電液伺服驅動系統是近年來zui受關注的驅動技術之一。本文以上海御能動力科技有限公司自主研發的注塑機電液伺服系統為例，分析介紹電液伺服系統的基礎技術及應用效果。自動控制系統中將輸出量以一定準確度跟隨輸入量變化而變化的系統稱為伺服系統，穩定性好、精度高、響應快是對它的基本要求。具體到注塑機，電液伺服系統實現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，適應注塑工藝對壓力、速度、時間的要求。

    按所用的驅動電機來分，伺服系統可分為直流和交流伺服系統，後者又可分為感應電動機伺服系統和永磁同步電動機交流伺服系統。直流電機的勵磁回路和電樞回路相互獨立，獨立地調節兩個磁場中的一個來進行調速，控制性能優異，但它采用機械換向裝置，碳刷易磨損，運行時易起火花。轉子采用永磁材料的同步伺服電機比非同步感應交流伺服電機應用更為廣泛，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發展勢頭非常迅猛，注塑機電液伺服系統的出現和發展正是順應了這一時代潮流。

    電液伺服系統的構成

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

    交流永磁同步電機

圖1御能注塑機電液伺服系統的基本結構

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

    電機轉子位置/速度傳感器

    為控制伺服電機的力矩和轉速，需檢測電機轉子的位置和轉速。大部分伺服電機采用光電編碼器作為位置/速度傳感器。光電編碼盤的優點是結構簡單，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、震動大的環境下，再加上電磁乾擾，其電子電路往往不能正常工作，出現丟碼，導致電機控制紊亂甚至損壞電機。

    御能伺服系統采用滿足電動汽車要求的高性能旋轉變壓器作為速度反饋部件，結構牢固，耐高溫、抗震動、抗乾擾能力強，確保系統在注塑機的“惡劣”環境下穩定可靠的工作，且精度可達每轉4096個脈沖。

    伺服驅動控制器

    伺服驅動器根據注塑機控制器（上位電腦）的壓力和流量的指令，控制伺服電機的電流、力矩和轉速。御能伺服驅動器包含伺服控制、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、轉矩和電流控制器等。采用高速數字信號處理器（DSP）作為驅動器的控制核心，實現各種復雜的控制算法，并輸出脈寬調制（PWM）信號至逆變功率驅動電路，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，油泵與伺服系統的良好匹配對其整機性能及節能效果至關重要。目前適用於伺服系統的油泵有齒輪泵、柱塞泵和螺桿泵，特性各有不同，因此伺服系統要能適配各種油泵，并優化參數設置。御能伺服系統具備*的負載參數辨識功能，可靈活優化適配各種油泵。

    壓力反饋部件——壓力傳感器

    御能伺服系統采用壓力閉環控制策略，即通過控制電機力矩與轉速來調節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

    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矩控制規律，在磁場定向座標上，將電流矢量分量分解成產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然後分別進行調節。交流電機的矢量控制使轉矩和磁通的控制實現了解耦，控制轉矩時不影響磁通的大小，控制磁通時不影響轉矩，使交流電機控制與直流電機控制一樣方便，且可獲得與直流調速系統相媲美的動態特性。

    為了使電機始終維持zui大輸出轉矩，系統需要獲得電機轉子的瞬時位置和轉速，通過將可測量的定子變量經過座標變換，變換到轉子坐標系中，從而形成電流閉環，動態地跟蹤電流的變化，再使用速度傳感器形成速度閉環，zui終實現電流、轉速雙閉環，獲得優異的系統穩定性、快速響應性及控制精度。這些復雜的運算需借助高速數字信號處理晶片DSP來實現。

    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*系統效率。

    電液伺服系統控制原理與算法

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圖2電液伺服控制系統方框圖

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    結合圖2及系統結構，對系統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速。

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

    A.將現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的非線性影響，且對電機與控制器進行一體優化設計，實現永磁-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.由於系統在流量控制與壓力控制模態之間頻繁轉換，采用模糊控制原理以實現流量和壓力控制間的平滑轉換。

    D.采用帶壓力補償的流量控制，消除壓力對流量估算精度的影響。

    E.采用滑模變結構等非線性控制方法，使系統快速響應并且超調小。

    F.采用弱磁控制算法，系統具有更好的高速特性、更寬的調速范圍。

    G.負載參數自適應算法，使系統可以適配各種油泵。

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

    測試結果

    御能伺服電液系統目前在注塑機的應用已收到節能、、精密的效果。

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圖3御能伺服系統的系統效率Map圖

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

    右圖為在一家東莞客戶工廠測試的制品重復精度圖。從圖中可以看出，制品重量重復誤差<3%。測試所用注塑機為190噸，系統壓力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高系統壓力時，可用下面的方法在油泵/電機/驅動器系列中配型。

    *：根據需求的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高轉速

    排量單位：毫升/轉，流量單位：升/分，轉速單位：轉/分，zui高轉速取電機和油泵的zui高轉速中的較小值。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秒對應的力矩超載倍數。 
 發展方向

    伺服電液混合系統：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動的液壓部件，或用數個伺服電機實現組合驅動。

    帶位置傳感器的伺服電液系統：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、質量、精度有會進一步提高。

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

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