建立了直驅式電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型,進行了仿真分析和試驗研究。結果表明,在頻響不高的場合直驅式電液伺服裝置完全可替代傳統(tǒng)的電液伺服裝置。
1 概述
傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)對油液污染高度敏感,效率低下,元件加工精度要求高。這一系列缺點都是因伺服閥而引起的。近年來在液壓領域興起了一種新型的電液伺服系統(tǒng)——直驅式電液伺服系統(tǒng)。這類系統(tǒng)不用電液伺服閥而是用交流伺服電機帶動泵直接驅動油缸或馬達。因而又叫直驅式容積控制系統(tǒng)(Direct Driver Volume Control,簡稱DDVC)。
系統(tǒng)由于采用了閉式回路,減小了污染,不需要龐大的泵站。因沒有電液伺服閥,系統(tǒng)對油液污染的敏感度大大降低。系統(tǒng)結構緊湊、體積小、效益高,是近年來液壓領域重要的發(fā)展分支之一,具有廣闊的應用前景。
系統(tǒng)原理
本文研究控制注塑機合模動作的DDVC。一般的注塑機合模動作為:快閉模、慢閉模、低壓試合模、高壓鎖模;慢開模、快開模、慢開模、停止、頂出、退回;下一次合模周期。在合模過程中一半是開環(huán)控制。鎖模時多數(shù)普通的注塑機是采用肘桿式機械合模裝置,不能精確地控制合模力。本文采用DDVC來作為注塑機的合模裝置,并引入壓力反饋,精確控制鎖模力。液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。
圖1中的油缸集成了一個柱塞缸和增壓缸,快合模時油液從泵直接進入柱塞缸,油箱T通過二通插裝閥CH往油缸大腔補油??扉_模時油缸大腔的油液從CH流往油箱T。鎖模時電磁閥YA開啟,A口高壓油經(jīng)電磁閥YA打開平衡閥,同時關閉二通插裝閥。此時大腔和高壓油接通,實現(xiàn)增壓。壓力傳感器接K3口,K1、K2可以安裝壓力 表。
液控單向閥D1和D2用來平衡因油缸兩腔面積不等和系統(tǒng)不均衡性而引起的油缸進出油口流量不等。

圖1 DDCV系統(tǒng)原理圖
3 系統(tǒng)數(shù)學模型
系統(tǒng)主要由交流調速環(huán)節(jié)和泵控缸兩個環(huán)節(jié)組成,控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
3.1 交流調速模塊
交流調速模塊包括電機驅動器、交流伺服電機和泵。在矢量控制模式下交流伺服電機的輸出轉矩與定子電流成正比:

(1)
電動機的機械方程為:

(2)
式中:J-折算到電動機轉子軸上的轉動慣量(N·m2);
ω-電動機轉子機械角速度(rad/s);
Te-電動機電磁轉矩(N·m);

圖2 DDCV控制系統(tǒng)框圖
B-粘滯摩擦系數(shù)(N·m·s/rad) ;
TL-負載轉矩(N·m)。
電動機的電氣部分方程為:

(3)
式中:U-定子電壓(V);I-定子電流(A);L-定子電感(H);R-定子電阻(Ω);ω-轉子角速度(rad/s);Ke-運動電勢系數(shù)(V·s/rad)。
將(2)式和(3)式進行拉氏變換,得

設控制電壓到輸出電壓的比例系數(shù)為Kc,則

(6)
光電碼盤的速度反饋環(huán)節(jié)可以看作一比例系數(shù)Kn。
把伺服器內部的矢速度自適應調節(jié)簡化為一個簡單的PID調節(jié)器。得交流水磁同步電動機轉速對輸入信號的傳遞函數(shù)如下:

(7)
一般說來RB+KTKe+KTKcKeKnKPID遠遠大于LJ,故可將二次項忽略,得交流調速環(huán)節(jié)的簡化形式為一階慣性環(huán)節(jié),公式如下:

(8)
式中:KD-電動機的速度增益(rad/V);
TD-電動機的時間常數(shù)(s)。
3.2 泵控缸數(shù)學模型
低壓腔的工作壓力為零的情況下,忽略回油腔泄漏,則得流量連續(xù)性方程:

(8)
式中:Ct-總的泄漏系數(shù)(m3/s·Pa)。
對式(8)進行拉氏變換得:

(9)
液壓缸和負載的力平衡方程

(10)
進行拉氏變換得

(11)
得泵控缸數(shù)學模型:

(12)
實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制時,系統(tǒng)處于壓力飽和狀態(tài),系統(tǒng)流量全部用于補充泄漏流量和壓縮流量,此時負載彈簧剛度很大,可以認為K趨近于無窮大。式(12)可簡化為

(13)
式中:
Tr-時間常數(shù)(s),

;
Kr-動力機構的壓力增益(Pa/rad),

。
最后得系統(tǒng)簡化的傳遞函數(shù)

(14)
4 計算機仿真分析
本文在Matlab工具箱Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真模型,給系統(tǒng)輸入不同的信號,并經(jīng)過PID校正后得到系統(tǒng)的響應曲線,如圖3~5所示。
圖中曲線1為給定輸入信號,曲線2為響應曲線。圖3為系統(tǒng)對階躍信號響應的仿真曲線,從仿真曲線看出,當階躍信號為5MPa時,上升時間約為0.2s;圖4是系統(tǒng)對斜坡信號響應的仿真曲線;圖5是系統(tǒng)對正弦信號響應的仿真曲線。
仿真結果表明,直驅式電液伺服系統(tǒng)的頻率響應是比較低的。當給定信號頻率達到3Hz時,幅值的衰減和相位的滯后已經(jīng)不能接受了。

圖3 階躍響應仿真曲線

圖4 斜坡響應仿真曲線

圖5 正弦響應仿真曲線

圖6 階躍響應曲線
5 試驗
試驗采用下位機PLC控制,控制算法采用工業(yè)常用的PID算法。系統(tǒng)對階躍信號的響應曲線如圖6所示。系統(tǒng)對階躍信號5MPa的穩(wěn)態(tài)精度小于0.05MPa。試驗表明,采用直驅式電液伺服系統(tǒng)能滿足注塑機合模動作中的保壓要求。
6 結論
通過對直驅式電液伺服裝置的仿真和試驗,證實了直驅式電液伺服裝置完全能夠滿足注塑機合??刂频谋阂蟆S捎谝肓藟毫﹂]環(huán)控制,還能精確控制鎖模壓力,這為高精度注塑機的開發(fā)奠定了一定的基礎。