max }}---\left(2\right)$

其中U_max为控制伺服驱动系统的最大输出电压值，V_max为上位注塑机控制器压力和速度给定模块101给定的最大压力值。

假设给定速度信号V_max为最大10V，控制伺服驱动系统的最大输出电压值U_max也为10V，则根据公式（2）

，因此公式（1）变为U＝kV_s＝V_s。

处理器模块203通过计算获得输出控制信号U以后，通过模拟输出模块204将U转化为模拟信号，并输出到注塑机液压伺服系统模块103实现对其控制。

（5）处理器模块203工作在压力控制模式时采用PID控制算法实现对压力的闭环精确控制。其控制算法如下：

d)处理器模块203内置计算程序，首先根据公式（3）得到液压系统控制的压力控制误差值E

$E=P_s-P---\left(3\right)$

其中E为压力控制误差值，P_s为压力和速度给定模块101给定的压力值，P为压力传感器模块105检测并反馈模拟输入模块二203的液压系统实时压力值。

由第一步假设给定压力P_s为100bar，则计算根据公式（3）计算压力控制误差为E＝P_s－P＝100－P。

e)处理器模块203内置计算程序，根据公式（4）计算压力闭环控制所需的速度控制信号U。

$U=K_{p}E+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{EdE}+K_d\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；

f)将速度控制信号U通过模拟输出模块203输出到注塑机液压伺服系统模块103实现对其控制。

Claims (5)

1.一种注塑机伺服节能驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）模拟输入模块一接受由上位注塑机控制器中的压力和速度给定模块发送的液压系统给定压力值P_s和给定速度值V_s信号，并将其转换为数字信号后传送给处理器模块；压力传感器模块检测注塑机液压系统的实时压力值P，并由模拟输入模块二转换为数字信号后传送给处理器模块；

（2）处理器模块通过内置的计算与控制程序获得注塑液压伺服系统速度控制信号U，其实现过程包括：

A、处理器模块有两种工作模式：如果P_s－P＞ΔP，则处理器模块工作在速度控制模式；如果P_s－P≤ΔP，则处理器模块工作在压力控制模式；所述ΔP为压力阈值，ΔP＝(10%～20%)×P_s；

B、处理器模块通过计算获得速度控制信号U，并由模拟输出模块将其转化为模拟信号，然后输出到注塑机液压伺服系统模块以实现控制；

其中：

（a）处理器模块当工作在速度控制模式时，

$U=k{V}_s---\left(1\right)$

式中，V_s为给定速度信号；k为控制比例参数，其计算方法为：

$k=\frac{U_{\max }}{V_{\max }}---\left(2\right)$

式中，U_max为控制伺服驱动系统的最大输出电压值，V_max为压力和速度给定模块给定的最大压力值；

（b）处理器模块当工作在压力控制模式时，采用PID控制算法实现对压力的闭环控制：

$U=K_{p}E+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{EdE}+K_d\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式中，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；E为液压系统控制的压力控制误差值，其计算方法为：

$E=P_s-P---\left(3\right)$

式中，P_s为给定压力值，P为实时压力值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力阈值ΔP是通过仿真获得；或者是由PC机通过串行通信模块以RS232方式实现连接和通信，并通过人工设置和实际试验进行调整。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注塑机液压伺服系统模块中的伺服驱动器始终工作在速度控制模式，由处理器模块给定伺服驱动控制信号实现其控制，达到注塑工艺所需液压系统压力和流量的精确控制；

当处理器模块处于速度控制模式时，注塑液压伺服驱动按照速度控制信号U运行，伺服系统根据其本身具有的编码盘速度反馈以实现速度的闭环控制，使得实际速度达到上位注塑机控制器给定的液压速度V_s；

当处理器模块处于压力控制模式时，通过利用速度控制信号U控制伺服驱动器的运行，通过伺服驱动速度的调节实现液压系统压力的闭环控制。

4.一种用于实现权利要求1所述注塑机伺服节能驱动控制方法的系统，包括上位的注塑机控制器；其特征在于，所述注塑机控制器中设有压力和速度给定模块，该系统还包括：用于注塑液压伺服系统速度控制信号运算的注塑机伺服节能驱动控制器模块，用于执行注塑液压伺服系统速度控制的注塑机液压伺服系统模块，通过信号线接于注塑液压系统中油泵出口处的压力传感器模块；压力和速度给定模块和压力传感器模块分别通过信号线接至注塑机伺服节能驱动控制器模块，注塑机伺服节能驱动控制器模块与注塑机液压伺服系统模块相接；

所述注塑机伺服节能驱动控制器模块包括：用于接收压力和速度给定模块信号的模拟输入模块一，用于接收压力传感器模块信号的模拟输入模块二，用于实现伺服驱动液压系统闭环控制运算的处理器模块，用于输出伺服驱动器控制信号的模拟输出模块；模拟输入模块一和模拟输入模块二分别连接至处理器模块，处理器模块连接至模拟输出模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器模块还连接至一个用于实现控制参数设置和调整的串行通讯模块。

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