CN201471698U - 注塑机节能伺服液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统，本系统有N个包括伺服控制器、伺服电机和油泵、单向阀的支路，各支路汇总接入注塑机液压回路。主控模板接上位总控计算机并连接各伺服控制器。各电机装有与其伺服控制器相连接的测速元件，主伺服控制器的转速反馈信号接入控制单元，液压回路有压力传感器。其上位机根据注塑流程提供流量和压力设定信号，本系统按上位机指令和转速和压力反馈信号，得到流量和压力的调节信号，求得启动的电机数和电机转速，控制多泵协同工作，使液压回路的总流量跟随流量设定信号、总压力跟随压力设定信号。本实用新型满足设备大功率和小功率运行要求，控制精确、敏捷，节能明显。

Description

注塑机节能伺服液压控制系统

(一)技术领域

本实用新型涉及注塑机技术领域，具体为一种多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统。

(二)背景技术

注塑机的液压系统包括电动机及其带动的油泵，控制电动机的转速即可控制油泵的转速，进而控制液压回路的压力或流量，达到操控注塑机各机构的目的。

早期是用异步电动机直接驱动油泵，这种注塑机液压系统难以节能。后采用变频器控制异步电动机，虽然有一定的节能效果，但普通异步电机耗能高，注塑响应速度慢，效率低。且注射的重复精度低。特别是低转速时无法实现节能控制。

近期的注塑机液压系统采用“伺服电机+控制器”驱动油泵，获得很好的节能效果和控制精度，正广泛应用。例如申请号为200610155035.8的发明专利申请“伺服节能注塑机”、申请号为200420110348.8的实用新型专利“一种采用交流伺服控制液压变量型注塑机”、申请号为200520058838.2的实用新型专利“注塑机油压伺服控制装置”、申请号为200520056512.6的实用新型专利“伺服控制高效节能全闭环注塑机”等。

申请号为200710069994.2的发明专利申请“注塑机的伺服节能控制系统”采用压力传感器检测油路压力、转速传感器检测电机转速，检测信号经处理后直接输出给伺服控制器，控制电机的扭矩和转速，即控制油泵泵出的液体压力和流量。电机、检测部件和油泵之间形成了闭环系统，有较好的节能效果。

但是，为了保证较大的工作流量、压力和机构运行速度，这类的注塑机液压系统需要配备单位转速流量较大的油泵，因而与油泵配套的电机及其驱动器的功率容量也需要加大。目前普通大功率电子开关模块的电流等级难以达到所需大小，受其制约，大功率的伺服控制器价格较高，因而液压控制系统的成本上升。另外当注塑机处于保压阶段时，液压回路液体泄漏很少，油泵只需要泵出很少流量便可维持液压系统的压力稳定；但单位转速流量较大的油泵即使在最低转速其泵出的流量也已大于液压回路泄漏的流量，会导致液压系统压力上升、影响注塑质量。为了避免液压系统压力过大，通常的做法是在液压回路上安装泄流阀泄压，造成能量的浪费。即使容忍注塑机在保压状态时液压回路中压力上升的影响，此时电机工作在低转速、大扭矩状态下运转，耗电也很大。

因此构建更节能、经济的大型注塑机的液压控制系统，是目前注塑机液压控制技术的研究焦点。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统，设备成本低、控制精确，节能效果好。

本实用新型设计的多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统包括液压回路、给液压回路提供压力的油泵和驱动油泵的电机及控制电机的控制单元，其不同之处在于，其包括N个电机油泵支路，N为2～20的正整数，N的大小由注塑机工艺要求的液压回路的流量和压力决定；每个支路包括伺服控制器、伺服电机和油泵、单向阀；每个支路的伺服控制器连接伺服电机，伺服电机连接油泵，油泵入口外连油箱、出口接有单向阀，单向阀后的N个油泵出口汇总接入注塑机的液压回路；N个支路中其一伺服控制器为主伺服控制器，其所接电机为主电机，其余伺服控制器为从伺服控制器。主控模板有控制单元、主设定单元、从设定信号分配单元、使能控制单元；控制单元分别与主设定单元、使能控制单元连接；主控模板的控制单元和使能控制单元外连上位总控计算机，接受上位总控计算机的对注塑机液压系统的主设定信号和使能信号，主设定信号为流量设定信号Q(t)，即按注塑机的工作程序在不同时间t给出相应的流量设定值Q(t)。使能控制单元与N个支路的伺服控制器连接，主设定单元连接主伺服控制器和从设定信号分配单元，从设定信号分配单元与各从伺服控制器连接。

使能控制单元预存有主设定信号与启动泵数量的对应关系，取决于主设定流量设定信号范围、油泵的参数、注塑机性能，从试验获得，使能控制单元存有根据流量信号获得启动泵数量n(t)的程序，使能控制单元使主伺服控制器的使能信号总有效，并向相应的油泵发使能控制信号；

从设定信号分配单元存有各个支路电机伺服控制器的转速设定信号与主电机伺服控制器转速设定信号的比例，并有按主设定单元输出的主设定信号和上述的设定比例求得各伺服控制器转速从设定信号的程序。

本控制系统主控模板的控制单元有流量闭环运算功能块，该模块内有主电机转速、启动泵的数量与液压回路流量对应关系数据；对应关系数据取决于液压回路的流量要求和油泵的性能，从试验获得。该流量闭环运算功能块还有将流量信号换算为主电机转速设定信号W_Q1的程序。

控制单元还可有压力闭环运算功能块，上位总控计算机的主设定信号还有压力信号，即按注塑机的工作程序在不同时间t给出相应的压力设定值P(t)，压力闭环运算功能块内有根据压力信号求得主电机转速设定信号W_P1的程序。主设定单元有控制模式选择功能块，该模块有选择根据流量信号得到的主电机转速设定信号或者根据压力信号得到的主电机转速设定信号作为主伺服控制器的主电机转速设定信号的选择程序。

本控制系统各电机安装有测速元件，各测速元件与其伺服控制器相连接，主伺服控制器的转速反馈信号接入控制单元。控制单元的流量闭环运算功能块还存有根据上位总控计算机的流量设定信号和主电机的转速信号运算、求得流量调节信号的程序。

本控制系统液压回路还可安装有压力传感器，压力传感器与控制单元连接。控制单元的压力闭环运算功能块还有根据上位总控计算机的压力设定信号和压力传感器的压力反馈信号运算、求得压力调节信号的程序。

主设定单元有控制模式选择功能块，依据预存的选择程序选择流量调节或压力调节的信号作为主伺服控制器的转速设定信号、使本控制系统工作于流量闭环模式或压力闭环模式。

主控模板根据上位总控计算机的主设定信号和使能信号，向各支路的伺服控制器发出指令使其作速度闭环工作，并构成流量或压力大闭环，实现多泵合流。

本实用新型设计的多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统的控制方法为：

I、上位总控计算机依据注塑过程的需要，向主控模板的控制单元发送流量设定信号Q(t)，向主控模板的使能控制单元发送使能控制信号；

II、主控模板的使能控制单元向主伺服控制器发送指令，使主伺服控制器的使能信号总有效；

III、控制单元根据存储程序按主设定信号Q(t)得到主电机的转速设定信号，送入主设定单元和使能控制单元；

IV、主设定单元将按主设定信号Q(t)和主伺服控制器的转速反馈信号及其与流量的对应关系得到主电机的转速设定信号送达主伺服控制器和从设定信号分配单元；

V、使能控制单元由控制单元的主设定信号Q(t)得到此时应开启的泵数量n(t)，向各支路相关从伺服控制器发送使能信号；

VI、从设定信号分配单元以主电机的转速设定信号作为输入信号，根据所存各伺服控制器的转速设定信号与主伺服控制器转速设定信号的比例，求得各伺服控制器的转速从设定信号并送入各伺服控制器；

VII、各支路伺服控制器按设定信号控制电机及油泵运行。

当本控制系统各电机安装有测速元件、各测速元件与其伺服控制器相连接时，各电机的测速元件将转速信号反馈到其伺服控制器，各伺服控制器按原转速设定信号调节电机转速，各伺服控制器、电机及测速元件按速度闭环模式运行。

当主伺服控制器的转速反馈信号接入控制单元且控制单元的流量闭环运算功能块还存有根据上位总控计算机的流量设定信号和主电机的转速信号运算、求得流量调节信号的程序时，本系统可按流量闭环模式运行：

控制单元的流量闭环运算功能块由上位总控计算机动态获得当前Q(t)，并从主伺服控制器动态获得当前主电机转速信号W1，并依据预存的主电机转速W1与液压回路总流量的对应关系获得流量反馈信号，按公知的控制闭环原理计算求得流量调节信号Q′(t)；控制单元以Q′(t)为设定信号计算主电机转速调节信号W_Q1作为主设定信号送入主设定单元，；控制单元将Q′(t)送至使能控制单元，使能控制单元根据Q′(t)得到启动泵的数量n′(t)，向各支路相应伺服控制器发出使能信号。从设定信号分配单元按当前的主设定信号W_Q1向相应支路伺服控制器发送转速从设定信号。主控模板的控制单元通过主伺服驱动器的动态读取当前主电机的转速W1，获得流量反馈信号。当流量反馈信号等于原设定信号Q′(t)时，维持当前主电机转速W1；当流量反馈信号大于或小于设定值Q′(t)时，控制单元的流量闭环运算功能块减小或增加Q′(t)的值，主电机的转速设定值W_Q1相应减小或增加，各支路流量相应减小或增加、总流量随之减小或增加，如此周而复始；多泵协同运行，使总流量跟随流量设定信号，实现流量闭环控制。与此同时，使能控制单元动态读取当前的Q′(t)的值，得到动态的n′(t)发出相应的使能信号，使得相应支路的油泵投入或退出工作。

当本控制系统主控模板的控制单元还有压力闭环运算功能块，液压回路安装有压力传感器时，上位总控计算机的主设定信号还有压力设定信号P(t)，主设定单元有控制模式选择功能块，该模块有选择根据流量信号得到的主电机转速设定信号W_Q1或者压力信号得到的主电机转速设定信号W_P1作为主伺服控制器的主电机转速设定信号的选择程序，该选择程序为选择W_Q1和W_P1中与前一时刻比较变化小的作为主伺服控制器的转速设定信号，本系统还可按流量闭环模式和压力闭环模式运行：

控制单元的压力闭环运算功能块由上位总控计算机动态获得当前P(t)，并从压力传感器动态获得液压回路的压力反馈信号，按公知的控制闭环原理计算求得压力调节信号P′(t)，控制单元以P′(t)为设定信号计算主电机转速调节信号W_P1送入主设定单元。主设定单元的选择程序从转速设定调节信号W_Q(t)和W_P(t)中动态选择与前一时刻比较变化小的作为主伺服控制器的转速设定信号，并送达主伺服控制器和从设定信号分配单元。

从设定信号分配单元依据当前的主设定信号W_Q(t)或W_P(t)求得各伺服控制器转速设定信号，并送达相应的支路的伺服控制器控制其作压力闭环运行。

主控模板的控制单元通过压力传感器动态读取压力反馈信号。当压力反馈信号等于设定信号时，维持当前P′(t)值；当压力反馈信号大于或小于设定值时，控制单元的压力闭环运算功能块减小或增加P′(t)的值，相应主电机的转速设定值减小或增加，各支路电机的转速设定值相应减小或增加，各支路流量相应减小或增加、总压力随之减小或增加，如此周而复始；多泵协同运行，使总压力跟随压力设定信号P(t)，实现压力闭环控制。与此同时，使能控制单元动态读取当前的P′(t)的值，并根据P′(t)的值与启动泵的对应关系得到n′(t)，动态发出相应的使能信号，使得相应支路的油泵投入或退出工作。

上位总控计算机是根据注塑工艺过程提供Q(t)和P(t)设定信号，本多泵合流控制系统控制多泵协同工作，实现Q(t)或P(t)的闭环控制，即能实现总控计算机期望的工艺过程。

本注塑机节能伺服液压控制系统的优点为：1、采用多套伺服控制装置，分为主、从结构，形成多泵合流的系统，能同时满足设备大功率运行和小功率运行的要求；2、配置有压力闭环控制和流量闭环控制，控制精确、敏捷；3、无需大功率驱动设备，成本大幅降低；4、注塑机的保压阶段只有一台电机和油泵保证液压回路的压力，液压回路不会过大，且节能效果明显。

(四)附图说明

图1为本注塑机节能伺服液压控制系统实施例的结构示意图；

图中标记为：1、主控模板；2、测速元件；3、单向阀；4、液压回路；

(五)具体实施方式

本实用新型多泵合流的注塑机节能伺服液压控制系统实施例如图1所示，由4个支路组成；每个支路包括伺服控制器、相同规格的伺服电机和测速元件2、油泵、单向阀3；测速元件2安装于各伺服电机，并与各伺服控制器连接，各伺服控制器、伺服电机和测速元件2构成公知的速度闭环系统；每个支路伺服电机连接油泵、油泵入口外连油箱、各油泵出口安装单向阀3，4个油泵单向阀3后的出口汇总接入注塑机的液压回路4；液压回路4装有压力传感器；1号伺服控制器为主伺服控制器、2-4号为从伺服控制器；主伺服控制器所接电机为主电机。各电机安装有测速元件2，各测速元件2与其伺服控制器相连接。

主控模板1有控制单元、主设定单元、从设定信号分配单元、使能控制单元；控制单元分别与主设定单元、使能控制单元连接。主控模板1的控制单元和使能控制单元外连上位总控计算机，接受上位总控计算机的主设定信号流量Q(t)和压力P(t)，还有使能信号。使能控制单元与4个支路的伺服控制器连接，主设定单元连接主伺服控制器和从设定信号分配单元，从设定信号分配单元与各从伺服控制器连接。主伺服控制器的转速反馈信号接入控制单元。液压回路4安装的压力传感器与控制单元连接。

本控制系统主控模板1的控制单元有流量闭环运算功能块，该模块内有主电机转速、启动泵的数量与液压回路4流量对应关系数据；对应关系数据取决于液压回路4的流量要求和油泵的性能，从试验获得。本例中此关系数据如表1所示：

表1

主电机实际转速	油泵1	油泵2	油泵3	油泵4	液压回路总流量
						W1	工作	停机	停机	停机	W1*k1
W1	工作	工作	停机	停机	W1*k2
						W1	工作	工作	工作	停机	W1*k3
W1	工作	工作	工作	工作	W1*k4

控制单元的流量闭环运算功能块还有根据主电机反馈的当前转速信号W1按表1运算、求值得到当前液压回路4的流量反馈值并与上位总控计算机的流量设定信号Q(t)比较求得流量调节信号Q′(t)并换算为主电机转速调节信号W_Q1的程序。

控制单元的压力闭环运算功能块有根据上位总控计算机的压力设定信号P(t)和压力传感器的压力反馈信号运算、求得压力调节信号P′(t)并换算为主电机转速调节信号W_P1的程序。主设定单元有控制模式选择功能块，该模块有选择W_Q1或W_P1变化较小的作为主伺服控制器的转速信号的选择程序。

从设定信号分配单元存有各个支路电机伺服控制器的转速设定信号与主电机伺服控制器转速设定信号的比例，并有按主设定信号和上述的设定比例求得各伺服控制器转速从设定信号的程序。本例中各伺服控制器转速从设定信号与主伺服控制器转速设定信号的比例如表2：

表2各伺服控制器转速设定信号与主伺服控制器转速设定信号的比例

主伺服控制器的转速信号	主设定信号	伺服控制器2的转速从设定信号	伺服控制器3的转速从设定信号	伺服控制器4的转速从设定信号
					WQ1或WP1	WQ1或WP1	α2*WQ1或WP1	α3*WQ1或WP1	α4*WQ1或WP1

表2中α_2-4为设定比例系数，取决于液压回路4的流量或压力要求和油泵的性能，从试验获得。本例中取α₂＝1，α₃＝α₄＝0.9。

使能控制单元预存有主设定信号与启动泵数量的对应关系，取决于主设定流量信号范围、油泵的参数、注塑机性能，从试验获得，见表3；使能控制单元有根据流量调节信号Q′(t)获得启动泵数量n′(t)的程序，当上位总控计算机使能信号有效时，向相应的油泵发使能控制信号；

表3

流量调节信号Q′(t)	油泵1	油泵2	油泵3	油泵4	泵启动数量
						Q′(t)≤1.0V	工作	停机	停机	停机	单泵
1.0V＜Q′(t)≤5.0V	工作	工作	停机	停机	双泵合流
						5.0V＜Q′(t)≤8.0V	工作	工作	工作	停机	三泵合流
Q′(t)＞8.0V	工作	工作	工作	工作	四泵合流

主控模板1根据主/从设定信号和使能信号，向各支路的伺服控制器发出指令使其作速度闭环工作，构成流量闭环控制或压力闭环控制，实现多泵合流。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.注塑机节能伺服液压控制系统，包括液压控制回路、给液压回路提供压力的油泵和驱动油泵的电机及控制电机的控制单元，其特征在于：

本系统包括N个电机油泵支路，N为2～20的正整数，每个支路包括伺服控制器、伺服电机和油泵、单向阀(3)；每个支路的伺服控制器连接伺服电机，伺服电机连接油泵，油泵入口外连油箱、出口接有单向阀(3)，单向阀(3)后的N个油泵出口汇总接入注塑机的液压回路(4)；N个支路中其一伺服控制器为主伺服控制器，其所接电机为主电机，其余伺服控制器为从伺服控制器；主控模板(1)有控制单元、主设定单元、从设定信号分配单元、使能控制单元；控制单元分别与主设定单元、从设定信号分配单元和使能控制单元连接；主控模板(1)的控制单元和使能控制单元外连上位总控计算机，接受上位总控计算机的对注塑机液压系统的主设定信号流量设定信号Q(t)以及使能信号；使能控制单元与N个支路的伺服控制器连接，主设定单元连接主伺服控制器和从设定信号分配单元，从设定信号分配单元与各从伺服控制器连接；

所述使能控制单元预存有主设定信号与启动泵数量的对应关系，还存有根据流量设定信号Q(t)获得启动泵数量n(t)的程序；

所述从设定信号分配单元存有各个支路电机伺服控制器的转速设定信号与主电机伺服控制器转速设定信号的比例，并有按主设定信号和上述的设定比例求得各伺服控制器转速从设定信号的程序；

所述控制单元有流量闭环运算功能块，该模块内有主电机转速、启动泵的数量与液压回路(4)流量对应关系数据，还有将流量信号换算为主电机转速设定信号W_Q1的程序。

2.根据权利要求1所述的注塑机节能伺服液压控制系统，其特征在于：

所述各支路电机安装有测速元件(2)，各测速元件(2)与其伺服控制器相连接。

3.根据权利要求2所述的注塑机节能伺服液压控制系统，其特征在于：

所述主伺服控制器的转速反馈信号接入控制单元，控制单元的流量闭环运算功能块还存有根据上位总控计算机的流量设定信号和主电机的转速信号运算、求得流量调节信号的程序。

4.根据权利要求3所述的注塑机节能伺服液压控制系统，其特征在于：

所述液压回路(4)安装有压力传感器，压力传感器与控制单元连接；所述控制单元还有压力闭环运算功能块，此模块有根据上位总控计算机的压力设定信号P(t)和压力传感器的压力反馈信号运算、求得压力调节信号的程序，并有根据压力信号求得主电机转速设定信号W_P1的程序；

所述主设定单元有控制模式选择功能块，该模块有选择根据流量信号或压力信号得到的主电机转速设定信号作为主伺服控制器的主电机转速设定信号的选择程序，该选择程序为选择W_Q1和W_P1中与前一时刻比较变化小的作为主伺服控制器的转速设定信号。

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