基于矢量控制的全电动注塑机控制系统设计＊

李明辉 李正琦

（1浙江温州轻工研究院 浙江 温州 325000）（2陕西科技大学机电工程学院 西安 710021）

基于矢量控制的全电动注塑机控制系统设计＊

李明辉1李正琦2

（1浙江温州轻工研究院 浙江 温州 325000）（2陕西科技大学机电工程学院 西安 710021）

根据全电动注塑机的工艺结构及对控制系统的要求，通过分析全电动注塑机的结构，在把矢量控制应用到永磁同步电机控制的基础上，提出了一种全电动注塑机控制系统的设计方案。经过分析和研究，表明该方案能够进一步提高全电动注塑机的精确控制能力，其稳定性好、可靠性高，能够较好地满足对全电动注塑机控制精度和稳定性的要求。

全电动注塑机 永磁同步电机 矢量控制

功耗大、污染程度高、噪音大以及控制精度不够精确等问题是传统液压形注塑机普遍存在的问题。因此，开发节能环保、高速高效、低噪声以及高自动化的全电动注塑机已经成为21世纪注塑行业的主要目标。目前国内在全电动注塑机控制系统的理论方面的研究相对薄弱，特别是控制系统的一些关键技术与国外还有很大差距。笔者依据全电动注塑机的间架结构及对控制系统的要求，通过对全电动注塑机的结构和性能进行分析和研究。由于传统异步电机驱动装置重复定位精度差，低速运转时转矩小，谐波损耗大，速度变动率大，动态性能不佳等原因，运用传统的控制方法很难达到满意的控制效果；而永磁同步电动机具有动态响应性好、输出扭矩大、闭环控制精度高、制动性能好等优点，特别是在低速时仍然能够稳定运行、无爬行线现象。因此，笔者把矢量控制应用到永磁同步电机中，设计了一种新的全电动注塑机的运动控制系统，能够很好的满足控制系统的要求，并在实际中得到了成功的应用［1］。

1 全电动注塑机的核心结构及注塑过程

注塑机是生活中塑胶产品的主要生产设备。全电动注塑机主要包括锁模系统、模具系统、注塑系统、动力系统、控制系统等，采用永磁同步伺服电机作为动力驱动系统，采用滚珠丝杆和同步皮带作为传动结构，并借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。

图1 全电动式注塑机主要部件结构Fig.1 Fully－electric injection molding machine main parts of the structure

其工作原理为：将粒状或粉状塑料加入机筒内，随螺杆转动原料向前移动，并通过螺杆的旋转形成剪切热和机筒外壁加热使塑料由颗粒状变为熔融状态，最后成为流态，而且对注射料筒形成一定压力；当螺杆头部的熔态物料压力达到能克服注射电机退回时的阻力时，螺杆便向后移动，自动计算熔态物料体积是否满足注射需求，此时，螺杆头部与喷嘴之间体积越来越大，物料越来越多；当熔态物料体积满足注射需求时，计量装置撞击限位开关，螺杆停止转动并后退，然后合模电机驱动合模机构运动，模板沿导杆方向使模具闭合，紧接着注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着电机启动，使螺杆向前推进，注塑电机按照系统设定的注射压力和速度将熔态物料射入模具型腔内。当熔料充满整个模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，以此来防止模具型腔中的熔态物料反向流动，并向模具型腔内补充产品因冷却收缩所需要的物料，以保证产品具有一定的密度和尺寸公差。模具型腔中的熔态物料经过冷却，使其固化成形，当完全冷却后，在顶出机构的作用下便可开模，产品被顶出。这就是一个完整的注塑成型过程，时序图如图2所示。

图2 电动注塑时序图Fig.2 Electric injection timing diagram

全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，因此好的动态响应性、大扭矩输出、高精度闭环控制、良好的制动性能等是设计控制系统方案时需要考虑的因素。

2 永磁同步伺服电机的控制

永磁同步电机的转子为永磁体，通常是由励磁绕组、磁极铁心、永磁磁钢及磁辘等组成。转子的作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，与通电后的定子绕组产生的磁场相互作用产生转矩，以此来驱动自身的转动。根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机可以分为两大类：凸极式和嵌入式永磁同步电机，如图3所示。

图3 永磁同步电机结构Fig.3 Structure of permanent magnet synchronous motor

永磁同步电机的转子是具有两个极的永磁体。当给电机的绕组通上交流电时，则会产生一个旋转的磁场；当定子的旋转磁场以一定的同步转速旋转时，N极与S极互相吸引，定子的旋转磁极就会带着转子一起旋转［3］。显然，转子的转速应与旋转磁场的转速相同，即同步，否则电机就会失步。失步与否跟定子的磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ有关，而θ与负载的大小有关。因此，只要电机的负载不超过一定限度，θ在允许范围内变化，电机就不会失步［2］。三相PMSM的模型是多变量、强耦合、非线性的系统。通过对转子磁场定向矢量的控制就可以对转矩的控制参数实现解耦，实现转矩线性控制。其基本原理是：通过坐标变换，即在转子磁场定向的同步坐标轴系上通过对电动机的磁场电流和转矩电流进行解耦，使其具有与传统直流电动机相同的运行性能。将PMSM的转子永磁体磁场方向定为d轴，将电动机旋转方向上滞后90°的方向定为q轴，建立一个基于转子磁场定向的同步旋转坐标系，如图4所示。利用坐标变换可以将电压、电流在电动机的三相坐标系与同步旋转坐标轴系之间相互转换［3］。

图4 同步旋转坐标系Fig.4 Synchronous rotating coordinate system

3 全电动注塑机的运动控制系统的设计

在全电动注塑机的控制系统中，位置控制应用比较多，其主要特点是定位精度高、反应速度较快。位置伺服控制系统有电流环，速度环和位置环等，如图5所示。该控制系统不需要辨别对象参数，在微分、坐标变换及逆变的基础上，检测出实际输出，即可形成位置、速度和电流闭环系统，从而可以提高系统的动态性能。

图5 伺服电机控制框图Fig.5 Servo motor control block diagram

4 控制系统的软件结构设计［4～6］

电流传感器测量出的定子电流经过AD转换为数字量，经过clarck和park变换将电流变换成为坐标系dq中的分量，用于电流环的反馈量。利用编码器测量电动机的机械角位移并将其换算成电角度及转速，电角度用于参与矢量变换，转速用于速度环的负反馈。给定转速与转速反馈量的偏差经速度PI调节器输出用于转矩控制的q轴参考电流分量，参考电流分量与电流的反馈量的偏差经电流PI调节器输出旋转坐标系的电压分量，电压分量再经过park逆变换转换成静止的两相直角坐标系中的定子相电压矢量的分量，通过电压空间矢量svpwn技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。

转子相位初始化采用磁定位的方法，通过给定子一个已知大小和方向的直流电，使定子产生一个恒定的磁场，这个磁场与转子的恒定磁场相互作用，迫使转子转到两磁场成一线的位置停止，从而使转子的位置固定，初始相位也就得到固定。DSP2407为定点DSP，为了满足精度的要求，在运算中采用PU模式，电流、电压和转速的数据格式采用Q12格式。在系统位置与速度板块中，利用增量脉冲编码器AB输入的4个沿信号对脉冲信号进行4倍频，提高了位置与速度反馈的分辨率。由于惯性较大，机械系统响应的时间常数远大于电系统响应的时间常数，所以可以按一定间隔对速度进行采样，系统中每32个PWM脉冲对速度采样一次［7］。DSP用于磁场定向的矢量控制子程序框图如图6所示。

图6 矢量控制子程序Fig.6 Vector control subroutine

5 结论

实践证明，基于PMSM的全电动注塑机控制系统设计，在运用永磁同步伺服电机作为驱动动力源的基础上，将矢量控制应用到全电动注塑机的控制系统中去，使生产过程中的全电动注塑机的优越性有极大的提高。DSP2407通过CPLD连接与DSP连接进行电平转换、隔离和总线仲裁等先进技术，使用极为方便、灵活、简洁，并且运行极其稳定。因此，PMSM的加入更是提高了全电动注塑机的控制精度、重复定位精度，从而使产品的质量得以保证。全电动的驱动方式在生产效率上明显优于液压或混合驱动的驱动方式，而且全电动注塑机的效率高，控制精度高，性能稳定，目前已经应用到生产时间中。

1 从爽.实用运动控制技术.北京：电子工业出版，2006

2 李大寅，周舟，朱宁迪.永磁伺服同步电机在注塑机中的应用.橡胶技术与装备，2004（7）：58～60

3 王成元，夏加宽.电机现代控制技术.化京：机械工业出版，2005

4 张开飞，黄逝.基于DSP的变频压缩机PMSM数字控制系统.装备机械，2008（1）：60～63

5 顾军.基于DSP的永磁同步电机无线传感器矢量控制系统研究.南京：南京航空航天大学，2006

6 贾洪平，贺益康.基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究.中国电机工程学报，2007，27（15）：15～20

7 宁建荣，朱成实.基于永磁同步电机的全电动注塑机控制系统设计.工程塑料应用，2008，36（1）：65～68

Vector Control in the Fully Electric Injection Molding Machine Control System Design

Li Minghui1，Li Zhengqi2（1Research Institute of Light Industry，Zhejiang，Wenzhou，325000）（2Shaanxi University of Science and Technology College of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Xi＇an，710021）

Fully electric injection molding machine according to the process structure and the requirements of the control system，by analyzing the structure of fully electric injection molding machine，in the vector control applied to permanent magnet synchronous motor control on the basis，fully electric injection molding machine control system design，through analysis and research，indicating that the program could further improve precise，fully electric injection molding machine control，its stability，high reliability，better meet on fully electric injection molding machine control accuracy and stability requirements.

Fully electric injection molding machine；Permanent magnet synchronous motor；Vector control

TP273

B

1002－2872（2012）07－0027－03

浙江省温州市科技项目（项目编号：H20100044）

李明辉（1972－），博士，副教授，硕士生导师；主要研究方向为智能及高级过程控制。