CN201754235U - 电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，包括料斗、机筒、螺杆、滚珠丝杆、射胶电机、熔胶电机与伺服控制系统，所述料斗设在机筒上，螺杆设在机筒内，滚珠丝杆与螺杆通过轴承连接并且连接处设有压力传感器，射胶电机通过射胶螺母与滚珠丝杆连接，熔胶电机通过熔胶螺母与螺杆连接，伺服控制系统连接控制射胶电机和熔胶电机。本实用新型控制精度高、塑料熔融体塑化质量好。

Description

电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动注塑机领域，具体涉及一种电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统。

背景技术

塑胶注射成型机是将热塑性塑胶或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型设备。一台通用型塑胶注射成型机(下简称注塑机)其工作过程如下：粒状或粉状塑胶从注塑机的料斗被送进已加热了的具有一定温度的机筒中，经过加热熔化呈流动状态后，由螺杆推动而通过机筒前端的喷嘴，并注入温度较低的闭合塑模中，塑料熔料在受压的情况下，经过冷却固化后即成为塑胶制品。

通用注塑机主要包括四大部分：注射部分、合模部分、伺服电机动力系统、电脑面板控制系统。

电动式注塑机是用交流伺服电动机，配以滚珠丝杠、齿形带轮等元器件来驱动各个机构的注塑机，根本的特点是所有驱动模块全为电动式。全电动式注塑机是电动式注塑机的主要机型，其注塑装置中的各机构(注射、塑化、计量和射台移动等)及合模装置的各机构(开合模、锁模、顶出等)全部采用伺服电动机驱动。

液压注塑机塑化过程是这样的，液压马达带动螺杆转动，机筒的螺杆通过旋转将料斗塑料颗粒向螺杆槽碾压向前推送加热融化塑料，塑料不断往螺杆头部输送，聚集在机筒的存料区熔融塑料产生一定的压力，推动螺杆退后。由于液压注塑机螺杆熔胶计量质量差，与本实用新型电动注塑机比较存在如下缺点：液压注塑机熔胶计量精度没有电动注塑机熔胶计量精度高，无法保证塑料在螺杆塑化质量需要的一定时间和温度延展，无法使塑料达到质量高的熔融体，无法使熔融体塑化质量好的塑料注射到模具流动达到冲模高质量注塑件。液压注塑机熔胶螺杆背压靠射胶油缸产生需要射胶背压阻止螺杆往后退，这个后退移动位移与螺杆旋转速度有一定关系，塑化函数关系是：塑料在机筒加热过程中，螺杆旋转速度产生后退力与注射油缸向前顶推力(即塑化背压)三者力的平衡方程，使到螺杆塑化达到注射模具需要的塑料熔融体质量。液压注塑机无法高精度的调节螺杆旋转速度、螺杆后退力、注射油缸顶推力三者的平衡关系。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种控制精度高、塑料熔融体塑化质量好的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：本电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：包括料斗、机筒、螺杆、滚珠丝杆、射胶电机、熔胶电机与伺服控制系统，所述料斗设在机筒上，螺杆设在机筒内，滚珠丝杆与螺杆通过轴承连接并且连接处设有压力传感器，射胶电机通过射胶螺母与滚珠丝杆连接，熔胶电机通过熔胶螺母与螺杆连接，伺服控制系统连接控制射胶电机和熔胶电机。

作为一种优选的结构，所述射胶电机与射胶螺母通过齿形皮带连接，熔胶电机与熔胶螺母通过齿形皮带连接。

作为一种优选，所述射胶电机和熔胶电机采用交流永磁同步电机，交流永磁同步电机均采用圆筒型转子，定子与转子之间的气隙均匀。

更加具体的，所述伺服控制系统包括电脑控制器、PLC控制器和DSP控制器，电脑控制器、PLC控制器通过CAN网络和DSP控制器连接通讯，DSP控制器连接控制射胶电机和熔胶电机。

更加具体的，所述DSP控制器的SCI模块连接压力传感器，DSP控制器的JTAG模块连接控制仿真器LED灯，DSP控制器的I/O模块连接控制伺服电机报警输出定位完成信号LED灯，DSP控制器的2个EVA/B模块连接外部PWM单元，外部PWM单元通过IPM功率驱动板分别与射胶电机、熔胶电机连接，射胶电机与熔胶电机分别通过电流传感器给DSP控制器的ADC模块反馈电流信号，射胶电机与熔胶电机分别通过码盘给DSP控制器的QEP模块反馈信号。

上述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统的控制方法：

射胶过程为：熔胶电机不工作，射胶电机开动，带动射胶螺母转动，且射胶电机和射胶螺母位置不移动，射胶螺母带动滚珠丝杆往前推进，同时滚珠丝杆推动螺杆、熔胶螺母、熔胶电机前进，直至射胶过程结束，射胶电机停机；

熔胶过程为：

第一步：熔胶电机开动，熔胶电机带动熔胶螺母转动，熔胶螺母带动螺杆转动，螺杆与滚珠丝杆连接处装有轴承，使得螺杆可以自由转动而不会带动滚珠丝杆转动；

第二步：螺杆通过旋转将物料边向前推送边加热融化物料，物料不断往螺杆头部输送，聚集在机筒的存料区的熔融物料产生一定的压力，压力越来越大，推动螺杆，但由于滚珠丝杆顶紧螺杆，螺杆不能直接后退，而是使螺杆与滚珠丝杆之间的压力越来越大，此时，位于螺杆与滚珠丝杆连接处的压力传感器把压力测量值传送到DSP控制器；

第三步：DSP控制器与压力设定值进行比较；

第四步：当压力传感器的测量值超过设定值时，DSP控制器控制射胶电机和射胶螺母开始反转，且射胶电机和射胶螺母位置不移动，滚珠丝杆按照设定的速度往后退，螺杆也往后退，熔胶螺母和熔胶电机一边驱动螺杆一边也往后退，但是滚珠丝杆对螺杆保持一定的压力；

第五步：直至满足设定的后退位移，完成注射量和滚珠丝杆的复位，射胶电机、熔胶电机停机，为下一次射胶做准备。

所述熔胶过程中：螺杆后退的运动函数方程为：

M：螺杆、熔胶螺母、熔胶电机的总重量(N)，g：重力加速度(m/s²)，v：螺杆后退速度(m/s)，F_a：熔融物料产生的压力(N)，F_B：滚珠丝杆的阻力(N)，F_L：熔融物料的反作用力(N)，f：摩擦力(N)。

所述熔胶过程中：熔胶电机和射胶电机的电流关系为：

电流环开环传递函数为：

K_v为外部PWM单元的逆变器电压放大倍数，K_m为电流反馈系数，T_v为逆变器时间常数，T_v＝1/f_v，f_v为逆变器工作频率，s为微分，两个电机电枢回路由电阻R和电感L组成，也为一阶惯性环节，T_oi为电流采样滤波时间常数，

其中，T_oi和T_v均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_ov＝T_oi+T_v。又T_L＝L/R为电机电枢回路时间常数，上式等效为：

电机的PI调节器把电流校正为具有较好动态性能的I型系统，调节器传递函数为

K_p，τ_c分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数，

为满足电流环响应的快速性，以电流环PI调节器的零点消去被控对象的大时间常数的极点，取τ_c＝L/R＝T_L，因此经PI调节器校正后的电流环开环传递函数为

上式可以简化为一个典型I型系统：

其中K＝K_pK_v/(Rτ_c)；

则电流环闭环传递函数为：

$C\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}$

$=\frac{K_v{K}_p{K}_m}{{\mathrm{\τ}}_{c}s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K_v{K}_p{K}_m}$

$=\frac{K}{s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K}$

$=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

ωn为截止频率，按照二阶系统最佳性能指标，取阻尼比ξ＝0.707，即

可求得K，又τ_c＝L/R＝T_D，从而确定K_p，τ_c。

所述电流环是速度环的内环，在得到电流环的传递函数的情况下，

速度环闭环传递函数：

β是电压矢量，K_fn为速度反馈系数，T_m为电机机电时间常数，K_Φ为电机电势系数，

T_on为转速反馈滤波时间常数。

T_l和T_on均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_fs＝T_l+T_on的惯性环节，则速度环控制对象为：

$C_i\left(s\right)=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}/T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{\mathrm{on}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}$

为了实现转速无静差、有较好的抗扰动性能，选择将速度环校正为典型的II型系统，速度环调节器为PI调节器，传递函数为

可得，经PI调节器调节后的速度环开环传递函数为：

$C_s\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{ps}}({\mathrm{\τ}}_{s}s+1)K_c}{{\mathrm{\τ}}_{s}J{s}^2(2T_{\mathrm{fs}}s+1),}$

Kc为比例系数，为定值，J为电机的转子惯量，为定值，

经过PI调节器校正后，速度环为典型的II型系统，速度环开环传递函数为：

其中，K_N＝K_onK_ps/τ_s为速度环开环放大倍数，定义开环幅频特性中频段宽度为h＝τ_s/T_fs，其决定着典型II型系统的动态性能指标，h增大超调量减小，但调节时间随h的变化不是单调的，当h＝5时调节时间最短，动态响应最快，再选择合适的截止频率ω_n，从而可计算出τ_s和K_ps：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_s=h*T_{\mathrm{fs}}\\ K_{\mathrm{ps}}=\frac{h+1}{2h}*\frac{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{T_{\mathrm{fs}}{K}_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}\end{array}\right.$

所述速度环的时间周期和增益为τ_W和K_W，位置控制环采用比例调节器，比例调节器数值设为K_θ，位置环的闭环传递函数为：

$G_p\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}^{*}}=\frac{K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}{s^2+s/{\mathrm{\τ}}_W+K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}$

θ为位置反馈，θ^*为位置给定，设位置环增益为K_p＝K_θK_W，则上式为：

其中， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{K_p{\mathrm{\τ}}_W}},$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K_p}{{\mathrm{\τ}}_W}}$

因位置伺服系统要求快速响应且无超调，所以应使位置伺服系统处于临界阻尼状态或欠阻尼状态，当校正后速度环节的截止频率f_W＝1/τ_W确定后，可由ξ≥1确定：K_p≤1/(4τ_W)，因此，K_p＝1/(4τ_W)为最优位置控制环增益。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

1、本实用新型的电动注塑机在熔胶过程中，依靠DSP控制器对射胶电机和射胶螺母的转速进行精密控制，螺杆后退的速度和位移通过滚珠丝杆得到精密控制，而不让螺杆后退速度过快或者过慢。本电动注塑机控制系统的熔胶计量质量好，熔胶计量精度高，使塑料在熔胶过程塑化设定的时间和温度，使塑料达到塑化质量高的熔融体，塑化质量好的熔融体注射到模具流动达到冲模高质量注塑件。

2、本实用新型的控制系统，塑料在机筒加热过程中，精密的控制螺杆塑化后退移动速度，精确的调节螺杆旋转速度、螺杆后退力、注射油缸顶推力(即塑化背压)三者的平衡方程关系，使到螺杆塑化达到注射模具需要的塑料熔融体质量。

3、熔胶计量、射胶电机产生背压压力、熔胶电机转速等动作采用高精度丝杆螺母，即射胶螺母、熔胶螺母采用高精度丝杆螺母，熔胶计量位移精度0.01mm。

4、熔胶电机、射胶电机采用压力传感器闭环力矩控制，使到控制背压取得稳定的精密注塑。

5、射胶电机及熔胶电机采用同步带轮及齿形皮带传动，结构简单、安装方便、传动精度高，噪声低。

附图说明

图1是本实用新型的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统的结构示意图(熔胶完毕)。

图2是本实用新型的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统的结构示意图(射胶完毕)。

图3是伺服控制系统的框图。

图4是DSP控制器的模块图。

图5是射胶过程控制原理图。

图6是熔胶过程控制原理图。

图7是以熔胶电机和射胶电机为对象的配合控制框图。

图8是交流伺服系统三闭环控制结构图。

图9是电流环动态结构图。

图10是速度环结构图。

图11是交流伺服位置系统等效结构图。

图12是全电动注塑机伺服控制系统结构图。

图13是伺服控制系统采用典型的电压源型交-直-交变频电路的主电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，包括料斗1、机筒2、螺杆3、滚珠丝杆4、射胶电机5、熔胶电机6与伺服控制系统，所述料斗设在机筒上，螺杆设在机筒内，滚珠丝杆与螺杆通过轴承连接并且连接处设有压力传感器，射胶电机通过射胶螺母7与滚珠丝杆连接，熔胶电机通过熔胶螺母8与螺杆连接，伺服控制系统连接控制射胶电机和熔胶电机。

射胶电机与射胶螺母通过齿形皮带9连接，熔胶电机与熔胶螺母通过齿形皮带9连接。

射胶电机和熔胶电机采用交流永磁同步电机，交流永磁同步电机均采用圆筒型转子，定子与转子之间的气隙均匀。

如图3所示，伺服控制系统包括电脑控制器、PLC控制器和DSP控制器，电脑控制器、PLC控制器通过CAN网络和DSP控制器连接通讯，DSP控制器连接控制射胶电机和熔胶电机。

如图4所示，DSP控制器(本实施例中，DSP控制器采用TMS320F2833X芯片)的SCI模块连接压力传感器，DSP控制器的JTAG模块连接控制仿真器LED灯，DSP控制器的I/O模块连接控制伺服电机报警输出定位完成信号LED灯，DSP控制器的2个EVA/B模块连接外部PWM单元，外部PWM单元通过IPM功率驱动板分别与射胶电机、熔胶电机连接，射胶电机与熔胶电机分别通过电流传感器给DSP控制器的ADC模块反馈电流信号，射胶电机与熔胶电机分别通过码盘给DSP控制器的QEP模块反馈信号。

上述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统的控制方法：

射胶过程为：熔胶电机不工作，射胶电机开动，带动射胶螺母转动，且射胶电机和射胶螺母位置不移动，射胶螺母带动滚珠丝杆往前推进，同时滚珠丝杆推动螺杆、熔胶螺母、熔胶电机前进，直至射胶过程结束，射胶电机停机；

熔胶过程为：

第一步：熔胶电机开动，熔胶电机带动熔胶螺母转动，熔胶螺母带动螺杆转动，螺杆与滚珠丝杆连接处装有轴承，使得螺杆可以自由转动而不会带动滚珠丝杆转动；

第二步：螺杆通过旋转将物料边向前推送边加热融化物料，物料不断往螺杆头部输送，聚集在机筒的存料区的熔融物料产生一定的压力，压力越来越大，推动螺杆，但由于滚珠丝杆顶紧螺杆，螺杆不能直接后退，而是使螺杆与滚珠丝杆之间的压力越来越大，此时，位于螺杆与滚珠丝杆连接处的压力传感器把压力测量值传送到DSP控制器；

第三步：DSP控制器与压力设定值进行比较；

第四步：当压力传感器的测量值超过设定值时，DSP控制器控制射胶电机和射胶螺母开始反转，且射胶电机和射胶螺母位置不移动，滚珠丝杆按照设定的速度往后退，螺杆也往后退，熔胶螺母和熔胶电机一边驱动螺杆一边也往后退，但是滚珠丝杆对螺杆保持一定的压力；

第五步：直至满足设定的后退位移，完成注射量和滚珠丝杆的复位，射胶电机、熔胶电机停机，为下一次射胶做准备。

所述熔胶过程中：螺杆后退的运动函数方程为：

M：螺杆、熔胶螺母、熔胶电机的总重量(N)，g：重力加速度(m/s²)，v：螺杆后退速度(m/s)，F_a：熔融物料产生的压力(N)，F_B：滚珠丝杆的阻力(N)，F_L：熔融物料的反作用力(N)，f：摩擦力(N)。

所述熔胶过程中：熔胶电机和射胶电机的电流关系为：

电流环开环传递函数为：

K_v为外部PWM单元的逆变器电压放大倍数，K_m为电流反馈系数，T_v为逆变器时间常数，T_v＝1/f_v，f_v为逆变器工作频率，s为微分，两个电机电枢回路由电阻R和电感L组成，也为一阶惯性环节，T_oi为电流采样滤波时间常数，

其中，T_oi和T_v均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_ov＝T_oi+T_v。又T_L＝L/R为电机电枢回路时间常数，上式等效为：

电机的PI调节器把电流校正为具有较好动态性能的I型系统，调节器传递函数为

K_p，τ_c分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数，

为满足电流环响应的快速性，以电流环PI调节器的零点消去被控对象的大时间常数的极点，取τ_c＝L/R＝T_L，因此经PI调节器校正后的电流环开环传递函数为

上式可以简化为一个典型I型系统：

其中K＝K_pK_v/(Rτ_c)；

则电流环闭环传递函数为：

$C\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}$

$=\frac{K_v{K}_p{K}_m}{{\mathrm{\τ}}_{c}s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K_v{K}_p{K}_m}$

$=\frac{K}{s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K}$

$=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

ωn为截止频率，按照二阶系统最佳性能指标，取阻尼比ξ＝0.707，即

可求得K，又τ_c＝L/R＝T_L，从而确定K_p，τ_c。

所述电流环是速度环的内环，在得到电流环的传递函数的情况下，速度环闭环传递函数：

β是电压矢量，K_fn为速度反馈系数，T_m为电机机电时间常数，K_Φ为电机电势系数，

T_on为转速反馈滤波时间常数。

T_l和T_on均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_fs＝T_l+T_on的惯性环节，则速度环控制对象为：

$C_i\left(s\right)=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}/T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{\mathrm{on}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}$

为了实现转速无静差、有较好的抗扰动性能，选择将速度环校正为典型的II型系统，速度环调节器为PI调节器，传递函数为

可得，经PI调节器调节后的速度环开环传递函数为：

$C_s\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{ps}}({\mathrm{\τ}}_{s}s+1)K_c}{{\mathrm{\τ}}_s{\mathrm{Js}}^2(2T_{\mathrm{fs}}s+1)},$

Kc为比例系数，为定值，J为电机的转子惯量，为定值，

经过PI调节器校正后，速度环为典型的II型系统，速度环开环传递函数为：

其中，K_N＝K_onK_ps/τ_s为速度环开环放大倍数，定义开环幅频特性中频段宽度为h＝τ_s/T_fs，其决定着典型II型系统的动态性能指标，h增大超调量减小，但调节时间随h的变化不是单调的，当h＝5时调节时间最短，动态响应最快，再选择合适的截止频率ω_n，从而可计算出τ_s和K_ps：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_s=h*T_{\mathrm{fs}}\\ K_{\mathrm{ps}}=\frac{h+1}{2h}*\frac{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{T_{\mathrm{fs}}{K}_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}\end{array}\right.$

所述速度环的时间周期和增益为τ_W和K_W，位置控制环采用比例调节器，比例调节器数值设为K_θ，位置环的闭环传递函数为：

$G_p\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}^{*}}=\frac{K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}{s^2+s/{\mathrm{\τ}}_W+K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}$

θ为位置反馈，θ^*为位置给定，设位置环增益为K_p＝K_θK_W，则上式为：

其中， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{K_p{\mathrm{\τ}}_W}},$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K_p}{{\mathrm{\τ}}_W}}$

因位置伺服系统要求快速响应且无超调，所以应使位置伺服系统处于临界阻尼状态或欠阻尼状态，当校正后速度环节的截止频率f_W＝1/τ_W确定后，可由ξ≥1确定：K_p≤1/(4τ_W)，因此，K_p＝1/(4τ_W)为最优位置控制环增益。

下面对本实施例进行详致的分析：

射胶过程中当注射动作开始时，射胶电机通过滚珠丝杆推动注射螺杆向前移动，将积存于机筒前端的熔料注入模腔中并开始保压。这一阶段的控制变量有螺杆速度、螺杆位移及温度控制等，其中最重要的控制变量是螺杆速度，即注射速度，指的是螺杆将熔融物料注射到模腔过程中的速度。充模阶段的注射速度影响剪贴力和剪贴速率进而影响最终产品质量。注射速度慢，则熔料充模时间长，制品易产生冷接缝、密度不均、应力大等弊病。注射速度快，可以减少模腔内熔料的温差，改善压力传递效果，可以得到密度均匀，应力小的精密制品。但注射速度过高，熔料流经浇口等处，易形成不规则的流动、物料烧焦，以及吸入气体和排气不良等现象，从而直接影响到制品的表面质量。同时，高速注射也不易保证注射与保压压力稳定地切换，常因过压而使制品出现溢边。因此有效地控制注射速度是非常必要的。

同时，注射速度控制比较复杂，不仅具有高阶非线性等特点，而且容易受负载扰动的影响。同时，注射速度的控制由于具有高阶非线性等特点，过程参数等因素会随时间或工作环境的改变而改变。

射胶系统控制原理如图5，射胶是射胶电机通过齿形皮带带动滚珠丝杆运动，将旋转运动转换为螺杆的直线运动，其结构主要包括两个部分：由DSP控制器、IPM功率驱动板、射胶电机和码盘组成的驱动部分和由齿形皮带、滚珠丝杆、螺杆等组成的传动部分。

整个射胶过程分为两个阶段，注射和保压，这两个阶段的控制对象分别是速度和压力。注射过程刚开始的时候，螺杆向前移动，将存于机筒中的熔融物料注射到模腔。这一阶段中驱动器(IPM功率驱动板)、电机和编码器(即码盘)构成速度的闭环控制。DSP控制器接到电脑控制器设置的位置参数命令后调用射胶速度子函数，计算出目标曲线所对应的射胶电机转速，并给出控制信号到IPM功率驱动板。IPM功率驱动板采用矢量控制算法驱动射胶电机，并根据码盘的反馈跟踪设定的目标速度曲线。注射进行到一定时间时，模腔被填满，模腔内压力逐渐增大。为防止回流，螺杆仍需要保持一定的压力，此时结束射胶进入保压阶段，控制量则由速度控制转为压力控制。DSP控制器、IPM功率驱动板、射胶电机和安装在螺杆筒上的压力传感器构成了压力的闭环控制。

注射阶段的控制量包括注射速度、模腔压力和注射量，其中注射速度、模腔压力通过控制螺杆来控制，因此只有对射胶电机的转速实施精确控制才可完成注射过程的准确控制，将在以下部分探讨注射速度控制。

熔胶过程的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并在下一过程以足够的压力和速度将一定的熔料注到模腔内。因此，熔胶过程应具有塑化良好、计量精确的性能，并且在注射时对熔料能提供压力和速度。

注射速度的选择：一般注塑机控制板上都有注射压力和注射速度两个参数，用来满足注射速度的要求。在电脑控制器中设定注射速度参数控制螺杆注射速度快慢，当射胶电机转速高时，注塑机实现快速注射。注射压力是根据射胶电机电流确定大小，当电流大时，提供注射动作力就大。速度和压力两个参数在射胶动作中精密配合。

注射压力选择：

注塑机的注射压力由射胶电机电流进行调节，在调定压力的情况下，通过控制射胶电机电流达到注射前后期注射压力的高低选择。

普通注塑机设置有多种压力选择，即高压、低压和先高压后低压。高压注射是由射胶电机电流来实现。由于压力高，塑料从一开始就在高压、高速状态下进入模腔。高压注射时塑料入模迅速，射胶电机电流读数上升很快。同理，低压注射是由电机电流来实现，注射过程压力读数上升缓慢，塑料在低压、低速下进入模腔。先高压后低压是根据塑料种类和模具的实际要求从时间上来控制射胶电机电流的压力参数高低来实现的。

为了满足不同塑料要求有不同的注射压力，也可以采用更换不同直径的螺杆或柱塞的方法，这样既满足了注射压力，又充分发挥了机器的生产能力。在大型注塑机中往往具有多段注射压力和多级注射速度控制功能，这样更能保证制品的质量和精度。

注射速度的程序控制：

将螺杆的注射行程分为3～4个阶段，在每个阶段中分别使用各自适当的注射速度。例如：在熔融塑料刚开始通过浇口时减慢注射速度，在充模过程中采用高速注射，在充模结束时减慢速度。采用这样的方法，可以防止溢料，消除流痕和减少制品的残余应力等。

低速充模时流速平稳，制品尺寸比较稳定，波动较小，制品内应力低，制品内外各向应力趋于一致(例如将某聚碳酸脂制件浸入四氯化碳中，用高速注射成型的制件有开裂倾向，低速的不开裂)。在较为缓慢的充模条件下，料流的温差，特别是浇口前后料的温差大，有助于避免缩孔和凹陷的发生。但由于充模时间延续较长容易使制件出现分层和结合不良的熔接痕，不但影响外观，而且使机械强度大大降低。

高速注射时，料流速度快，当高速充模顺利时，熔料很快充满型腔，料温下降得少，黏度下降得也少，可以采用较低的注射压力，是一种热料充模态势。高速充模能改进制件的光泽度和平滑度，消除了接缝线现象及分层现象，收缩凹陷小，颜色均匀一致，对制件较大部分能保证丰满。但容易产生制品发胖起泡或制件发黄，甚至烧伤变焦，或造成脱模困难，或出现充模不均的现象。对于高黏度塑料有可能导致熔体破裂，使制件表面产生云雾斑。

下列情况可以考虑采用高速高压注射：①塑料黏度高，冷却速度快，长流程制件采用低压慢速不能完全充满型腔各个角落的；②壁厚太薄的制件，熔料到达薄壁处易冷凝而滞留，必须采用一次高速注射，使熔料能量大量消耗以前立即进入型腔的；③用玻璃纤维增强的塑料，或含有较大量填充材料的塑料，因流动性差，为了得到表面光滑而均匀的制件，必须采用高速高压注射的。

对高级精密制品、厚壁制件、壁厚变化大的和具有较厚突缘和筋的制件，最好采用多级注射，如二级、三级、四级甚至五级。

注射压力的程序控制

通常将注射压力的控制分成为一次注射压力、二次注射压力(保压)或三次以上的注射压力的控制。压力切换时机是否适当，对于防止模内压力过高、防止溢料或缺料等都是非常重要的。模制品的比容取决于保压阶段浇口封闭时的熔料压力和温度。如果每次从保压切换到制品冷却阶段的压力和温度一致，那么制品的比容就不会发生改变。在恒定的模塑温度下，决定制品尺寸的最重要参数是保压压力，影响制品尺寸公差的最重要的变量是保压压力和温度。例如：在充模结束后，保压压力立即降低，当表层形成一定厚度时，保压压力再上升，这样可以采用低合模力成型厚壁的大制品，消除塌坑和飞边。

保压压力及速度通常是塑料充填模腔时最高压力及速度的50％～65％，即保压压力比注射压力大约低0.6～0.8MPa。由于保压压力比注射压力低，在可观的保压时间内，射胶电机的负荷低，因此滚珠丝杆的使用寿命得以延长，同时电机的耗电量也降低了。

三级压力注射既能使制件顺利充模，又不会出现熔接线、凹陷、飞边和翘曲变形。对于薄壁制件、多头小件、长流程大型制件的模塑，甚至型腔配置不太均衡及合模不太紧密的制件的模塑都有好处。

注入模腔内塑料填充量的程序控制：

采用预先调节好一定的计量，使得在注射行程的终点附近，螺杆端部仍残留有少量的熔体(缓冲量)，根据模内的填充情况进一步施加注射压力(二次或三次注射压力)，补充少许熔体。这样，可以防止制品凹陷或调节制品的收缩率。

螺杆熔胶机构

通过熔胶电机的旋转以及齿形同步皮带的作用，使螺杆回转，进行计量。机筒内的树脂，随着螺杆回转，树脂之间的相互摩擦产生了热量，同时由于机筒加热器的传热，使固体树脂融成为可以射出的状态。

1、熔胶装置：熔胶阶段，螺杆通过旋转将物料边向前推送边加热融化物料。聚集在存料区的熔融物料产生一定的压力推螺杆，直至满足设定的注射量。

熔胶过程中，由于螺杆和滚珠丝杆是分开的两部分，而且螺杆与滚珠丝杆连接处装有轴承，使得螺杆可以自由转动而不会带动滚珠丝杆旋转，防止了滚珠丝杆自锁引起的卡死现象。预塑物料不断往螺杆头部输送，螺杆头部压力越来越大，但由于滚珠丝杆顶紧螺杆，螺杆不能直接后退，而是使螺杆尾部和滚珠丝杆之间的压力越来越大。此时，位于螺杆与滚珠丝杆连接处的压力传感器准确地把压力测量值传送到DSP控制器里，DSP控制器与压力设定值进行比较。当压力传感器的测量值超过设定值时，DSP控制器控制射胶电机和射胶螺母开始反转，滚珠丝杆往后退。螺杆与滚珠丝杆间保持一定的压力，同时不断往后退，直至完成计量过程和滚珠丝杆的复位，为下一次注射做准备。

2、塑化和计量：当保压进行到模腔的熔料失去浇口回流可能性峙(即浇口封闭)，射胶电机的保压压力即可卸去(此时合模电机的高压也可撤除)，使制品在模内冷却定型。此时，螺杆在熔胶电机的驱动下转动，将来自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。螺杆在转动的同时又产生后退。螺杆在塑化时的后移量，即表示了螺杆头部所积存的熔料积量。当螺杆回退到计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。制品冷却与螺杆塑化在时间上通是重叠的，在一般情况下，要求螺杆塑化计量时间要少于制品冷却时间。

3、预塑动作选择：根据预塑加料前后注座是否后退，即喷嘴是否离开模具，注塑机一般设有三种选择。(1)固定加料：预塑前和预塑后喷嘴都始终贴进模具，注座也不移动。(2)前加料：喷嘴顶着模具进行预塑加料，预塑完毕，注座后退，喷嘴离开模具。选择这种方式的目的是：预塑时利用模具注射孔抵住喷嘴，避免熔料在背压较高时从喷嘴流出，预塑后可以避免喷嘴和模具长时间接触而产生热量传递，影响它们各自温度的相对稳定。(3)后加料：注射完成后，注座后退，喷嘴离开模具然后预塑，预塑完再注座前进。该动作适用于加工成型温度特别窄的塑料，由于喷嘴与模具接触时间短，避免了热量的流失，也避免了熔料在喷嘴孔内的凝固。

注射结束、冷却计时器计时完毕后，预塑动作开始。螺杆旋转将塑料熔融并挤送到螺杆头前面。由于螺杆前端的止退环所起的单向阀的作用，熔融塑料积存在机筒的前端。当螺杆退到预定的位置时(此位置由行程开关确定，控制螺杆后退的距离，实现定量加料)，预塑停止，螺杆停止转动。

一般生产多采用固定加料方式以节省注座进退操作时间，加快生产周期。

4、螺杆背压和熔胶转速的程序控制：高背压可以使熔料获得强剪切，低转速也会使塑料在机筒内得到较长的塑化时间。在螺杆计量全行程先高转速、低背压，再切换到较低转速、较高背压，然后切换成高背压、低转速，最后在低背压、低转速下进行塑化，这样，螺杆前部熔料的压力得到大部分的释放，减少螺杆的转动惯量，从而提高了螺杆计量的精确程度。过高的背压往往造成着色剂变色程度增大、预塑机构、机筒、螺杆机械磨损增大、预塑周期延长、生产效率下降、喷嘴容易发生流涎、再生料量增加，即使采用自锁式喷嘴，如果背压高于设计的弹簧闭锁压力，亦会造成疲劳破坏。所以，背压压力一定要调得恰当。

熔胶电机与射胶电机在熔胶工艺动力学模型：

1、熔胶电机与射胶电机在熔胶动力学模型

注塑机系统是一个多变量、离散、大滞后、非线性、强耦合且需要人参与的复杂系统，注射成型过程又是一个复杂的间歇重复过程。而注塑过程的控制目标——制品质量与控制对象之间的关系不明确，控制目标是合格的制品，控制对象是温度、压力、速度等，无法用精确的数学模型来描述。因此，有必要研究注塑过程中各个阶段的控制过程。下文分别就熔胶过程熔胶电机与射胶电机的配合、射胶过程中的注射速度控制等过程进行分析。

注塑机的预塑，就是借助螺杆的旋转，使熔融物料沿螺旋槽不断被输送到螺杆前端，直到满足设定的注射量。随着熔胶机筒前端物料逐渐增多，压力也随之上升，为了防止螺杆后退过快，确保熔料被压实，射胶电机需要给螺杆提供一个反向压力，即背压。熔胶电机通过同步皮带驱动螺杆旋转。随着螺杆的旋转，物料由漏斗中落到该螺杆尾部融化后并不断向螺杆前部储料区输送。

熔胶过程系统主要结构包括由电脑控制器、DSP控制器、压力传感器、两个电机和编码器组成的驱动部分和由皮带、滚珠丝杆、螺杆等组成的传动部分，熔胶系统控制原理图如图6所示。

熔胶过程中，螺杆同时完成旋转和后退两种运动。螺杆旋运动的动力由熔胶电机通过皮带传动提供，背压压力由射胶电机提供。熔胶过程需要射胶电机和熔胶电机配合共同来实现。

参与熔胶过程的运动装置有熔胶电机、同步皮带、射胶电机和滚珠丝杆等。熔胶电机通过同步皮带驱动螺杆旋转。同时，螺杆在射胶电机的作用下产生熔胶所需背压。对熔胶过程的动力学分析如图7所示：

(1)射胶电机运动方程

$(J_{M1}+J_{G1})\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}=T_{M1}-r_1{F}_1---(3-1)$

其中，T_M1：电机转矩，J_M1：电机转动惯量(kgcm²)，J_G1：电机端齿轮转动惯量(kgcm²)，ω₁：射胶电机转速(rad/s)，r₁主动轮半径，F₁：射胶系统减速装置传达的力(N)。

(2)滚珠丝杆运动方程

$(J_s+J_{G3})\frac{d{\mathrm{\ω}}_3}{\mathrm{dt}}=-T_a+r_3{F}_1---(3-2)$

其中，T_a：滚珠丝杆转矩(相当于电机负载转矩)，J_s：滚珠丝杆副转动惯量，J_G3：从动轮转动惯量，ω₃：滚珠丝杆角速度，r₃从动轮半径。

(3)熔胶电机运动方程

$(J_{M2}+J_{G2})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}=T_{M2}-r_2{F}_2---(3-3)$

参数意义与射胶电机基本相同。

(4)同步皮带运动方程

$(J_B+J_{G4})\frac{d{\mathrm{\ω}}_4}{\mathrm{dt}}=-T_B+r_4{F}_2---(3-4)$

其中，T_B：同步皮带转矩(相当于电机负载转矩)，J_B：同步皮带转动惯量，J_G4：从动轮转动惯量，ω₄：滚珠丝杆角速度，r₄从动轮半径。

式(3-1)得： $F_1=\frac{T_{M1}-(J_{M1}+J_{G1})\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}}{r_1}---(3-5)$

式(3-3)得： $F_2=\frac{T_{M2}-(J_{M2}+J_{G2})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}}{r_2}---(3-6)$

将式(3-5)代入式(3-3)，得

$T_a=-\frac{r_1}{r_3}(J_S+J_{G3})\frac{d{\mathrm{\ω}}_3}{\mathrm{dt}}+\frac{r_3}{r_1}[T_{M1}-(J_{M1}+J_{G1})\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}]---(3-7)$

将式(3-6)代入式(3-4)，得

$T_B=-\frac{r_2}{r_4}(J_B+J_{G4})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{r_4}{r_2}[T_{M2}-(J_{M2}+J_{G2})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}]---(3-8)$

(5)螺杆运动方程

其中，M：螺杆等直线运动部分重量(N)，g：重力加速度(cm/s²)，v：直线运动部分速度cm/s，F_a：熔融物料产生的压力(N)，F_B：滚珠丝杆的阻力(N)，F_L：熔融物料的反作用力(N)，f：摩擦力，x：螺杆移动距离。

由 $T_a=\frac{l}{2\mathrm{\π}}{F}_a---(3-10)$

T_B＝F_B·r₄        (3-11)

同步皮带传动比：

$v=\frac{l}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_3=\frac{r_1}{r_3}{\mathrm{\ω}}_1---(3-12)$

ω₂r₂＝ω₄r₄            (3-13)

其中，l：滚珠丝杆导程(cm)

得： $F_a=\frac{2\mathrm{\π}\·T_a}{l}---(3-14)$

$F_B=\frac{T_B}{r_4}---(3-15)$

${\mathrm{\ω}}_3=\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_1}{r_3}{\mathrm{\ω}}_1---(3-16)$

${\mathrm{\ω}}_4=\frac{{\mathrm{\ω}}_2{r}_2}{r_4}$

分别代入式(3-7)和式(3-8)得：

$F_a=\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_3}{r_1}[T_{M1}-(J_{M1}+J_{G1})\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}]-\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_1}{r_3}(J_S+J_{G3})\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}$

$=[\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_3}{r_1}(J_{M1}+J_{G1})-\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_1}{r_3}(J_S+J_{G3})]\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_3}{r_1}{T}_{M1}---(3-17)$

$F_B=\frac{1}{r_2}[T_{M2}-(J_{M2}+J_{G2})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}]-\frac{r_2}{{r_4}^2}(J_B+J_{G4})\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}$

$=[-\frac{1}{r_2}(J_{M2}+J_{G2})-\frac{r_2}{{r_4}^2}(J_B+J_{G4})]\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{T_{M2}}{r_2}---(3-18)$

代入式(3-9)得

$\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{g}{M}(F_a-F_B-F_L-f)$

$=\frac{g}{M}\left\{\right[\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_3}{r_1}(J_{M1}+J_{G1})-\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_1}{r_3}(J_s+J_{G3})]\frac{d{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{2\mathrm{\π}}{l}\frac{r_3}{r_1}{T}_{M1}\}---(3-19)$

$-\frac{g}{M}\left\{\right[-\frac{1}{r_2}(J_{M2}+J_{G2})-\frac{r_2}{{r_4}^2}(J_B+J_{G4})]\frac{d{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{T_{M2}}{r_2}\}-\frac{g}{M}(F_L+f)$

由以上推导可知，射胶过程的控制变量螺杆后退的位移和速度与射胶电机和熔胶电机的转速和转矩有关，需要通过控制两个电机的配合来控制。对熔胶过程中的动力学模型的研究为进一步研究熔胶过程中塑化质量及熔融物料计量奠定了理论基础。

射胶熔胶伺服驱动器三闭环控制调节设计

射胶过程中的控制变量主要有注射压力和螺杆行程，对应伺服控制系统的电流、速度和位置控制环节。系统各环节的控制状况都影响整个系统的性能，从而影响注塑制品质量。为了使射胶系统达到高速高精度的控制要求，在DSP控制器方面，必须对各个环节设计合适的调节，使各部分控制性能得以优化。

电流环输出要求具有谐波分量小，响应速度快等性能，其控制对象为外部PWM单元逆变器、电机电枢回路、电流采样和滤波电路。电流环通过改造内环控制对象，提高系统快速性的同时抑制电流环内的干扰，并且限制电机的电流以保障系统的安全。

速度环的主要作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，应具有高精度、快响应等性能指标。速度环的控制过程是给定速度与系统检测到的反馈速度比较，输出的误差信号经过速度控制器的调节后，输出系统所需要的电流控制量。

位置控制的根本任务是使执行机构对位置指令的精确跟踪。被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量。因此，位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。它处于系统最外环，组成包括：位置检测器、功率变换器、伺服电动机，以及速度和电流控制的两个内环。位置环的作用是保证系统稳态精度和动态跟踪性能，直接关系到交流伺服系统的稳定和高性能运行。位置环是最外环，可以对内部速度环和电流环进行补偿。

图8是交流伺服系统三闭环控制结构图，θ^*为位置给定，θ为位置反馈，ω_r ^*为速度给定，ω_r为速度反馈，i_q ^*为q轴电流给定，i_q为q轴电流反馈，p_n为转子极对数，Te为电机转矩，

为转子等效磁链。

设计该系统的控制器的方法是从内环开始，逐环向外环设计。设计好电流环控制器后将其看作速度环的一部分，再依次设计速度环位置环控制器。

1、伺服系统电流环PI调节器的设计

图9所示为电流环动态结构图，ACR是电流控制器。控制对象由两个惯性环节组成。其中，逆变器等效为一个一阶惯性环节，T_v为逆变器时间常数(T_v＝1/f_v，f_v为逆变器工作频率)，K_m为电流反馈系数，K_v为逆变器电压放大倍数。电机电枢回路由电阻R和电感L组成，也为一阶惯性环节。T_oi为电流采样滤波时间常数。设计电流环时，可先忽略反电动势对电流环的影响。

可得，不考虑调节器情况下，电流环开环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{K_v{K}_m}{(T_{v}s+1)(\mathrm{Ls}+R)(T_{\mathrm{oi}}s+1)}\mathrm{}---(5-1)$

其中，T_oi和T_v均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_ov＝T_oi+T_v。又T_L＝L/R为电机电枢回路时间常数，式(5-1)等效为：

$G_i\left(s\right)=\frac{K_v{K}_m}{(T_{\mathrm{ov}}s+1)(T_{L}s+1)}\mathrm{}---(5-2)$

经典的永磁同步电机电流环控制方法按照工程设计方法设计一个PI调节器，把电流校正为具有较好动态性能的I型系统，调节器传递函数为

$G_{\mathrm{ACR}}\left(s\right)=\frac{K_p({\mathrm{\τ}}_{c}s+1)}{{\mathrm{\τ}}_{c}s}---(5-3)$

K_p，τ_c分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数。

为满足电流环响应的快速性，以电流环调节器的零点消去被控对象的大时间常数的极点，取τ_c＝L/R＝T_L，因此经PI校正后的电流环开环传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{K_v{K}_p{K}_m}{{\mathrm{\τ}}_{c}s(T_{\mathrm{ov}}s+1)}=\frac{K_p{K}_v}{{\mathrm{R\τ}}_{c}s(T_{\mathrm{ov}}s+1)}---(5-4)$

上式可以简化为一个典型I型系统：

其中K＝K_pK_v/(Rτ_c)。

则电流环的闭环传递函数为：

$C\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}$

$=\frac{K_v{K}_p{K}_m}{{\mathrm{\τ}}_{c}s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K_v{K}_p{K}_m}$

$=\frac{K}{s(T_{\mathrm{ov}}s+1)+K}---(5-6)$

$=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

按照二阶系统最佳性能指标，取阻尼比ξ＝0.707，即求得K。又τ_c＝L/R＝T_L，从而确定K_p，τ_c。

一般情况下，实际系统中的电磁时间常数都远小于机电时间常数，因而电流的调节过程比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E(s)的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，可以通过电流调节器基本消除反电势对电流环的干扰。在电磁常数大于机械常数的情况下，只要电流环剪切频率足够高，(即当T_mτ₁ω²＞＞1时)，反电动势对电流环的影响就可忽略。

2、伺服系统速度环的设计

在所设计的三环控制系统中，电流环是速度环的内环。在得到电流环的传递函数的情况下，将其作为速度调节的一个环节设计速度环，图10所示为速度环闭环传递函数。

K_fn为速度反馈系数，T_m为电机机电时间常数，T_on为转速反馈滤波时间常数，K_Φ为电机电势系数。由于电机摩擦系数较小，速度环设计时忽略它的影响，则速度调节器对象传递函数为：

$C_i\left(s\right)=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}s(T_{l}s+1)(T_{\mathrm{on}}s+1)}---(5-7)$

T_l和T_on均为小时间常数，可以等效为一个时间常数T_fs＝T_l+T_on的惯性环节。则速度环控制对象为：

$C_i\left(s\right)=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}/T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}=\frac{K_{\mathrm{on}}}{s(T_{\mathrm{fs}}s+1)}---(5-8)$

为了实现转速无静差、有较好的抗扰动性能，选择将速度环校正为典型的II型系统。速度环调节器为PI调节器，传递函数为

得到的速度环结构如图10所示，ASR为速度控制器。

由图可得，经调节器调节后的速度环开环传递函数为：

$C_s\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{ps}}({\mathrm{\τ}}_{s}s+1)K_c}{{\mathrm{\τ}}_s{\mathrm{Js}}^2(2T_{\mathrm{fs}}s+1)}---(5-9)$

经过PI校正后，速度环为典型的II型系统，开环传递函数为：

$G_n\left(s\right)=\frac{K_N({\mathrm{\τ}}_s+1)}{s^2(T_{\mathrm{fs}}s+1)}---(5-10)$

其中，K_N＝K_onK_ps/τ_s为速度环开环放大倍数。定义开环幅频特性中频段宽度为h＝τ_s/T_fs，其决定着典型II型系统的动态性能指标，h增大超调量减小，但调节时间随h的变化不是单调的。当h＝5时调节时间最短，动态响应最快，再选择合适的截止频率ω_n，从而可计算出τ_s和K_ps：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_s=h*T_{\mathrm{fs}}\\ K_{\mathrm{ps}}=\frac{h+1}{2h}*\frac{T_m{K}_{\mathrm{\Φ}}}{T_{\mathrm{fs}}{K}_{l}R{K}_{\mathrm{fn}}}\end{array}\right.---(5-11)$

3、伺服系统位置环的设计

假定位置控制环采用比例调节器K_θ，速度环的时间周期和增益为τ_W和K_W，则交流伺服位置系统等效结构图如图11所示。

由图11可知位置环的闭环传递函数为：

$G_p\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}^{*}}=\frac{K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}{s^2+s/{\mathrm{\τ}}_W+K_{\mathrm{\θ}}{K}_W/{\mathrm{\τ}}_W}---(5-12)$

设位置环增益为K_p＝K_θK_W，则公式(5-12)可写成：

$G_p\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}^{*}}=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---(5-13)$

其中， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{K_p{\mathrm{\τ}}_W}},$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K_p}{{\mathrm{\τ}}_W}}$

因位置伺服系统要求快速响应且无超调，所以应使位置伺服系统处于临界阻尼状态或欠阻尼状态，当校正后速度环节的截止频率f_W＝1/τ_W确定后，可由ξ≥1确定：K_p≤1/(4τ_W)            (5-14)

因此，K_p＝1/(4τ_W)为最优位置控制环增益。

熔胶和射胶系统用永磁同步电机数学模型：

从前文可知，全电动注塑机的主要运动机构均采用交流永磁伺服系统，全电动注塑机注塑制品质量的好坏很大程度上取决于伺服系统的控制性能。在注塑成型过程中，注射装置应该对螺杆提供需要的转矩和速度，并具有精确的跟踪性能。因此，射胶过程中对注射速度、螺杆位置和注射压力等的控制要求极高。而注射速度、螺杆位置和压力的控制可通过控制射胶电机的速度、位置和转矩来控制。

在熔胶过程中熔胶装置应具有塑化良好、计量精确的性能，并且在预塑时对熔料提供相应的速度和背压。因此，熔胶电机要求对螺杆实现精确的速度控制及跟踪(背压由射胶电机提供)。

综上所述，射胶电机要求扭矩闭环、速度闭环和角度闭环控制，即电流、速度、位置三闭环，熔胶电机要求速度闭环控制。所以，全电动注塑机的性能在很大程度上取决于交流伺服控制系统的精确性和稳定性。因此本实施例分析射胶交流永磁同步电机伺服控制器为例，亦可满足熔胶电机伺服控制要求。以下部分着重论述熔胶、射胶用交流永磁同步电机伺服电机原理及控制系统的原理与设计实现。

永磁同步电机数学模型

永磁同步电机运动时转子和定子之间处于相对运动状态，永磁体与定子绕组之间都存在相互影响，使得永磁同步电机内部电磁关系非常复杂，因此无法建立电机的精确的数学模型。为了分析简化，作如下假设：

(1)饱和效应忽略不计；

(2)感应反电势呈正弦波状；

(3)磁滞及涡流损耗不计；

(4)转子上无阻尼绕组；

(5)电动机定子绕组是三相对称的。

则永磁同步电机在三相静止坐标下的电压方程为：

$v_{\mathrm{abc}}=R_S{i}_{\mathrm{abc}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{abc}}---(4-1)$

$v_{\mathrm{abc}}=\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right],$ $i_{\mathrm{abc}}=\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{abc}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_a\\ {\mathrm{\λ}}_b\\ {\mathrm{\λ}}_c\end{array}\right]---(4-2)$

其中，v_a、v_b、v_c：分别为a、b、c三相电机输入电压；

i_a、i_b、i_c：分别为a、b、c三相电机输入电流；

λ_a、λ_b、λ_c：分别为a、b、c三相定子侧磁通链；

R_s：各相定子等效电阻。

为了实现三相定子绕组之间互感的相互解耦，简化永磁同步电机的数学模型，通过克拉克变换和派克变换将三相静止坐标转换为两相旋转坐标。由abc坐标系到dq坐标系之间的变换为：

永磁同步电机中定子绕组一般为无中线的Y型连接，故i_o≡0。

交流永磁同步电机在dq同步旋转坐标系下数学模型为：

1.磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d=L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_r\\ {\mathrm{\ψ}}_q=L_q{i}_q\end{array}\right.---(4-5)$

式中，ψ_r为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链。

2.电压方程

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_s{i}_d+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_q\\ u_q=R_s{i}_q+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_q-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_d\end{array}\right.---(4-6)$

其中，ψ_d＝L_di_d+ψ_r    (4-7)

ψ_q＝L_qi_q              (4-8)

u_d，u_q分别为d、q轴电压；

i_d，l_q分别为d、q轴电流；

ψ_d，ψ_q分别为d、q轴磁通链；

L_d，L_q为定子绕组d、q轴电感，当永磁同步电机转子为圆筒形时L_d＝L_q；

ψ_f转子等效磁链；

R_s为定子侧等效电阻；

ω_r为转子电角速度。

3.转矩方程

T_e＝1.5p_n(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝1.5p_n[(L_d-L_q)i_di_q+ψ_ri_q]      (4-9)

式中，p_n为转子极对数；

4.运动方程

$j=\frac{d{\mathrm{\ω}}_m}{\mathrm{dt}}=T_e-T_l-B{\mathrm{\ω}}_m---(4-10)$

J-转动惯量；

B-摩擦系数；

ω_m-转子角速度；

5.状态方程

中小型交流永磁同步电机均采用圆筒型转子，其结构特征是定、转子间的气隙是均匀的，因此L_d＝L_q＝L。dq坐标系上的PMSM状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{i}}_d\\ {\stackrel{.}{i}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R}{L}& -p_n{\mathrm{\ψ}}_f/L\\ \frac{3}{2}{p}_n{\mathrm{\ψ}}_f/J& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_q\\ {\mathrm{\ω}}_r\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{u_d}{L}\\ -\frac{T_L}{J}\end{array}\right]---(4-11)$

交流永磁同步电机伺服控制系统软硬件实现方案

1、永磁同步电机伺服控制系统硬件方案

全电动注塑机用交流伺服系统，主要由以TMS320F2833X为核心的控制电路、以IPM智能功率模块为核心的功率驱动电路、电源电路、传感器、交流永磁同步电机等构成。以DSP控制器为核心，主要负责电流、编码器、报警等反馈信号的处理，电机控制算法的运算，运行状态的显示，与电脑控制器通信的实现等工作；功率驱动电路主回路采用交-直-交整流逆变电路；电源电路采用开关电源，变压得到的多路电源供DSP控制器，功率模块栅极控制电源、传感器、散热风扇等使用。全电动注塑机伺服控制系统结构图如图12所示。

2、基于DSP的伺服系统主控制板硬件设计

控制器芯片以TMS320F2833X为核心，用来完成SVPWM算法实现。辅助电路由速度/位置检测电路、电流检测电路、键盘、LED显示以及通信电路等组成。

3、伺服驱动器控制功能设计

在现代交流伺服控制中，以“软形式”存在于微控制器内部的程序性能是交流伺服技术的核心。软件控制算法做为控制硬件执行的指导者，它的优劣直接决定了整个控制系统的功能。本实施例在硬件设计的基础上开发出了交流伺服电机的软件系统。该软件在硬件的配合下完成电流、编码器等信号的采集处理，实现矢量控制算法，并对运行过程中可能出现的故障进行及时处理。该软件采用的软件开发环境为CCS3.3，软件语言为C语言。

驱动器功能：

(1)满足螺杆非线性运动规律要求的控制技术，采用迭代学习控制、滑模变结构控制、鲁棒自适应控制等多种控制策略，提高系统参数自整定能力，保证系统在高负载情况下的稳定可靠性，同时提高非线性扰动的补偿性。

(2)熔胶过程消除射胶电机伪过载现象的控制技术：机械装备负载特性中存在伪负载，驱动器根据不同控制对象的伪负载特性，对电机采取非线性力矩方法消除伪负载现象，保证熔胶工艺正常工作；

(3)采用TMS320F2833X微处理器控制器芯片和大功率智能模块IPM相结合的关键技术：对驱动器，为了延长滚珠丝杠使用寿命，有效地保证伪负载正常连续运行，采用以微处理器和大功率智能模块结合的软起动新技术；

芯片TMS320F2833X

数字信号处理器-DSP，是一种适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

TMS320F2833X DSP整合了DSP和微控制器的特性，能够在一个周期内完成32*32位的乘法累加运算，能够完成64位的数据处理，从而使该处理器能够实现更高精度的处理任务。TMS320F2833X集成了事件管理器、A/D转换模块、SPI外设接口、SCI通信接口、CAN总线通信模块、看门狗、通用I/O、PLL时钟模块、多通道缓冲串口、外部中断接口、存储器及其接口、内部集成电路(I2C)等多种外设单元，为控制系统设计提供了相应的资源。其中事件管理器EVA/B是DSP专门用于电机控制的单元，包含通用定时器(GP)、比较器单元、外部PWM单元、捕获单元及正交编码脉冲单元(QEP)。外部PWM单元用于产生脉宽调制信号控制电机，正交编码器单元根据捕获的编码器信号获得电机转子的速度和方向信息。

JTAG接口电路设计

在系统软件设计过程中，需要对正在开发的软件进行实时调试，JTAG电路是实现DSP和仿真调试软件CCS连接的桥梁，它的基本原理是在器件内部定义一个TAP(Test Access Port/测试访问口)通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。

外部PWM单元输出电路

6路PWM信号通过DSP的EVA/B管脚输出。DSP的EVA/B管脚驱动能力一般来说比较弱，驱动电流值不超过5mA，因此在输出时需要加上如74HC244、74HC245等总线驱动器。IPM内部有过压、过流、过热等故障检测电路，一旦发生故障检测电路发出故障信号，以便用户及时识别关断PWM输出，起到保护IPM模块的作用。

主电路设计

如图13所示，本伺服控制系统的主电路采用典型的电压源型交-直-交变频电路，主功率电路由整流电路、滤波电路和逆变电路构成。三相380V交流电经过单相不可控整流桥整流滤波后变成平稳的直流电，加于功率IGBT模块两端，经可控组件变成三相可控交流电，提供给三相永磁同步电机。

逆变电路

逆变电路选用三菱公司的PM75RLA120智能功率模块，额定电压1200V，额定电流75A。该IPM功率驱动板内部封装了六个IGBT，组成三相全桥逆变电路，并且将功率开关器件和驱动电路集成在一起，并具有过流、过压、过热等故障信号检测功能。外围电路包括6路经过高速光耦隔离的PWM控制信号，开关电源提供4路独立的+15V电源。下桥臂三路和保护电路共用一个+15V电源供电，上桥臂三路需要三组独立的+15V电源供电。六个IGBT的通断受控制板中DSP输出的六路PWM信号控制，通过功率管有规律的通断将直流电逆变为交流电，提供给驱动电机的三相定子绕组。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：包括料斗、机筒、螺杆、滚珠丝杆、射胶电机、熔胶电机与伺服控制系统，所述料斗设在机筒上，螺杆设在机筒内，滚珠丝杆与螺杆通过轴承连接并且连接处设有压力传感器，射胶电机通过射胶螺母与滚珠丝杆连接，熔胶电机通过熔胶螺母与螺杆连接，伺服控制系统连接控制射胶电机和熔胶电机。

2.根据权利要求1所述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：所述射胶电机与射胶螺母通过齿形皮带连接，熔胶电机与熔胶螺母通过齿形皮带连接。

3.根据权利要求1所述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：所述射胶电机和熔胶电机采用交流永磁同步电机，交流永磁同步电机均采用圆筒型转子，定子与转子之间的气隙均匀。

4.根据权利要求1所述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：所述伺服控制系统包括电脑控制器、PLC控制器和DSP控制器，电脑控制器、PLC控制器通过CAN网络和DSP控制器连接通讯，DSP控制器连接控制射胶电机和熔胶电机。

5.根据权利要求4所述的电动注塑机射胶电机和熔胶电机的控制系统，其特征在于：所述DSP控制器的SCI模块连接压力传感器，DSP控制器的JTAG模块连接控制仿真器LED灯，DSP控制器的I/O模块连接控制伺服电机报警输出定位完成信号LED灯，DSP控制器的2个EVA/B模块连接外部PWM单元，外部PWM单元通过IPM功率驱动板分别与射胶电机、熔胶电机连接，射胶电机与熔胶电机分别通过电流传感器给DSP控制器的ADC模块反馈电流信号，射胶电机与熔胶电机分别通过码盘给DSP控制器的QEP模块反馈信号。

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