CN103920862A - 压铸机异步伺服节能控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种压铸机异步伺服节能控制方法，包括油泵电机的速度控制方法和油泵电机的提前加速方法；油泵电机的速度控制方法中，油泵电机的转速N为：N＝N_额*PQW，其中，N_额为油泵电机的额定转速；PQW为油泵电机的自适应电机速度给定指令，且：PQW＝PQ+PQ_辅，PQ_辅为电机微调速度给定指令；PQ为电机初步速度给定指令，且：PQ＝K*Q+(1-K)*P或PQ＝MAX{Q，P}，其中，Q为压铸机的流量系数，且0≤Q≤1；P为压铸机的压力系数，且0≤P≤1；K为权重系数，且0<K<1；油泵电机的提前加速方法中，油泵电机的自适应提前时间指令△_t：△_t＝T_平均-T_提前，T_提前≤T_平均，其中，T_提前为设定的压铸机预提前时间；T_平均为压铸机在其生产周期的各个工作阶段的机械动作时差的平均值。

Description

压铸机异步伺服节能控制方法及其控制系统

技术领域

本发明属于压铸机节能控制技术领域，具体涉及一种压铸机的异步伺服节能控制方法和适用于该控制方法的控制系统。 

背景技术

铝合金冷室压铸机加工设备是典型的周期性负载类设备，其一个完整工作周期一般包括合模—给汤—压射—泄压(冷却)—开模—顶出—取件(储能)—喷雾等几个工序，各个工序都是通过油泵马达泵输出液压油到各个油缸推动传动机构完成一系列动作，且各个阶段需要的压力与流量也不相同。对于液压系统来说，每个阶段对压力、流量的匹配各不一样，而压铸机采用的定量泵(一般是定量双联叶片泵、齿轮泵)的功率却是根据其运行过程中的最大负载配置的。压铸机在一个工作周期中只有合模、压射、开模、储能等工序负载较大，其它工序的负载一般较小，特别是在系统泄压阶段，其负载几乎为零。对于油泵马达而言，压铸机工作过程是处于变化的负载状态。 

而在定量泵的液压系统中，油泵提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流到油箱，此过程称为高压节流。特别是压铸机在卸荷阶段，其系统对压力、流量的要求几乎为0，而马达仍以额定转速拖动油泵运转，此时的液压油几乎全部通过溢流阀回到油箱，这样就存在大量电能浪费。 

目前市面上也存在一些针对压铸机的节能改造方法，主要为变频节能改造方法和同步伺服节能改造方法两种。 

1、变频节能改造方法：矢量变频器+异步电机，该方法是取压铸机的流量、压力信号作为变频器的速度指令从而控制电机的转速来实现节能。但高压力和高速度是压铸时熔合金充填成型过程的两大特点。压铸机油泵作为压铸机设备动作的能源转换装置，它也必须按照工艺要求提供大流量高压力的液压油。但 压铸机油泵电机进行变频改造以后，由于变频器存在低频转矩不足以及动态响应较差的缺陷，而相反压铸机在某些工作阶段需要大流量高压力(例如合模)，因此改造后的油路系统不能及时响应系统压力流量要求，所以压铸机在变频节能改造后，其工作节拍会变慢(一般一个工作周期变慢1-3s)，而压铸机一个完成工作周期大约为20-80S，因此一台压铸机一天下来会少生产不少零件，从另一方面来说，压铸机的变频改造实际是牺牲了压铸机的生产效率而达到节能目的。 

2、同步伺服节能改造方法：其控制原理为：矢量驱动器+同步电机+速度压力反馈。该方法是把原有双联叶片泵更换成齿轮泵或者螺杆泵或柱塞泵，把原有三相异步电机更换为永磁伺服电机，取压力流量信号作为速度指令，油泵安装压力传感器做为闭环控制。此改造方案从理论上是可满足压铸机的快速响应要求，但此改造方案也出现本身致命的缺点： 

1)对于900吨或者1000吨以上的大吨位压铸机，由于市面暂无取代具有大流量高压力特性的双联叶片泵的其它油泵，现场不得不安装多台伺服油泵以满足其压力流量要求，导致安装复杂、成本昂贵！ 

2)由于压铸机车间生产环境恶劣(夏季40℃以上)，永磁伺服电机就存在退磁的缺陷，使用年限一长，磁场就会消退，大大增加设备故障率，由于伺服电机消磁后无法重新加磁，就不得不重新购买新的伺服电机。这样大大增加了企业设备维护成本，节约的电量远远不够设备采购成本。 

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种压铸机异步伺服节能控制方法，该压铸机异步伺服节能控制方法不仅能够满足节能要求，而且不会影响压铸机的生产效率，且设备的维护、运营成本均较低。 

要实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案： 

本发明首先提出了一种压铸机异步伺服节能控制方法，包括油泵电机的速度控制方法和油泵电机的提前加速方法； 

所述油泵电机的速度控制方法中，油泵电机的转速N为： 

N＝N_额*PQW 

其中，N_额为油泵电机的额定转速； 

PQW为油泵电机的自适应电机速度给定指令，且： 

PQW＝PQ+PQ_辅

其中，PQ_辅为电机微调速度给定指令； 

PQ为电机初步速度给定指令，且： 

PQ＝K*Q+(1-K)*P或PQ＝MAX{Q，P} 

其中，Q为压铸机的流量系数，且0≤Q≤1； 

P为压铸机的压力系数，且0≤P≤1； 

K为权重系数，且0≤K≤1； 

所述油泵电机的提前加速方法中，油泵电机的自适应提前时间指令△_t： 

△_t＝T_平均-T_提前

T_提前≤T_平均

其中，T_提前为设定的压铸机在其生产周期的各个工作阶段的预提前时间； 

T_平均为压铸机在其生产周期的各个工作阶段的机械动作时差的平均值； 

所述油泵电机在压铸机执行上一个工序并间隔时间△_t后，按照压铸机下一个工序的转速要求运转，等待压铸机执行下一个工序。 

进一步，在压铸机的一个生产周期中，以采集的每个工作阶段的机械动作时差信号为一组时差信号数据，并存储最近的至少两个生产周期的时差信号数据；利用存储的至少两组时差信号数据，实时计算压铸机在每个工作阶段的机械动作时差的平均值T_平均。 

本发明还提出了一种适用于如上所述压铸机异步伺服节能控制方法的压铸机异步伺服节能控制系统，包括中央处理单元和均与所述中央处理单元电连接的数据采集单元、通讯单元、数据输出单元、电源模块； 

所述数据采集单元包括用于采集压铸机比例阀压力信号的压力传感器和用 于采集压铸机比例阀流量信号的流量传感器，所述数据采集单元与压铸机控制系统的周期信号采集器电连接并采集压铸机生产周期的工作阶段信号； 

所述数据输出单元包括与压铸机油泵电机电连接的异步伺服驱动器。 

进一步，所述通讯单元包括人机交互界面。 

进一步，所述数据输出单元还包括用于冷却油泵电机的冷却风机。 

进一步，所述中央处理单元内集成有计时器。 

进一步，所述数据采集单元还包括用于采集液压油温度信号的温度传感器和用于采集油泵反馈压力信号的反馈压力传感器。 

进一步，还包括与所述中央处理单元电连接并用于存储所述时差信号数据的数据寄存器。 

本发明的有益效果在于： 

本发明的压铸机异步伺服节能控制方法，改变了目前市面上压铸机变频节能改造方法和伺服节能改造方法的单一的纯流量、纯压力控制模式；在油泵电机的速度控制方法中，实现了流量和压力的双联动，能实时动态满足压铸机液压系统各个阶段压力和流量要求；由于压铸机液压系统在某些工作阶段需要满足大流量、高压力的要求，而压铸机的油路、油泵又存在泄露，异步伺服系统从待机加速到全速也需要一段时间(一般异步伺服响应速度为0.1S)，这些均为可能导致滞后产生的原因，无法满足压铸机液压系统大流量高压力要求，通过采用油泵电机的提前加速方法，能够有效消除滞后，保证压铸机的工作效率； 

采用本发明压铸机异步伺服节能控制方法的压铸机的节能原理如下： 

当压铸机液压系统需要流量压力时，油泵电机按照自适应电机速度给定指令PQW运行；当压铸机液压系统处在卸载(例如冷却，喷雾工作阶段)工作阶段时，即不需要流量压力时，此时油泵电机处于待机状态；因此改造后的压铸机主油泵从定量泵变成可调控的变量泵，油泵电机按照系统所需压力流量进行运行，消除了油泵电机的轻载空载运行，消除了压铸机液压系统的高压截流现象，使液压系统供需平衡；一般状况下，本发明的压铸机异步伺服节能控制方 法在不改变原有压铸机的原有控制系统，以及压铸机正常生产周期(节拍)的条件下下，能实现单台压铸机30％-50％之间的节电率。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： 

图1为本发明压铸机异步伺服节能控制系统实施例的原理框图； 

图2为中央处理单元的原理框图； 

图3为本实施例压铸机在其生产周期的各个工作阶段的划分示意图； 

图4为压铸机的液压系统图。 

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。 

如图1所示，为本发明压铸机异步伺服节能控制系统实施例的原理框图。本实施例的压铸机异步伺服节能控制系统包括中央处理单元1和均与中央处理单元1电连接的数据采集单元2、通讯单元3、数据输出单元4、电源模块。本实施例的数据采集单元包括用于采集压铸机比例阀压力信号的压力传感器5、用于采集压铸机比例阀流量信号的流量传感器6、用于采集油泵反馈压力信号的反馈压力传感器7和用于采集液压油温度信号的温度传感器8，数据采集单元与压铸机控制系统的周期信号采集器9电连接并采集压铸机生产周期的工作阶段信号。 

本实施例的数据输出单元4包括与压铸机油泵电机10电连接的异步伺服驱动器11和用于冷却油泵电机10的冷却风机12。本实施例的通讯单元包括人机交互界面13，操作人员可通过人机交互界面设定本实施例压铸机异步伺服节能控制系统的控制参数。 

本实施例的中央处理单元1内集成有计时器14、与数据采集单元2电连接的数据采集模块15、故障处理模块16、速度控制模块17、滞后消除模块18、 与通讯单元3电连接的通讯模块19和与数据输出单元4电连接的数据输出模块20。 

本实施例的压铸机异步伺服节能控制系统还包括与中央处理单元1电连接并用于存储时差信号数据的数据寄存器21，时差信号数据为一组在压铸机的一个生产周期中采集的每个工作阶段的机械动作时差信号。 

本实施例采用上述压铸机异步伺服节能控制系统的的压铸机异步伺服节能控制方法，包括油泵电机10的速度控制方法和油泵电机的提前加速方法。 

油泵电机10的速度控制方法中，油泵电机10的转速N为： 

N＝N_额*PQW 

其中，N_额为油泵电机的额定转速； 

PQW为油泵电机的自适应电机速度给定指令，且： 

PQW＝PQ+PQ_辅

其中，PQ_辅为电机微调速度给定指令，电机微调速度给定指令PQ_辅的大小根据压铸机的加工工件类型和实际工况设定； 

PQ为电机初步速度给定指令，且： 

PQ＝K*Q+(1-K)*P或PQ＝MAX{Q，P} 

其中，Q为压铸机的流量系数，且0≤Q≤1； 

P为压铸机的压力系数，且0≤P≤1； 

K为权重系数，且0≤K≤1； 

具体的，压铸机的流量系数Q与压铸机的压力系数P均由压铸机的加工工件类型以及压铸机在其生产周期中的不同工作阶段来确定的，即在压铸机一个生产周期中，不同工作阶段的压铸机的流量系数Q与压铸机的压力系数P不一定相等，且在加工不同类型的工件时，压铸机生产周期中的同一个工作阶段的压铸机的流量系数Q与压铸机的压力系数P也不一定相等。在实际应用中，压铸机的流量系数Q等于压铸机液压系统的比例阀流量比率，压铸机的压力系数P等于压铸机液压系统的比例阀压力比率。 

所述油泵电机的提前加速方法中，油泵电机的自适应提前时间指令△_t： 

△_t＝T_平均-T_提前

T_提前≤T_平均

其中，T_提前为设定的压铸机在其生产周期的各个工作阶段的预提前时间，该压铸机预提前时间T_提前根据压铸机的加工工件和油泵电机的实际工况设定； 

T_平均为压铸机在其生产周期的各个工作阶段的机械动作时差的平均值。 

油泵电机10在压铸机执行上一个工序并间隔时间△_t后，按照压铸机下一个工序的转速要求运转，等待压铸机执行下一个工序。 

具体的，在压铸机的一个生产周期中，以采集的每个工作阶段的机械动作时差信号为一组时差信号数据，并存储最近的至少两个生产周期的时差信号数据。利用存储的至少两组时差信号数据，实时计算压铸机在每个工作阶段的机械动作时差的平均值T_平均。本实施例的数据寄存器21存储有五组时差信号数据，如图3所示，为本实施例压铸机在其生产周期的各个工作阶段的划分示意图，本实施例将压铸机的生产周期分为6个工作阶段，分别为第一工作阶段：“开始”至“合模”；第二工作阶段：“合模”至“给汤”；第三工作阶段：“给汤”至“压射、泄压”；第四工作阶段：“压射、泄压”至“开模”；第五工作阶段：“开模”至“顶出”；第六工作阶段：“顶出”至“储能”。在加工某个工件时，数据寄存器21存储的最近5个压铸机生产周期的时差信号数据，以及计算得到的自适应提前时间指令△_t和机械动作时差的平均值T_平均如下表： 

如上表所示，在第四工作阶段“压射、泄压”至“开模”阶段，由于油路泄漏，“开模”会出现变慢现象，因此我们就需要提前加速，以消除开模滞后。本实施例的压铸机在“开模”时设定的压铸机的流量系数Q＝70％，压铸机的压力系数P＝90％，油泵电机10的额定转速为1480转/分，设权重系数K＝0.5，则电机初步速度给定指令PQ＝K*Q+(1-K)*P＝0.8，根据实际工况需要，设定PQ _辅＝0.0068，则油泵电机10的转速N＝N_额*PQW＝1194转/分，开模阶段也有较大节能空间。 

另外，在加工某个工件时，设定执行“压射、泄压”工序后6.2秒执行“开模”工序，如上表所示，“压射、泄压”至“开模”阶段的机械动作时差的平均值T_平均＝6.25秒，根据加工工件类型和油泵电机10工况设定的压铸机预提前时间T_提前＝0.25秒，自适应提前时间指令△_t＝6秒，即此时中央控制单元1在执行“压射、泄压”工序6秒后使电机提前加速运行起来，等待压铸机“开模”工序大流量高压力信号到来，而不是等待开模信号到来再根据系统压力流量输出响应转速，能够有效避免滞后。 

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 

Claims (8)

1.一种压铸机异步伺服节能控制方法，其特征在于：包括油泵电机的速度控制方法和油泵电机的提前加速方法；

所述油泵电机的速度控制方法中，油泵电机的转速N为：

N＝N_额*PQW

其中，N_额为油泵电机的额定转速；

PQW为油泵电机的自适应电机速度给定指令，且：

PQW＝PQ+PQ_辅

其中，PQ_辅为电机微调速度给定指令；

PQ为电机初步速度给定指令，且：

PQ＝K*Q+(1-K)*P或PQ＝MAX{Q，P}

其中，Q为压铸机的流量系数，且0≤Q≤1；

P为压铸机的压力系数，且0≤P≤1；

K为权重系数，且0≤K≤1；

所述油泵电机的提前加速方法中，油泵电机的自适应提前时间指令△_t：

△_t＝T_平均-T_提前

T_提前≤T_平均

其中，T_提前为设定的压铸机在其生产周期的各个工作阶段的预提前时间；

T_平均为压铸机在其生产周期的各个工作阶段的机械动作时差的平均值；

所述油泵电机在压铸机执行上一个工序并间隔时间△_t后，按照压铸机下一个工序的转速要求运转，等待压铸机执行下一个工序。

2.根据权利要求1所述的压铸机异步伺服节能控制方法，其特征在于：在压铸机的一个生产周期中，以采集的每个工作阶段的机械动作时差信号为一组时差信号数据，并存储最近的至少两个生产周期的时差信号数据；利用存储的至少两组时差信号数据，实时计算压铸机在每个工作阶段的机械动作时差的平均值T_平均。

3.一种适用于如权利要求1所述压铸机异步伺服节能控制方法的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：包括中央处理单元和均与所述中央处理单元电连接的数据采集单元、通讯单元、数据输出单元、电源模块；

所述数据采集单元包括用于采集压铸机比例阀压力信号的压力传感器和用于采集压铸机比例阀流量信号的流量传感器，所述数据采集单元与压铸机控制系统的周期信号采集器电连接并采集压铸机生产周期的工作阶段信号；

所述数据输出单元包括与压铸机油泵电机电连接的异步伺服驱动器。

4.根据权利要求3所述的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：所述通讯单元包括人机交互界面。

5.根据权利要求3所述的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：所述数据输出单元还包括用于冷却油泵电机的冷却风机。

6.根据权利要求3所述的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：所述中央处理单元内集成有计时器。

7.根据权利要求3所述的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：所述数据采集单元还包括用于采集液压油温度信号的温度传感器和用于采集油泵反馈压力信号的反馈压力传感器。

8.根据权利要求3-7任一项所述的压铸机异步伺服节能控制系统，其特征在于：还包括与所述中央处理单元电连接并用于存储所述时差信号数据的数据寄存器。