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变转速泵控差动缸及低能耗注塑机技术研究

张红娟

  注塑机是一个集机械、电气、液压于一体的复杂系统。在塑料制品生产过程中,系统存在噪声大、能耗高、效率低、控制精度差等不足。发展低能耗、高性能的注塑机已成为当前注塑行业的迫切要求。本文在国家自然科学基金“新型流量自平衡泵控制差动缸电液伺服系统的理论和方法”(50775156)和山西省科技攻关项目“机电液复合驱动的新型高效、低能耗注塑机技术”(2006031149)资助下,对变转速泵控差动缸及低能耗注塑机技术进行了系统地研究,为提高注塑机整体性能做了有益地探索。 针对变转速驱动液压系统动力源永磁同步电机(PMSM)的调速特性,分析了驱动和控制电路协调控制的重要性。针对驱动电路非线性功率开关器件产生的谐波及谐波损耗,研究了电压空间矢量调制,通过合理选择零矢量位置和开关频率,降低损耗,提高效率。在此基础上对PMSM进行了矢量解耦控制,按照转子磁场定向对PMSM进行建模和解耦,设计出电流调节器和转速调节器。仿真和试验验证表明协调控制改善了系统性能。 为解决差动缸两腔面积差造成的流量不对称问题,设计新配流定量液压泵,通过理论计算和建模仿真研究了定量泵出油口和进油口的流量特性,从理论上分析了定量泵动态补偿差动缸流量差原理。针对阀控系统能量损失大和现有的泵控系统结构复杂的问题,搭建了PMSM直驱泵控差动缸回路,阐述了动态补偿系统实现方法。通过系统建模、四象限运行特性和能耗特性仿真分析,验证了动态补偿系统实现的可行性,同时为进一步改善和提高泵控差动缸动态性能,减少损耗提供了理论依据。 PMSM直驱泵控差动缸系统存在参数变化、负载扰动、滞后、非线性等不利于系统性能提高的因素,提出了模型跟踪控制和负载转矩前馈补偿的控制方法,对电机转矩和转速进行观测,根据结构不变性原理,对负载转矩进行前馈补偿,提高调速系统跟踪性能和控制性能,拓宽系统的频带,减小动态速降,提高电机抗扰性能。针对系统机电液耦合振动,提出了共振比控制,通过在负载转矩反馈环节引入共振比参数,在不改变液压系统谐振频率的前提下,有效抑制共振。为了进一步改善差动缸速度动态特性,消除缸伸出和收回时的速度静差,提出了动态前馈补偿速度闭环控制,由差动缸速度和电机转速的开环特性设计出前馈补偿函数,根据缸速度不同给定实时调用,实现差动液压缸伸出和收回时速度对称,缩短了动态响应时间,有效改善系统动态特性,提高液压缸速度跟踪控制精度,降低系统能耗。最后搭建数学模型和dSPACE试验平台,仿真和试验验证了设计方案的有效性。 为了消除差动缸位置静差,提高位置伺服系统的动态性能和鲁棒稳定性,提出速度、加速度前馈与抗饱和积分分离PI复合控制方法进行改善,根据闭环特性设计出速度加速度前馈函数,使差动缸在不同的位移给定值下,按照不同的速度加速度规律来控制,达到期望的运动轨迹。空载和加载试验表明,该策略提高了位置跟踪控制精度,改善了动态性能,有效抑制了缸运动过程的噪声,提高了抗扰性能。将PMSM直驱泵控差动缸系统应用于注塑机锁模机构,采用锁模机构虚拟样机模型作为PMSM直驱泵控差动缸负载,对锁模机构的开锁模动作进行位置跟踪控制,进一步验证了其位置伺服系统跟踪精度高、鲁棒性强,为工程实际应用奠定基础。 将采用上述控制策略后的PMSM直驱泵控差动缸系统应用于注塑机系统,分别与异步电机驱动注塑机系统的四种方案进行了控制特性和能耗对比。PMSM直驱定量泵控注塑机系统压力和流量均通过改变电机转速闭环控制,实现了驱动功率与执行机构自适应匹配控制,解决了注塑机较长时间工作在冷却和保压等部分负载工况时能耗大的问题。PMSM泵控系统消除了溢流损失和节流损失,降低了损耗。定量泵取代变量泵,不需要变量机构的辅助能源,进一步减少了能量损失。在同一条件下五种控制方案试验结果表明,PMSM直驱定量泵控注塑机系统动态与静态性能好,且能耗显著降低。……   
[关键词]:变转速泵控差动缸;低能耗注塑机;永磁同步电机;动态前馈补偿;模型跟踪控制;共振比控制
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:太原理工大学2011年
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