CN109501186A - 压力闭环控制方法、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种压力闭环控制方法、设备及计算机可读存储介质，该压力闭环控制方法，包括：根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩；根据所述电机的转子位置角度和所述电磁转矩，获得负载转矩的估计值；根据所述负载转矩的估计值获得估算压力，并将所述估算压力与压力指令值叠加后输入到压力调节器。本发明实施例通过使用观测器，采用软件算法，根据电机电流、转子的位置及电磁转矩估算出压力，代替现有技术中采用压力传感器来检测压力，大大简化了硬件系统，降低了成本，提高了可靠性，具有较高的经济价值。

Description

压力闭环控制方法、设备及计算机可读存储介质

技术领域

本发明实施例涉及使用伺服系统带动丝杠或油泵实现压力控制的相关领域，更具体地说，涉及一种压力闭环控制方法、设备及计算机可读存储介质。

背景技术

全电动注塑机是一种全部动力都由电力供给的加工注塑机。可以将热塑性塑料注射成型并加工成各种模具。是化工材料合成加工过程中常用的一种机器。在全电动注塑机上，通常采用同步电机带动丝杠移动，实现注射、保压、背压等动作。其中，保压、背压阶段根据压力传感器的反馈，调节电机的转速来实现压力闭环控制。压力传感器通常安装在料筒上，输出电压或电流信号，该方案在行业内普遍应用。

如图1所示，是现有注塑机的注射系统实施例的示意图，该注塑机的注射系统包括注射电机1、料筒2、加热线圈3、压力传感器4及喷嘴5。注射电机1带动丝杠产生压力，推动融化的塑料从喷嘴5注入模具，并维持一定的压力使塑料冷却成型。压力控制是注射过程的关键部分，通过加装压力传感器4来采集料筒2压力，并通过压力闭环控制调节注射电机1转速，实现压力控制。

或在注塑机/压铸机/油压机/折弯机等设备上，通常还可采用同步电机带动油泵(内啮合齿轮泵/柱塞泵等)，给油缸提供运行动力，油缸的传动压力通过调节电机的转速来实现，一般通过比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative)即PID实现压力的闭环控制，该闭环控制称为压力环，压力环需要用到压力反馈信号，压力反馈通常由装在油泵出口的压力传感器获取，该方案在行业内普遍应用。

如图2所示，是现有注塑机油缸压力控制设备实施例的示意图，一个压力控制设备包括电脑控制器、伺服驱动器、伺服电机、伺服油泵、压力传感器和油缸，通过伺服驱动器调节电机的输出转速和转矩，可达到控制油泵输出压力的目的。

如图3所示，是伺服驱动器内的压力闭环结构框图，该控制结构框图由三个环路组成，外环为压力环6，内环为速度环7和电流环8(或称转矩环)，在外环压力环6中，压力反馈由压力传感器4采样获得。

但现有压力传感器价格往往在数千元，多为进口，而且为了匹配压力传感器，需要额外增加采样电路、供电电路、线缆、人工等，有时还存在压力传感器损坏或信号被干扰的情况，维修成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种压力闭环控制方法、设备及存储介质，旨在解决上述注塑机/压铸机/油压机/折弯机等设备的压力闭环控制方式均需要借助压力传感器，且为了匹配压力传感器需要额外增加采样电路、供电电路等，导致设备硬件成本较高以及有时还存在压力传感器损坏或信号被干扰的情况，导致维修成本较高的问题。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种压力闭环控制方法，包括：

根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩；

根据所述电机的转子位置角度和所述电磁转矩，获得负载转矩的估计值；

根据所述负载转矩的估计值获得估算压力，并将所述估算压力与压力指令值叠加后输入到压力调节器。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，在所述根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩中，所述电磁转矩通过以下计算式获得：

T_e＝P_n(i_qψ_d-i_dψ_q)＝P_n[i_qψ_r+(L_d-L_q)i_di_q]

其中：T_e为所述电磁转矩，L_d定子绕组的d轴电感、L_q为定子绕组的q轴电感，i_d定子绕组的d轴电流、i_q为定子绕组的q轴电流，ψ_d为d轴的磁链、ψ_q为q轴的磁链，ψ_r为转子永磁体产生的磁链，P_n为极对数。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，在所述根据所述电机的转子位置角度和电磁转矩，获得负载转矩的估计值中，通过观测器观测获得所述负载转矩的估计值，所述观测器包括以下计算式：

其中：为负载转矩的估计值，θ_rm为转子位置角度，为转子位置角度的估计值，K₃为第三调节系数，1/s为积分。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，所述转子位置角度θ_rm通过电机编码器获取，且所述转子位置角度的估计值满足如下计算式：

其中：为通过所述观测器观测获得的电机角速度的估计值，为通过自学习获得的负载惯量估计值，为通过自学习获得的转子摩擦系数估计值，K₁为第一调节系数，K₂为第二调节系数。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，所述第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃通过以下步骤调节获得：

给定一所述转子位置角度θ_rm的阶跃信号；

调节所述第二调节系数K₂，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调；

调节所述第一调节系数K₁，直到所述转子位置角度的估计值没有超调；

调节所述第三调节系数K₃，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，所述第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃的初始值为预设范围值，且调节步长为预设值；所述超调为所述转子位置角度的估计值上升过程的最大值与所述阶跃给定的转子位置角度θ_rm的偏差相对于所述转子位置角度θ_rm的比值。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，在所述根据所述负载转矩的估计值获得估算压力时，通过以下计算式获得所述估算压力：

T_L＝0.0159*P*Q

其中：T_L为所述负载转矩即负载转矩的估计值，P为油泵产生的压力即估算压力，Q为油泵排量。

在本发明实施例所述的压力闭环控制方法中，在所述根据所述负载转矩的估计值获得估算压力时，通过以下计算式获得所述估算压力：

F₀＝π*d_L ²*P/4

其中，F₀为轴向力，d_L为注射螺杆直径，P为料筒内的融料产生的压力即估算压力，且所述轴向力F₀通过以下计算式获得：

T_a＝(F₀*L)/(2*π*n1)

其中，T_a为产生轴向力需要的扭矩，L为丝杠导程，n1为丝杠的传动效率；

当传动机构为电机直接驱动丝杠时，所述T_a满足以下计算式：

T_a＝T_L

当传动机构为电机通过皮带轮间接驱动丝杠时，所述T_a满足以下计算式：

T_L＝T_a/i*η_c

其中，T_L为所述负载转矩即负载转矩的估计值，T_a为丝杠扭矩，i为皮带轮的齿轮比，η_c为皮带轮的传输效率。

本发明实施例还提供一种压力闭环控制设备，包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有可在所述处理单元执行的计算机程序，且所述处理单元执行所述计算机程序时实现如上所述的压力闭环控制方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的压力闭环控制方法的步骤。

本发明实施例的压力闭环控制方法、设备及计算机可读存储介质具有以下有益效果：通过使用观测器，采用软件算法，根据电机电流、转子的位置及电磁转矩估算出压力，代替现有技术中采用压力传感器来检测压力，大大简化了硬件系统，降低了成本，提高了可靠性，具有较高的经济价值。

附图说明

图1是现有注塑机的注射系统实施例的示意图；

图2是现有注塑机油缸压力控制设备实施例的示意图；

图3是伺服驱动器内的压力闭环结构框图；

图4是本发明实施例的压力闭环控制方法的流程示意图；

图5是本发明实施例的观测器示意图；

图6是本发明实施例的压力闭环控制方法中第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃的调节流程示意图；

图7是阶跃响应的参考曲线示意图；

图8是本发明实施例的压力闭环控制设备示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的压力闭环控制方法，借助观测器实现压力估计的目的。观测器起源于19世纪60年代，由D.G.吕恩伯格等人提出，通过重构的途径，解决了状态的不能直接量测的问题。如图4所示，是本发明实施例的压力闭环控制方法的流程示意图，该压力闭环控制方法具体包括以下步骤：

步骤S11：根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩。

在该步骤中，通过对电流和电机转子位置的采集，可以得到电机输出的电磁转矩，电磁转矩可分为3部分，第一部分是电机加减速时克服惯量需要的转矩，第二部分为转子旋转时的机械摩擦力，第三部分为负载转矩。当电机的负载为油压时，第三部分就对应油压所需要的转矩；对于注射电机来说，注射压力所对应的转矩即为负载转矩。

例如伺服电机为永磁同步电机时，电磁转矩具体可通过以下计算式获得：

T_e＝P_n(i_qψ_d-i_dψ_q)＝P_n[i_qψ_r+(L_d-L_q)i_di_q] (1)

其中：T_e为电磁转矩，L_d、L_q为定子绕组的d、q轴电感，i_d、i_q为定子绕组的d、q轴电流，ψ_d、ψ_q为d、q轴的磁链，ψ_r为转子永磁体产生的磁链，P_n为极对数。

本实施例以永磁伺服同步电机驱动油泵为例，来说明无传感器压力闭环的实现方案，而针对异步电机驱动油泵，同样可实现无传感器压力闭环，区别在于电磁转矩的计算不同。

步骤S12：根据电机的转子位置角度和电磁转矩，获得负载转矩的估计值。该步骤具体可通过如图5所示的观测器观测获得，并可通过以下计算式获得：

其中：为负载转矩的估计值，θ_rm为转子位置角度且可通过电机编码器获取，为转子位置角度的估计值，K₃为第三调节系数，1/s为积分。

上述转子位置角度的估计值满足如下计算式：

其中：为可通过观测器观测获得的电机角速度的估计值，为可通过自学习获得的负载惯量实际值J近似代替的负载惯量估计值，为可通过自学习获得的转子摩擦系数实际值近似代替的转子摩擦系数估计值，K₁为第一调节系数，K₂为第二调节系数。上述第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃，如图6所示，具体可通过以下步骤调节获得：

步骤S121：给定一转子位置角度θ_rm的从0到1的阶跃信号，如图7所示，为阶跃响应的参考曲线。

步骤S122：调节第二调节系数K₂，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调。第二调节系数K₂的初始值为预设范围值，预设范围值大于等于0，调节步长为预设值，且第二调节系数K₂的初始值和调节步长根据实际效果可调，如果对转子位置角度θ_rm的影响较慢，则可加大调节步长。

上述超调为转子位置角度的估计值上升过程的最大值与阶跃给定的转子位置角度θ_rm的偏差相对于转子位置角度θ_rm的比值。

步骤S123：调节第一调节系数K₁，直到所述转子位置角度的估计值没有超调。第一调节系数K₁的初始值为预设范围值，预设范围值大于等于0，调节步长为预设值，且第一调节系数K₁的初始值和调节步长根据实际效果可调，如果对转子位置角度θ_rm的影响较慢，则可加大调节步长。

步骤S124：调节第三调节系数K₃，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调。第三调节系数K₃的初始值为预设范围值，预设范围值大于等于0，调节步长为预设值，且第三调节系数K₃的初始值和调节步长根据实际效果可调，如果对转子位置角度θ_rm的影响较慢，则可加大调节步长。

步骤S13：根据负载转矩的估计值获得估算压力，并将估算压力与压力指令值叠加后输入到压力调节器。

在注塑机油缸压力控制系统中，根据液压力学相关理论可知，液压马达输出转矩与油泵压力/排量的关系式如下(简称转矩—压力公式)：

T_L＝0.0159*P*Q (4)

其中：T_L为产生压力所需要的转矩，单位为N·m，即上述负载转矩，负载转矩可采用上述观测器获得的负载转矩的估计值；P为油泵产生的压力即估算压力，单位为kg/cm^2；Q为油泵排量，单位为cc/rev。当油泵确定后，油泵排量Q可认为不变，因此负载转矩和压力便互为比例关系。

对于注射电机来说，注射压力所对应的转矩即为负载转矩。注射保压轴向力的计算公式为：

F₀＝π*d_L ²*P/4 (5)

其中，F₀为轴向力，单位为N·m；d_L为注射螺杆直径，单位为m；P为料筒内的融料产生的压力即估算压力，单位为pa。

轴向力F₀转换为丝杠端的扭矩公式为：

T_a＝(F₀*L)/(2*π*n1) (6)

其中，T_a为产生轴向力需要的扭矩，L为丝杠导程，n1为丝杠的传动效率，当系统确定后，L和n1均为常数。

对于传动机构为电机直接驱动丝杠的，T_a即电机的负载转矩T_L，有：

T_a＝T_L (7)

对于传动机构为电机通过皮带轮间接驱动丝杠的，丝杠端的扭矩需要进一步转换到电机端的输出扭矩，电机输出扭矩T_L与丝杠扭矩T_a转换公式如下：

T_L＝T_a/i*η_c (8)

其中，i为皮带轮的齿轮比，η_c为皮带轮的传输效率，当机械结构确定后，i和η_c均为常数。

本实施例以注塑机为例提供了一种压力闭环控制方法，针对油压机/压铸机/折弯机等使用伺服驱动的机械，同样可按本实施例提供的方法实现无传感器压力闭环控制。

本实施例通过使用观测器，采用软件算法，根据电机电流、转子的位置及电磁转矩估算出压力，代替现有技术中采用压力传感器来检测压力，大大简化了硬件系统，降低了成本，提高了可靠性，具有较高的经济价值。

本发明实施例还提供一种压力闭环控制设备9，如图8所示，该压力闭环控制设备9包括存储单元91和处理单元92，存储单元91中存储有可在处理单元92执行的计算机程序，且所述处理单元92执行所述计算机程序时实现如上所述压力闭环控制方法的步骤。本实施例中的压力闭环控制系统9与上述图4对应实施例中的压力闭环控制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述压力闭环控制方法的步骤。本实施例中的计算机可读存储介质与上述图4对应实施例中的压力闭环控制方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种压力闭环控制方法，其特征在于，包括：

根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩；

根据所述电机的转子位置角度和所述电磁转矩，获得负载转矩的估计值；

根据所述负载转矩的估计值获得估算压力，并将所述估算压力与压力指令值叠加后输入到压力调节器。

2.根据权利要求1所述的压力闭环控制方法，其特征在于，在所述根据电机的电流获得电机输出的电磁转矩中，所述电磁转矩通过以下计算式获得：

T_e＝P_n(i_qψ_d-i_dψ_q)＝P_n[i_qψ_r+(L_d-L_q)i_di_q]

其中：T_e为所述电磁转矩，L_d定子绕组的d轴电感、L_q为定子绕组的q轴电感，i_d定子绕组的d轴电流、i_q为定子绕组的q轴电流，ψ_d为d轴的磁链、ψ_q为q轴的磁链，ψ_r为转子永磁体产生的磁链，P_n为极对数。

3.根据权利要求1所述的压力闭环控制方法，其特征在于，在所述根据所述电机的转子位置角度和电磁转矩，获得负载转矩的估计值中，通过观测器观测获得所述负载转矩的估计值，所述观测器包括以下计算式：

其中：为负载转矩的估计值，θ_rm为转子位置角度，为转子位置角度的估计值，K₃为第三调节系数，1/s为积分。

4.根据权利要求3所述的压力闭环控制方法，其特征在于，所述转子位置角度θ_rm通过电机编码器获取，且所述转子位置角度的估计值满足如下计算式：

其中：为通过所述观测器观测获得的电机角速度的估计值，为通过自学习获得的负载惯量估计值，为通过自学习获得的转子摩擦系数估计值，K₁为第一调节系数，K₂为第二调节系数。

5.根据权利要求4所述的压力闭环控制方法，其特征在于，所述第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃通过以下步骤调节获得：

给定一所述转子位置角度θ_rm的阶跃信号；

调节所述第二调节系数K₂，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调；

调节所述第一调节系数K₁，直到所述转子位置角度的估计值没有超调；

调节所述第三调节系数K₃，直到所述转子位置角度的估计值有10％的超调。

6.根据权利要求5所述的压力闭环控制方法，其特征在于，所述第一调节系数K₁、第二调节系数K₂、第三调节系数K₃的初始值为预设范围值，且调节步长为预设值；所述超调为所述转子位置角度的估计值上升过程的最大值与所述阶跃给定的转子位置角度θ_rm的偏差相对于所述转子位置角度θ_rm的比值。

7.根据权利要求1所述的压力闭环控制方法，其特征在于，在所述根据所述负载转矩的估计值获得估算压力时，通过以下计算式获得所述估算压力：

T_L＝0.0159*P*Q

其中：T_L为所述负载转矩即负载转矩的估计值，P为油泵产生的压力即估算压力，Q为油泵排量。

8.根据权利要求1所述的压力闭环控制方法，其特征在于，在所述根据所述负载转矩的估计值获得估算压力时，通过以下计算式获得所述估算压力：

F₀＝π*d_L ²*P/4

其中，F₀为轴向力，d_L为注射螺杆直径，P为料筒内的融料产生的压力即估算压力，且所述轴向力F₀通过以下计算式获得：

T_a＝(F₀*L)/(2*π*n1)

其中，T_a为产生轴向力需要的扭矩，L为丝杠导程，n1为丝杠的传动效率；

当传动机构为电机直接驱动丝杠时，所述T_a满足以下计算式：

T_a＝T_L

当传动机构为电机通过皮带轮间接驱动丝杠时，所述T_a满足以下计算式：

T_L＝T_a/i*η_c

其中，T_L为所述负载转矩即负载转矩的估计值，T_a为丝杠扭矩，i为皮带轮的齿轮比，η_c为皮带轮的传输效率。

9.一种压力闭环控制设备，其特征在于，包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有可在所述处理单元执行的计算机程序，且所述处理单元执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一项所述的压力闭环控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述压力闭环控制方法的步骤。