CN103878961B - 一种注塑机用液电伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注塑机用液电伺服系统，包括伺服驱动器、压力传感器、稀土永磁同步伺服电机与油泵，所述伺服驱动器存储注塑机不同工作阶段的预设压力与预设流量信号，同时接收由压力传感器输出的油泵实际压力信号，根据设定压力与实际压力信号的差值输出控制信号控制稀土永磁同步伺服电机的输出扭矩和转速从而控制油泵的流量与压力。运用本发明的液电伺服系统，相对于普通的液压系统能够节电60%-80%，相比变量泵系统也能节电30%以上，而且动态响应快、重复精度高。

Description

一种注塑机用液电伺服系统

技术领域

本发明属于电气技术领域，尤其涉及一种注塑机用液电伺服系统。

背景技术

传统注塑机一般采用油压驱动的定量泵，即不论实际用油压流量多少，油泵都全速运转，采用回流方式控制流量。但是实际上注塑机在每个工艺阶段流量和压力的要求是不同的，一般除了射胶液溶胶动作需要较大的压力外，其他时间都仅需要很小的流量和压力。传统的油压回路将多余的油旁路流回油箱内，不仅浪费了功率还提高了油温。

现有技术中还有采用变量泵系统代替传统的定量泵的方案，变量泵系统相对于普通定量泵系统在节电方面有所效果，但由于电机和油泵的速度是恒定的，系统压力由压力控制阀控制，所以还是有一部分的能量损失，而且变量泵系统对液压油的要求比较高，运行噪音大。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种动态响应速度快、重复精度高、节电效果明显的注塑机用液电伺服系统。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种注塑机用液电伺服系统，包括伺服驱动器、压力传感器、稀土永磁同步伺服电机与油泵，所述伺服驱动器存储注塑机不同工作阶段的预设压力与预设流量信号，同时接收由压力传感器输出的油泵实际压力信号，根据设定压力与实际压力信号的差值输出控制信号控制稀土永磁同步伺服电机的输出扭矩和转速从而控制油泵的流量与压力；其中，所述伺服驱动器包括电源模块，所述电源模块包括用于输入直流电压的输入模块；主绕组、MOS管、与主绕组处于同一侧的供电绕组、与主绕组处于不同侧的多个输出绕组、PWM控制芯片、三极管；供电绕组一端接地另一端连接至主绕组、MOS管漏极、三极管集电极以及PWM控制芯片电压输入端；PWM控制芯片输出端连接至MOS管基极，电压输入端还与三极管发射极相连；三极管源级接入输入模块；直流电压输入时，主绕组磁通量增加使得输出绕组输出直流电压以给伺服驱动器其他模块供电，同时三极管基射极导通使得PWM控制芯片能够通过调节占空比以调节MOS管的导通时间从而维持输出绕组的输出电压稳定；当直流输入电压减小或断开时，次绕组磁通量比供电绕组磁通量大使得供电绕组产生感应电流供给PWM控制芯片和MOS管，维持PWM控制芯片和MOS管在工作状态。

进一步地，还包括MOS管漏极电压保护模块，所述MOS管漏极电压保护模块与主绕组并联且与MOS管串联；所述MOS管漏极电压保护模块包括第一电容、第一稳压二极管、多个串联连接的第一电阻，第一二极管；所述第一电容、第一稳压二极管、第一电阻并联连接后与第一二极管串联连接；第一稳压二极管与第一二极管负极等电位设置，MOS管漏极与第一二极管正极相连。

进一步地，还包括滤波模块，所述滤波模块设置于输入模块与主绕组之间，所述滤波模块包括三条并联支路，第一并联支路由第二电容构成，第二并联支路由第一电感和第二电感构成，第三并联支路由第三电阻和第四电阻构成；导线一端设置于第一电感和第二电感之间，另一端设置于第三电阻和第四电阻之间。

进一步地，所述主绕组的电感值Lp、最大磁通密度Bp、磁芯气隙长度Lg、绕组匝数Tp通过如下公式确定：

$\mathrm{Lp}=\frac{U^2{A}^2}{\mathrm{fP}}$

$\mathrm{Bp}=\frac{135\×\mathrm{Lp}}{I}$

$\mathrm{Tp}=\frac{U\×A}{f\×\mathrm{Bp}}$

$\mathrm{Lg}=\frac{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{Tp}}^2\×\mathrm{Bp}}{\mathrm{Lp}}$

其中，U表述输入电压值，A表示PWM控制芯片的最大占空比值，P表示输入功率，f表述MOS管的开关频率，I表述输入电流。

进一步地，所述主绕组中，单根绕组线的宽度为0.3至1.5毫米，绕组线之间的间隙为0.2-0.5毫米。

进一步地，所述稀土永磁同步伺服电机的稀土材料的原子组分为：Sm_xFe_{（100-x-y-z-a-b-c）}Co_yDy_zNi_aAl_bN_c，其中x取值2-3.5，y取值10-25，z取值3-7，a取值1.5-3，b取值为0.5-1.2,c取值为8-12。

进一步地，所述稀土材料通过如下方式制备：

S1：按照上述原子配比取各纯金属作为原料，对各纯金属原料球磨使得各纯金属原料的粒径达到10-20微米；

S2：充磁压制成型制得生坯；

S3：微波烧结：在充满氮气的环境下，对生坯微波烧结，其中微波频段为5GHZ至8GHZ，烧结温度为1200℃至1500℃，烧结时间为5-7小时；

S4：低温回火：在400-450℃条件下，退火处理30-50分钟。

本发明通过设置伺服驱动器的电源模块使得整个液压伺服系统的电磁兼容性更好，同时设置稀土永磁同步伺服电机的稀土材料使得稀土永磁同步伺服电机的响应精度更高，效率更高。

运用本发明的液电伺服系统，相对于普通的液压系统能够节电60%-80%，相比变量泵系统也能节电30%以上，而且动态响应快、重复精度高。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的伺服驱动器中电源保护模块的电路原理示意图；

图3为图2所述电路原理示意图的具体电路示意图；

图4为本发明的稀土永磁同步伺服电机中稀土材料的制备流程示意图。

具体实施方式

请参照图1，本发明的注塑机用液电伺服系统，包括伺服驱动器1、压力传感器2、稀土永磁同步伺服电机3与油泵4，所述伺服驱动器1存储注塑机不同工作阶段的预设压力与预设流量信号，同时接收由压力传感器2输出的油泵实际压力信号，根据设定压力与实际压力信号的差值输出控制信号控制稀土永磁同步伺服电机3的输出扭矩和转速从而控制油泵的流量与压力。

请参照图2，图2为本发明的伺服驱动器中电源保护模块的电路原理示意图，图2中伺服驱动器电源模块，包括用于输入直流电压的输入模块10、主绕组20、MOS管30、与主绕组处于同一侧的供电绕组40、与主绕组处于不同侧的多个输出绕组50、PWM控制芯片60、三极管70。

主绕组20接入输入模块10，多个输出绕组50和主绕组20构成变压器，用于将输入直流电压变压后输出至伺服驱动器的其他模块。

供电绕组40与主绕组20处于同一侧，供电绕组40一端接地，另一端连接至主绕组20、MOS管30漏极、三极管70集电极以及PWM控制芯片60电压输入端。

三极管70源级接入输入模块10、发射极接入PWM控制芯片60电压输入端。

PWM控制芯片60输出端接至MOS管30基极。

直流电压输入后，主绕组20和输出绕组50构成的变压器工作，同时三极管基射极导通使得PWM控制芯片能够通过调节占空比以调节MOS管的导通时间从而维持输出绕组的输出电压稳定；当直流电压输入降低或者断开后，输出绕组50和供电绕组40构成变压器，电流再次反馈给PWM控制芯片和MOS管，并且由于三极管不再处于导通状态，使得电流不会传送至主绕组。PWM控制芯片的电压在直流输入电压断开后仍可保持，待下次直流输入电压输入时，PWM控制芯片再次开始由输入电压供电，供电绕组储能。

在本发明中，当电路处于正常工作状态时，PWM控制芯片和MOS管构成的控制模块能够正常的对输出绕组输出的电压进行调节，当电路不处于正常工作状态时，由于三极管以及供电绕组的设置使得PWM控制芯片和MOS管构成的控制模块依然能够正常工作，同时三极管还起到电路隔离的作用，使得主绕组和PWM控制芯片隔开，减小主绕组对PWM控制芯片的电磁干扰。

请参照图3，优选地，本发明还包括滤波模块80，所述滤波模块80设置于输入模块10与主绕组20之间，所述滤波模块80包括三条并联支路，第一并联支路由第二电容C2构成，第二并联支路由第一电感L1和第二电感L2构成，第三并联支路由第三电阻R3和第四电阻R4构成；导线801一端设置于第一电感L1和第二电感L2之间，另一端设置于第三电阻R3和第四电阻R4之间。

采用上述电路连接的滤波模块对直流输入电压滤波效果更好。

优选地，本发明还包括MOS管漏极电压保护模块90，所述MOS管漏极电压保护模块90与主绕组20并联且与MOS管30串联；所述MOS管漏极电压保护模块90包括第一电容C1、第一稳压二极管W1、多个串联连接的第一电阻R1，第一二极管D1；所述第一电容C1、第一稳压二极管W1、第一电阻R1并联连接后与第一二极管D1串联连接；第一稳压二极管W1与第一二极管D1负极等电位设置，MOS管30漏极与第一二极管D1正极相连。

当直流输入电压降低或者断开后，输出绕组50不仅与供电绕组40构成变压器，使得供电绕组40能够继续对PWM控制芯片和MOS管供电，还使得主绕组20上也产生反激电流。为了使得反激电流不影响MOS管电压，MOS管漏极电压保护模块90将该反激电流吸收消耗。

在本发明的电源模块中，主绕组20的性能参数对整个电路的运行效率、电磁兼容性有较大的影响。主绕组20的电感值Lp、最大磁通密度Bp、磁芯气隙长度Lg、绕组匝数Tp则直接影响主绕组20的性能。本申请中，通过如下经验公式，确定主绕组20的电感值Lp、最大磁通密度Bp、磁芯气隙长度Lg和绕组匝数Tp，使得主绕组20具有良好的性能：

$\mathrm{Lp}=\frac{U^2{A}^2}{\mathrm{fP}}$

$\mathrm{Bp}=\frac{135\×\mathrm{Lp}}{I}$

$\mathrm{Tp}=\frac{U\×A}{f\×\mathrm{Bp}}$

$\mathrm{Lg}=\frac{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{Tp}}^2\×\mathrm{Bp}}{\mathrm{Lp}}$

其中，U表述输入电压值，A表示PWM控制芯片的最大占空比值，P表示输入功率，f表述MOS管的开关频率，I表述输入电流。

更为优选地，构成主绕组20的绕组线的宽度、绕组线之间的间距也是影响主绕组性能和电磁兼容性的重要参数，本申请中，主绕组20的单根绕组线的宽度优选为0.3至1.5毫米，绕组线之间的间隙优选为0.2-0.5毫米。

为了使得电源模块整体的工作效率更高、电磁兼容性更好，本申请还具体限定了电路中其他元器件的如下具体参数取值范围，通过该些元器件的配合使得电源模块性能更佳：所述第一电阻值为20-70欧姆，第一电容值为0.2至0.7微法，第二电容值为5-10皮法，第三电阻值为100-200欧姆，第四电阻值为50-70欧姆，第一电感值为0.5-1.5毫亨，第二电感值为10-25毫亨。

请参照图4，图4为本发明的稀土永磁同步伺服电机中稀土材料的制备流程示意图。

稀土永磁同步伺服电机力矩和过载能力均比普通的三相异步电机高出一个功率等级，永磁电机的最大起动力矩与额定力矩之比可达3.6倍，而一般异步电动机仅有1.6倍。

采用稀土永磁同步伺服电机，其功率因素可达到或接近1.0，无功功率节电率可达85%，有功功率节电率可达30%-70%。

稀土永磁同步伺服电机中的稀土材料的性能决定着稀土永磁同步伺服电机的性能。本发明稀土永磁同步伺服电机中稀土材料通过如下实施例制成。

实施例1

按照如下比例取纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝：

Sm:2at%,Fe:75at%,Co:10at%,Dy:3at%,Ni:1.5at%,Al:0.5at%。

按照图4所示步骤，将上述纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝球墨并过筛，筛选粒径为10-20微米的各纯金属原料。

将上述纯金属原料混合均匀后充磁压制成型制得生坯。

将生坯在氮气环境中微波烧结，微波频段为5GHZ至8GHZ，烧结温度为1200℃至1500℃，烧结时间为5-7小时。

微波烧结过程中，确保氮气被吸收后氮原子所占稀土材料的原子比为8at%左右。为达到该比值，可以将烧结过程中充入的氮气量预先设置为8at%,只要烧结过程中，氮气被充分吸收即达到本步骤中氮化的目的。

低温回火，在烧结和氮化后的生坯在400-450℃条件下，退火处理30-50分钟。

采用GB/T3217-92测试标准测试最终制得的稀土材料的剩磁、矫顽力、最大磁能积以及耐氧化耐腐蚀性能。测试结果见表一。

实施例2

按照如下比例取纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝：

Sm:3at%,Fe:64.7at%,Co:15at%,Dy:5at%,Ni:1.5at%,Al:0.8at%。

按照图4所示步骤，将上述纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝球墨并过筛，筛选粒径为10-20微米的各纯金属原料。

将上述纯金属原料混合均匀后充磁压制成型制得生坯。

将生坯在氮气环境中微波烧结，微波频段为6.5GHZ，烧结温度为1350℃，烧结时间为6.5小时。

微波烧结过程中，确保氮气被吸收后氮原子所占稀土材料的原子比为10at%左右。为达到该比值，可以将烧结过程中充入的氮气量预先设置为10at%,只要烧结过程中，氮气被充分吸收即达到本步骤中氮化的目的。

低温回火，在烧结和氮化后的生坯在400℃条件下，退火处理30分钟。

采用GB/T3217-92测试标准测试最终制得的稀土材料的剩磁、矫顽力、最大磁能积以及耐氧化耐腐蚀性能。测试结果见表一。

实施例3

按照如下比例取纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝：

Sm:3.5at%,Fe:48.3at%,Co:25at%,Dy:7at%,Ni:3at%,Al:1.2at%。

按照图4所示步骤，将上述纯钐、纯铁、纯钴、纯镝、纯镍、纯铝球墨并过筛，筛选粒径为10-20微米的各纯金属原料。

将上述纯金属原料混合均匀后充磁压制成型制得生坯。

将生坯在氮气环境中微波烧结，微波频段为6.5GHZ，烧结温度为1350℃，烧结时间为6.5小时。

微波烧结过程中，确保氮气被吸收后氮原子所占稀土材料的原子比为12at%左右。为达到该比值，可以将烧结过程中充入的氮气量预先设置为12at%,只要烧结过程中，氮气被充分吸收即达到本步骤中氮化的目的。

低温回火，在烧结和氮化后的生坯在400℃条件下，退火处理30分钟。

采用GB/T3217-92测试标准测试最终制得的稀土材料的剩磁、矫顽力、最大磁能积以及耐氧化耐腐蚀性能。测试结果见表一。

测试数据

表一

由上述测试数据可知，本发明制得的永磁材料剩磁高、矫顽力高、最大磁能积高且具有很好的耐氧化和耐腐蚀性能。非常适合于本发明的稀土永磁同步伺服电机使用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种注塑机用液电伺服系统，包括伺服驱动器、压力传感器、稀土永磁同步伺服电机与油泵，其特征在于：所述伺服驱动器存储注塑机不同工作阶段的预设压力与预设流量信号，同时接收由压力传感器输出的油泵实际压力信号，根据设定压力与实际压力信号的差值输出控制信号控制稀土永磁同步伺服电机的输出扭矩和转速从而控制油泵的流量与压力；其中，所述伺服驱动器包括电源模块，所述电源模块包括用于输入直流电压的输入模块、主绕组、MOS管、与主绕组处于同一侧的供电绕组、与主绕组处于不同侧的多个输出绕组、PWM控制芯片、三极管；供电绕组一端接地另一端连接至主绕组、MOS管漏极、三极管集电极以及PWM控制芯片电压输入端；PWM控制芯片输出端连接至MOS管基极，电压输入端还与三极管发射极相连；三极管源级接入输入模块；直流电压输入时，主绕组磁通量增加使得输出绕组输出直流电压以给伺服驱动器其他模块供电，同时三极管基射极导通使得PWM控制芯片能够通过调节占空比以调节MOS管的导通时间从而维持输出绕组的输出电压稳定；当直流输入电压减小或断开时，输出绕组磁通量比供电绕组磁通量大使得供电绕组产生感应电流供给PWM控制芯片和MOS管，维持PWM控制芯片和MOS管在工作状态；

用于制备所述稀土永磁同步伺服电机的稀土材料的原子组分为：Sm_xFe_{(100-x-y-z-a-b-c)}Co_yDy_zNi_aAl_bN_c，其中x取值2-3.5，y取值10-25，z取值3-7，a取值1.5-3，b取值为0.5-1.2,c取值为8-12；

所述稀土材料通过如下方式制备：

S1：按照上述原子配比取各纯金属作为原料，对各纯金属原料球磨使得各纯金属原料的粒径达到10-20微米；

S2：充磁压制成型制得生坯；

S3：微波烧结：在充满氮气的环境下，对生坯微波烧结，其中微波频段为5GHZ至8GHZ，烧结温度为1200℃至1500℃，烧结时间为5-7小时；

S4：低温回火：在400-450℃条件下，退火处理30-50分钟。

2.根据权利要求1所述的注塑机用液电伺服系统，其特征在于：还包括MOS管漏极电压保护模块，所述MOS管漏极电压保护模块与主绕组并联且与MOS管串联；所述MOS管漏极电压保护模块包括第一电容、第一稳压二极管、多个串联连接的第一电阻、第一二极管；所述第一电容、第一稳压二极管、多个串联连接的第一电阻并联连接后与第一二极管串联连接；第一稳压二极管与第一二极管负极等电位设置，MOS管漏极与第一二极管正极相连。

3.根据权利要求1或2所述的注塑机用液电伺服系统，其特征在于：还包括滤波模块，所述滤波模块设置于输入模块与主绕组之间，所述滤波模块包括三条并联支路，第一并联支路由第二电容构成，第二并联支路由第一电感和第二电感构成，第三并联支路由第三电阻和第四电阻构成；导线一端设置于第一电感和第二电感之间，另一端设置于第三电阻和第四电阻之间。

4.根据权利要求1或2所述的注塑机用液电伺服系统，其特征在于：所述主绕组的电感值Lp、最大磁通密度Bp、磁芯气隙长度Lg、绕组匝数Tp通过如下公式确定：

$Lp=\frac{U^2{A}^2}{fP}$

$Bp=\frac{135\×Lp}{I}$

$Tp=\frac{U\×A}{f\×Bp}$

$Lg=\frac{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{Tp}}^2\×Bp}{Lp}$

其中，U表述输入电压值，A表示PWM控制芯片的最大占空比值，P表示输入功率，f表述MOS管的开关频率，I表述输入电流。

5.根据权利要求4所述的注塑机用液电伺服系统，其特征在于：所述主绕组中，单根绕组线的宽度为0.3至1.5毫米，绕组线之间的间隙为0.2-0.5毫米。