建立了直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在頻響不高的場合直驅(qū)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(diǎn)都是因伺服閥而引起的。近年來在液壓領(lǐng)域興起了一種新型的電液伺服系統(tǒng)——直驅(qū)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(jī)帶動(dòng)泵直接驅(qū)動(dòng)油缸或馬達(dá)。因而又叫直驅(qū)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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效益高，是近年來液壓領(lǐng)域重要的發(fā)展分支之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)原理 本文研究控制注塑機(jī)合模動(dòng)作的DDVC。一般的注塑機(jī)合模動(dòng)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(shí)多數(shù)普通的注塑機(jī)是采用肘桿式機(jī)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(jī)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(gè)柱塞缸和增壓缸，快合模時(shí)油液從泵直接進(jìn)入柱塞缸，油箱T通過二通插裝閥CH往油缸大腔補(bǔ)油。快開模時(shí)油缸大腔的油液從CH流往油箱T。鎖模時(shí)電磁閥YA開啟，A口高壓油經(jīng)電磁閥YA打開平衡閥，同時(shí)關(guān)閉二通插裝閥。此時(shí)大腔和高壓油接通，實(shí)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(jìn)出油口流量不等。 圖1 DDCV系統(tǒng)原理圖 3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)主要由交流調(diào)速環(huán)節(jié)和泵控缸兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 3.1 交流調(diào)速模塊 交流調(diào)速模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)和泵。在矢量控制模式下交流伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比： （1） 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械方程為： （2） 式中：J-折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N·m2）； ω-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（rad/s）； Te-電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）。 電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子角速度（rad/s）；Ke-運(yùn)動(dòng)電勢系數(shù)（V·s/rad）。 將（2）式和（3）式進(jìn)行拉氏變換，得 設(shè)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(nèi)部的矢速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)簡化為一個(gè)簡單的PID調(diào)節(jié)器。得交流水磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對輸入信號的傳遞函數(shù)如下： （7） 一般說來RB+KTKe+KTKcKeKnKPID遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LJ，故可將二次項(xiàng)忽略，得交流調(diào)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(dòng)機(jī)的速度增益（rad/V）； TD-電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)（s）。 3.2 泵控缸數(shù)學(xué)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(jìn)行拉氏變換得： （9） 液壓缸和負(fù)載的力平衡方程 （10） 進(jìn)行拉氏變換得 （11） 得泵控缸數(shù)學(xué)模型： （12） 實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制時(shí)，系統(tǒng)處于壓力飽和狀態(tài)，系統(tǒng)流量全部用于補(bǔ)充泄漏流量和壓縮流量，此時(shí)負(fù)載彈簧剛度很大，可以認(rèn)為K趨近于無窮大。式（12）可簡化為 （13） 式中： Tr-時(shí)間常數(shù)（s）， ； Kr-動(dòng)力機(jī)構(gòu)的壓力增益（Pa／rad）， 。 最后得系統(tǒng)簡化的傳遞函數(shù) （14） 4 計(jì)算機(jī)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(yīng)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(yīng)曲線。圖3為系統(tǒng)對階躍信號響應(yīng)的仿真曲線，從仿真曲線看出，當(dāng)階躍信號為5MPa時(shí)，上升時(shí)間約為0.2s；圖4是系統(tǒng)對斜坡信號響應(yīng)的仿真曲線；圖5是系統(tǒng)對正弦信號響應(yīng)的仿真曲線。 仿真結(jié)果表明，直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是比較低的。當(dāng)給定信號頻率達(dá)到3Hz時(shí)，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(yīng)仿真曲線 圖4 斜坡響應(yīng)仿真曲線 圖5 正弦響應(yīng)仿真曲線 圖6 階躍響應(yīng)曲線 5 試驗(yàn) 試驗(yàn)采用下位機(jī)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(yīng)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(yàn)表明，采用直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)能滿足注塑機(jī)合模動(dòng)作中的保壓要求。 6 結(jié)論 通過對直驅(qū)式電液伺服裝置的仿真和試驗(yàn)，證實(shí)了直驅(qū)式電液伺服裝置完全能夠滿足注塑機(jī)合模控制的保壓要求。由于引入了壓力閉環(huán)控制，還能精確控制鎖模壓力，這為高精度注塑機(jī)的開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。