電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)是近年來zui受關(guān)注的驅(qū)動技術(shù)之一。本文以上海御能動力科技有限公司自主研發(fā)的注塑機電液伺服系統(tǒng)為例，分析介紹電液伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用效果。自動控制系統(tǒng)中將輸出量以一定準確度跟隨輸入量變化而變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)快是對它的基本要求。具體到注塑機，電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)被控制油泵的輸出流量和壓力快速、準確地跟隨上位機給定信號的變化，適應(yīng)注塑工藝對壓力、速度、時間的要求。

    按所用的驅(qū)動電機來分，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流伺服系統(tǒng)，後者又可分為感應(yīng)電動機伺服系統(tǒng)和永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)。直流電機的勵磁回路和電樞回路相互獨立，獨立地調(diào)節(jié)兩個磁場中的一個來進行調(diào)速，控制性能優(yōu)異，但它采用機械換向裝置，碳刷易磨損，運行時易起火花。轉(zhuǎn)子采用永磁材料的同步伺服電機比非同步感應(yīng)交流伺服電機應(yīng)用更為廣泛，主要是因為永磁材料性能不斷提高，價格下降，相對於非同步電機而言，控制較簡單，易達到高性能控制要求，因此，近年來永磁伺服電機的交流伺服系統(tǒng)發(fā)展勢頭非常迅猛，注塑機電液伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展正是順應(yīng)了這一時代潮流。

    電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

    下面以御能注塑機電液伺服系統(tǒng)為例，簡單介紹電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成。如圖1所示，御能注塑機/電液伺服系統(tǒng)主要由永磁同步伺服電機、電機轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器、伺服驅(qū)動控制器、與伺服電機同軸連接的油泵，以及檢測系統(tǒng)油壓的壓力傳感器等關(guān)鍵部件組成。

    交流永磁同步電機

圖1御能注塑機電液伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

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    永磁同步電動機特點是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高。和感應(yīng)非同步電動機相比，它由於沒有轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子損耗很小；它不需要無功勵磁電流，功率因數(shù)高，定子電流和定子損耗減小，因此，永磁電機總體效率比感應(yīng)電機高5%-10%。此外，永磁電機的zui大輸出力矩與轉(zhuǎn)子慣量的比值可比感應(yīng)電機大很多，因此永磁電機動態(tài)性能*，適於用作高精度、高動態(tài)性能的伺服控制電機。 
 功率調(diào)速范圍不夠?qū)捠怯来烹姍C的一個局限。御能公司借鑒在電動汽車電機系統(tǒng)方面的經(jīng)驗，采用永磁-磁阻同步電機的結(jié)構(gòu)，有效地突破了這一局限，可*注塑機電液伺服應(yīng)用的要求。

    電機轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器

    為控制伺服電機的力矩和轉(zhuǎn)速，需檢測電機轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。大部分伺服電機采用光電編碼器作為位置/速度傳感器。光電編碼盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易獲得較高精度，但由於其處理電路須與電機集成在一起，在電機溫度高、震動大的環(huán)境下，再加上電磁乾擾，其電子電路往往不能正常工作，出現(xiàn)丟碼，導(dǎo)致電機控制紊亂甚至損壞電機。

    御能伺服系統(tǒng)采用滿足電動汽車要求的高性能旋轉(zhuǎn)變壓器作為速度反饋部件，結(jié)構(gòu)牢固，耐高溫、抗震動、抗乾擾能力強，確保系統(tǒng)在注塑機的“惡劣”環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作，且精度可達每轉(zhuǎn)4096個脈沖。

    伺服驅(qū)動控制器

    伺服驅(qū)動器根據(jù)注塑機控制器（上位電腦）的壓力和流量的指令，控制伺服電機的電流、力矩和轉(zhuǎn)速。御能伺服驅(qū)動器包含伺服控制、整流/逆變功率、通訊接口和反饋檢測等單元。整流/逆變功率單元采用*的集成IGBT模組；伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。采用高速數(shù)字信號處理器（DSP）作為驅(qū)動器的控制核心，實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，并輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號至逆變功率驅(qū)動電路，來改變逆變器輸出功率，達到控制三相永磁同步交流伺服電機的目的。

    油泵

    作為注塑機/主動力源，油泵與伺服系統(tǒng)的良好匹配對其整機性能及節(jié)能效果至關(guān)重要。目前適用於伺服系統(tǒng)的油泵有齒輪泵、柱塞泵和螺桿泵，特性各有不同，因此伺服系統(tǒng)要能適配各種油泵，并優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。御能伺服系統(tǒng)具備*的負載參數(shù)辨識功能，可靈活優(yōu)化適配各種油泵。

    壓力反饋部件——壓力傳感器

    御能伺服系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制策略，即通過控制電機力矩與轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)注塑機油壓并使之跟隨壓力命令值。油壓信號通過壓力傳感器獲得，其精度將決定注塑機壓力的控制精度。御能可提供不同控制精度要求的壓力傳感器。

    磁場定向控制技術(shù)

    磁場定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步電機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，在磁場定向座標上，將電流矢量分量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然後分別進行調(diào)節(jié)。交流電機的矢量控制使轉(zhuǎn)矩和磁通的控制實現(xiàn)了解耦，控制轉(zhuǎn)矩時不影響磁通的大小，控制磁通時不影響轉(zhuǎn)矩，使交流電機控制與直流電機控制一樣方便，且可獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的動態(tài)特性。

    為了使電機始終維持zui大輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)需要獲得電機轉(zhuǎn)子的瞬時位置和轉(zhuǎn)速，通過將可測量的定子變量經(jīng)過座標變換，變換到轉(zhuǎn)子坐標系中，從而形成電流閉環(huán)，動態(tài)地跟蹤電流的變化，再使用速度傳感器形成速度閉環(huán)，zui終實現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)，獲得優(yōu)異的系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性及控制精度。這些復(fù)雜的運算需借助高速數(shù)字信號處理晶片DSP來實現(xiàn)。

    磁場定向控制的另一個好處是，通過力矩電流分量和磁通電流分量的分別控制，*分配電機的銅損和鐵損，從而獲得*系統(tǒng)效率。

    電液伺服系統(tǒng)控制原理與算法

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圖2電液伺服控制系統(tǒng)方框圖

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    結(jié)合圖2及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)控制原理簡單描述如下：即時接收來自注塑機電腦主控板的流量和壓力給定信號；即時檢測并反饋來自於油泵的壓力和來自於電機的轉(zhuǎn)速。

    針對給定與反饋之間的誤差，伺服驅(qū)動器的高速DSP運用各種控制算法，生成對伺服電機的控制信號，通過IGBT模塊驅(qū)動伺服電機，實現(xiàn)對壓力和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
 針對注塑機的特定應(yīng)用，御能公司開發(fā)出一系列控制算法：

    A.將現(xiàn)代非線性控制方法引入電機磁場定向控制算法，以消除磁阻電機參數(shù)的非線性影響，且對電機與控制器進行一體優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)永磁-磁阻伺服電機輸出力矩的控制。

    B.針對齒輪泵和柱塞泵壓力波動的特性，采用噪聲消除（NoiseCancellation）控制方法減小油泵輸出壓力的波動。

    C.由於系統(tǒng)在流量控制與壓力控制模態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換，采用模糊控制原理以實現(xiàn)流量和壓力控制間的平滑轉(zhuǎn)換。

    D.采用帶壓力補償?shù)牧髁靠刂疲龎毫α髁抗浪憔鹊挠绊憽?/p>

    E.采用滑模變結(jié)構(gòu)等非線性控制方法，使系統(tǒng)快速響應(yīng)并且超調(diào)小。

    F.采用弱磁控制算法，系統(tǒng)具有更好的高速特性、更寬的調(diào)速范圍。

    G.負載參數(shù)自適應(yīng)算法，使系統(tǒng)可以適配各種油泵。

    H.由於給定信號具有非線性特征，設(shè)計了給定校正算法，配合系統(tǒng)的優(yōu)異低速控制特性，有效解決了注塑機的低速爬行問題。

    測試結(jié)果

    御能伺服電液系統(tǒng)目前在注塑機的應(yīng)用已收到節(jié)能、、精密的效果。

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圖3御能伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)效率Map圖

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   圖3為御能伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)效率Map圖（包括控制器和電機），zui率達91%以上，且區(qū)（大於85%的區(qū)域）很寬，可見，節(jié)能效果顯著。

    右圖為在一家東莞客戶工廠測試的制品重復(fù)精度圖。從圖中可以看出，制品重量重復(fù)誤差<3%。測試所用注塑機為190噸，系統(tǒng)壓力160bar，伺服電機采用KT-TM-1802-D-F，油泵為普什BK55，排量55.5cc/rev；伺服控制器：KT-CT-1802-A-0。
選型配置方法

    在已知注塑機/zui大需求流量、zui高系統(tǒng)壓力時，可用下面的方法在油泵/電機/驅(qū)動器系列中配型。

    *：根據(jù)需求的zui大流量，計算油泵理論需求排量。

    理論需求排量=zui大流量*1000/zui高轉(zhuǎn)速

    排量單位：毫升/轉(zhuǎn)，流量單位：升/分，轉(zhuǎn)速單位：轉(zhuǎn)/分，zui高轉(zhuǎn)速取電機和油泵的zui高轉(zhuǎn)速中的較小值。在油泵系列中選擇排量大於并zui接近理論需求排量的油泵。

    第二：由油泵排量和系統(tǒng)zui大工作壓力，計算電機理論需求力矩，選擇電機。

    理論需求力矩=（壓力*排量*9.55）/機械效率值*60

    力矩單位：牛米，壓力單位：兆帕，機械效率取值1。

    選擇電機中額定力矩與理論需求力矩/2相近的電機。

    第三：由zui大電流選擇伺服控制器

    

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    zui大電流=額定電流*zui大壓力/持續(xù)工作壓力

    電流單位：安培。選擇伺服控制器中峰值電流大於并zui接近需求zui大電流的控制器。

    上述配型方法遵循力矩兩倍超載的原則，一般力矩兩倍超載的運行時間為20秒，三倍超載的運行時間為5秒，按比例可以計算出30秒、20秒、10秒對應(yīng)的力矩超載倍數(shù)。 
 發(fā)展方向

    伺服電液混合系統(tǒng)：除了用一個伺服電機為注塑機/提供總動力外，還可以靈活地用一個電機單獨驅(qū)動的液壓部件，或用數(shù)個伺服電機實現(xiàn)組合驅(qū)動。

    帶位置傳感器的伺服電液系統(tǒng)：通過螺桿行進油缸處的位置傳感器，可更直接的對射膠過程進行的速度和位置控制，試制品的合格率、質(zhì)量、精度有會進一步提高。

    融合塑料成型工藝技術(shù)的伺服電液系統(tǒng)：與上位機配合將注塑成型工藝技術(shù)與液壓動力系統(tǒng)相配合，可以期望將出現(xiàn)成型工藝技術(shù)與伺服控制技術(shù)融合起來的產(chǎn)品，以滿足客戶的需求。

    多泵合流伺服電液系統(tǒng)：通過CAN匯流排技術(shù)，將若乾伺服電液泵相連接形成多泵合流控制，實現(xiàn)大型注塑機液壓控制，優(yōu)化系統(tǒng)提率，增加系統(tǒng)的壽命等。