伺服電機驅(qū)動油泵的原理、構(gòu)成及選擇
發(fā)布時間：2012-11-06
伺服電機驅(qū)動油泵的原理、構(gòu)成及選擇近年來，節(jié)能已成為全球制造業(yè)討論的重要話題之一。根據(jù)國際能源機構(gòu)（IEA）公布的數(shù)據(jù)，受多年來經(jīng)濟快速增長的影響，中國已成為世界*大的能源消費國之一，因此，提高能源的使用效率在中國顯得尤為迫切。
繼空調(diào)、冰箱等家用電器行業(yè)實施能耗標簽后，注塑機行業(yè)也開始了悄無聲息的節(jié)能**。就注塑機的發(fā)展史而言，可以說是一段節(jié)能探索的歷史：在從定量泵向變量泵、電子變量泵、變頻直到現(xiàn)在的伺服電機驅(qū)動油泵的方向發(fā)展的過程中，注塑機行業(yè)一直在節(jié)能的軌道上不斷前行。
自注塑機問世后，主要經(jīng)歷了以下幾次大的變革：
1.往復螺桿的使用，將塑化及注射功能組合在一起，顯著降低了注塑機的成本；
2.比例壓力閥、比例流量閥和微處理器的廣泛應(yīng)用；
3.變量泵的廣泛采用；
4.全電機的推出；
5.伺服電機驅(qū)動油泵在注塑機上的應(yīng)用。
實際上，多年以前，就有一些行業(yè)人士建議將伺服永磁同步電機應(yīng)用于注塑機中，但是，由于當時電機高昂的價格和注塑機特殊的工況，使這一提議無法廣泛實施。然而，隨著節(jié)能呼聲的日益高漲，伺服電機的優(yōu)勢也越發(fā)凸顯，不可否認，其在注塑機中的應(yīng)用已成為未來發(fā)展的新趨勢。為幫助大家對伺服電機有更深入的了解，特在此對其工作原理、結(jié)構(gòu)及選型進行詳細介紹。
伺服電機驅(qū)動油泵的原理
如圖1所示，伺服電機驅(qū)動油泵的基本原理為：伺服驅(qū)動器接收從注塑機控制器傳來的壓力和流量信號，驅(qū)動伺服電機以設(shè)定的轉(zhuǎn)速運行。當系統(tǒng)達到設(shè)定的壓力時，電機繼續(xù)以一定的轉(zhuǎn)速運行以保證系統(tǒng)必要的壓力。在此過程中，轉(zhuǎn)速信號和壓力信號分別通過伺服電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變壓器和油路上的壓力傳感器反饋給驅(qū)動器，驅(qū)動器遵循壓力優(yōu)先的原則進行動態(tài)控制。 
圖1 伺服電機驅(qū)動油泵原理圖
一般，交流永磁伺服電機的尾端配有旋轉(zhuǎn)編碼器，它可將信號反饋給伺服驅(qū)動器，以形成流量的閉環(huán)控制。但是，由于螺桿的注射速度才是閉環(huán)控制的目標，而油泵轉(zhuǎn)速只是正比于注射速度，所以只能達到速度半閉環(huán)控制。當然，相對于開環(huán)控制，這要**得多。
伺服電機驅(qū)動油泵系統(tǒng)的構(gòu)成
一般，伺服電機驅(qū)動油泵系統(tǒng)包括：伺服電機、油泵、驅(qū)動器、壓力傳感器、濾波器和制動電阻。對于多個泵的系統(tǒng)，特別是5組或者10組的伺服系統(tǒng)，通常會使用并流和分流相結(jié)合的控制方案。
1.多泵并流
多泵并流的原理如圖2所示。這種控制方案是采用一套伺服驅(qū)動器作為主驅(qū)動，其余伺服驅(qū)動器作為從驅(qū)動，以實現(xiàn)并聯(lián)工作。同時，系統(tǒng)電腦輸出一組流量和壓力的模擬量信號。 
圖2 多泵并流原理圖
通常，多泵并流方案可以在兩種狀態(tài)下工作。**種狀態(tài)，主驅(qū)動器和從驅(qū)動器通過互相之間的通信，以相同的轉(zhuǎn)速運行，并輸出相同的流量；**種狀態(tài)，主驅(qū)動器單獨運行，從驅(qū)動器不工作（一般用在保壓工作段）。
2．多泵分流
多泵分流的原理如圖3所示。這種控制方案的特點是，多套伺服驅(qū)動器既可以在多泵并流模式下工作，也可以在多泵分流模式下工作。在分流狀態(tài)下，系統(tǒng)電腦輸出多組流量和壓力模擬量信號。 
圖3 多泵分流原理圖
在圖3中，通過①、②、③和④電磁閥的得電狀態(tài)分別實現(xiàn)泵2并流、分流以及泵3并流、分流的控制。當進行并流控制時，從驅(qū)動器接受的壓力、流量指令以及壓力反饋無效；當進行分流控制時，從驅(qū)動器接受的CAN通信指令無效。
這種分流控制方式比較靈活，在開合模時可以使用兩個泵，另一個泵獨立出來做頂針或者中子的動作。注射時，所有油泵一起工作，以保證注射速率。當達到保壓狀態(tài)時，又可以切換到一個主泵工作的狀態(tài)。從理論上講，注射完畢后，熔膠動作可以和開模同步完成，但兩者所需的流量都比較大。若要同時實現(xiàn)，就必須增加泵的數(shù)量，從而使成本提高。當然，對于生產(chǎn)效率要求十分高的企業(yè)，可以采用這樣的配置。但一般情況下，熔膠和開模*好分開動作，而不要同步運行。
交流永磁伺服電機的選擇
在選擇油泵時，需要綜合考慮油泵的壓力、排量和類型。一般，油泵的壓力必須大于或等于系統(tǒng)壓力P1(kg/cm2),油泵每轉(zhuǎn)的排量為：l(ml/rev)=Q(L/min)×1000/Vmax(r/min)。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，當壓力和排量都選定之后，就可以根據(jù)不同的使用特性來選擇油泵類型（見表）。
從表中可以看出，葉片泵不在所選類型之中，原因是，其正常運行需要一定的轉(zhuǎn)速支持，而伺服電機在高壓狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速很低，難以滿足要求。
在選擇交流永磁伺服電機時，應(yīng)重點注意電機的特性曲線。如圖4所示。當電機的轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后，隨著電機轉(zhuǎn)速的提升，電機扭矩逐漸下降。當轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的150%后，電機扭矩呈現(xiàn)急劇下降的趨勢。因此，該轉(zhuǎn)速不能作為伺服電機的工作轉(zhuǎn)速，且其*高轉(zhuǎn)速應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速的140%。需要強調(diào)的是，伺服電機在額定轉(zhuǎn)速附近的工作狀態(tài)*好，轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后，電流會急劇增加，不利于節(jié)能。 
圖4 伺服電機特性曲線
此外，在配置伺服電機時，還需要恰當?shù)剡x定其額定扭矩，一般可按如下步驟進行：
注塑機*大輸出功率：
P2max(kW)=P1(kg/cm2)×0.9807(kg/cm2/bar)×Q(L/min)
電機*大輸出功率：
P3max(kW)= P2max(kW)/80%
伺服電機*大輸出扭矩：
Tmax(Nm)=P3max(kW)×9550/Vmax(r/min)
由于注塑機在保壓時需要連續(xù)輸出高扭矩，根據(jù)伺服電機的特性曲線（如圖4所示），伺服電機總體工作狀態(tài)處于（S1 100℃ DT）與(S3 20℃ 5MIN)之間，所以選定電機*高扭矩為額定扭矩的180%。
伺服電機額定扭矩：
Tn(Nm)=Tmax(Nm)/180%
伺服電機選型完畢后，可以向供應(yīng)商索取對應(yīng)電機的力矩常數(shù)Kt（Nm/A）,該值與伺服電機工藝、材料以及電機額定轉(zhuǎn)速相關(guān)。
另外，伺服驅(qū)動器保壓時的電流可以按照能量轉(zhuǎn)換效率的93%進行換算：
Imax（A）= Tmax(Nm)/Kt(Nm/A)/93%
根據(jù)該數(shù)值應(yīng)小于伺服驅(qū)動器額定輸出電流的150%的原則，可以得到伺服驅(qū)動的容量。在選擇伺服電機時，通過以上數(shù)據(jù)的確定，結(jié)合實際生產(chǎn)需要，綜合油泵的壓力、排量等各項因素，便可有針對性地進行選擇。
當然，伺服電機驅(qū)動油泵也存在一些缺陷，例如，不能有效地利用電機制動時產(chǎn)生的能量，從而造成了能量的損失。另外，伺服驅(qū)動對電路有很大的干擾，會影響電子尺的測量精度。因此，需要我們不斷努力，對這些不足進行改進。
值得一提的是，對于某些制品而言，伺服電機驅(qū)動油泵的節(jié)能效果非常明顯，然而，在大型或超大型機器上，其應(yīng)用并不廣泛。理論上，伺服電機的節(jié)能效率與產(chǎn)品的壁厚、保壓和冷卻時間有很大的關(guān)系，壁厚越大其節(jié)能效果越好。而大型機器一般都生產(chǎn)壁厚制品，如汽車保險杠、儀表盤之類，所需的冷卻時間較長，如果伺服電機驅(qū)動油泵能在此得到成功應(yīng)用，其節(jié)能效果將非常可觀。當然，不是任何產(chǎn)品都適**用帶有伺服電機驅(qū)動油泵的注塑機來進行生產(chǎn)，定量泵及變量泵注塑系統(tǒng)也有其存在的價值。