異步伺服自動控制系統的研究和應用

摘要：目前我國是伺服電機的生產大國，但不是強國。伺服電機應用最廣的就是注塑機行業，注塑機能耗較高一直是制約產業發展的瓶頸。隨著永磁同步伺服電機在注塑機上的應用，注塑機的節能降耗水平有了質的飛躍，克服了以往高能耗的缺點。但是永磁同步伺服電機因其采用稀土永磁材料，因此價格比較昂貴，并且在伺服電機節電的同時消耗了稀土這一稀缺資源，總體看來，永磁同步伺服電機實際上并未解決耗能方面的問題。鑒于行業現狀，亟待研發一種異步伺服電機，使其節電其性能與永磁同步伺服電機接近，但價格相對低廉，并且擺脫了對稀土材料的依賴，真正達到節能降耗的目的。本文通過比較異步電機、同步伺服電機、正在研發中的異步伺服電機三者在能耗、精度等方面的表現，將得出異步伺服電機的研發工作對于國家節能減排戰略的意義。

關鍵詞：異步電機；同步伺服電機；異步伺服電機；注塑機

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 18-0047-01

目前，注塑機正向高效、節能的方向發展，將交流伺服電機應用到機器上將最大限度改善注塑機的性能，我們先從交流伺服電機的原理來分析它的優點。

交流永磁伺服電機的轉子設計采用高性能稀土永磁材料，通過減小轉子直徑來降低慣性，再以加長轉子來增加轉矩。伺服電機的外觀也明顯看見是直徑小但長度唱的特征。通過能耗對比實驗表明，電機完全根據實際工況進行自動調速，大大降低了輔助工段的能量損耗，節能效果最大40%左右。空載和滿載（14MPa）響應時間小于180ms，生產效率提高20%左右。但同樣工況條件下，若采用普通異步電機，存在空轉狀態，期間大量液壓油會通過溢流閥流回油箱，其結果：（1）電機空轉存在電能浪費；（2）液壓閥門沖刷磨損；（3）液壓油溫升高使得對液壓油品質要求較高，否則故障率上升；（4）因沒有閉環控制，會導致機器穩定性能變差；（5）變量泵噪音大；（6）為防止液壓油溫度上升影響系統正常工作，需采用循環水系統達到降溫目的，進一步增加了成本。

從而，伺服電機孕育而生。其自動控制系統主要由電腦控制器及一整套信號處理系統組成，在實際樣機檢測中，解決了異步電機帶來的一系列問題，總體來說有以下幾個優點：1.節能；注塑機在整個注塑過程：合模、射膠、熔膠、冷卻、開模、脫模中負載有很大變化，對于恒速定量泵系統電機始終全速運轉耗能嚴重。而永磁伺服電機電液系統可明顯節能：（1）伺服電機電液系統在冷卻階段電機完全停轉，全不耗電，（2）在保壓階段電機則以極低速運轉，耗能極微，（3）在消耗功率最大的射膠階段本系統則通過流量壓力閉環控制以保證系統運行于最佳（最節能）狀態。2.高精度：實現低流量、低壓的可靠控制，低壓、低流量時重復性達±0.5%。3.低油溫：可減小油箱尺寸，延長液壓油使用壽命。同時可節約冷卻用水。4.低噪音：注塑機噪聲主要來自電機與泵的運轉，交流伺服電機與齒輪泵組合成驅動源，特點噪聲低。保壓20.6Mpa時68DB。5.優越的自動控制性能：無級PQ模擬控制及電機轉子的低慣量結構可保證系統對壓力、流量、電壓、電流實現最佳控制。當壓力反饋信號小于或接近壓力給定信號時，輸出流量等于或小于流量信號給定流量時，進行壓力閉環自動控制。且保證響應快、無超調及振蕩。

但是，同步伺服電機也存在不可避免的缺陷，比如：（1）消耗稀土這一國家戰略資源，不具有可持續性。（2）存在退磁的風險，從而導致整臺電機報廢。（3）成本相對較高，一臺永磁伺服電機的造價和兩臺異步電機相當。（4）維修復雜，永磁同步電機結構復雜，增加了維修的難度。于是，交流異步伺服電機成為近年來我們研究的重點，在國內也尚屬首次。其由交流異步伺服控制器，異步伺服電動機，壓力傳感器，油泵，濾波器，制動器等組成。目前經過樣機試驗，已解決了油泵在低速下的液壓系統也能達到較高的壓力的問題。試驗表明，與異步電機相比異步伺服電機節電達到33%以上，同步伺服達到40%左右。交流異步伺服電機具有響應速度快、過載能力強（3倍）、體積小、投資成本低，集合了同步伺服電機的眾多優點，同時不需要消耗稀土材料，真正做到了可靠性高、成本低、無退磁風險進而具有更高的性價比。下面我們將異步電機、同步伺服電機、異步伺服電機在注塑機各工段所表現的性能做一個對比從而說明異步伺服電機的優越性。

目前稀土開采帶來的資源流失和環境破壞已成為了世界各國的共識。因此交流異步伺服節能型注塑機的研發制造完全符合我國節能減排這一基本國策的要求。必將改變目前伺服電機市場的格局。隨著政府和企業越來越重視環保與節能，異步伺服具有良好地經濟效益和社會效應，必將成為未來伺服電機行業發展的趨勢。

參考文獻：

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