《变频器伺服器现代工程应用》课件 崔成旺 项目6-10 液压挤压机伺服器驱动控制- 风力发电机桨距角变频跟踪控制

项目导航1.知识目标（1）掌握变频器的闭环PID控制(2)掌握风机的工作原理和应用(3)掌握垃圾焚烧电厂的工艺流程

(4)掌握变频器的维护2.技能目标(1)掌握变频器在风机上应用的调试技术（2）掌握传感器的选用知识准备6.1液压传动基本概念传动动力源有3种，电力动力源、气压动力源和液压动力源。这3种动力源各有各的特点，具有互补性，在传动设备上各自发挥着应有的作用。6.1.1液压传动原理1.帕斯卡定律帕斯卡定律是流体静力学的一条定律，它指出，不可压缩的静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点。人们利用这个定律设计并制造了水压机、液压驱动装置等流体机械。图6-1是帕斯卡定律说明图，图中活塞S1受到压强F1，在活塞S2产生压强F2，二者关系式为5.2（6-1）根据帕斯卡定律，在压力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大至第一个活塞的10倍，而两个活塞上的压强相等。由于液体不可压缩又可以流动，可以传递动能，并可以进行压力“放大”，在工程上得到广泛应用。图6-1帕斯卡定律图2.液压油作为工质

液压控制需要工质，水是最廉价的工质之一，但在液压控制中，对工质又有很多工艺方面的要求，除了不可压缩，还要求合适的粘度、良好的润滑性、良好的抗氧化性等。现在常用液压油是：由深度精炼的中性基础油，并添加了抗氧化和防锈添加剂制成。按40℃运动粘度分为15、22、32、46、68、100六个牌号‌，供选用。6.1.2液压传动的特点1.传动效率高液压传动采用液压油作为传递介质，液压油的流动性能优异，能够在高速运动时保持较高的传动效率（一般为0.8~0.85），同时也能够在低速运动时保持较高的扭矩输出。2.传动精度高液压传动系统采用液压控制阀进行控制，能够实现精确的传动调节，可以满足不同工况下的传动要求，同时还具有反馈控制和自动保持功能。3.传动力矩大由于液压传动采用了液压油作为传递介质，液压油的体积不可压缩，因此可以在较小的空间内产生较大的力矩输出，能够满足大功率传动的要求。4.爆发力大爆发力是传动系统提速时需要的功能，液压是阀门控制，阀门开启液力就加上，几乎不用加压时间，如机器狗的跳跃动作需要的就是爆发力。冲压设备也需要暴发力。5.传动可靠性高液压传动系统采用了液压油作为传递介质，液压油具有较高的热稳定性和化学稳定性，能够在不同的工况下保持稳定的传动性能，同时还具有一定的自润滑和自冷却功能，能够延长传动系统的使用寿命。综上所述，液压传动应用广泛，已经形成巨大的产业群。6.1.3液压控制系统的组成1.动力源液压控制系统的动力源是油泵（又称液压泵），它是整个液压控制系统的动力源。如各种阀体的动作、换挡执行元件的工作等都需要一定压力的液压油。油泵的基本功用就是提供满足需求的油量和油压。2.执行机构执行机构主要由油马达、转角马达、油缸等组成，其功能是在压力油的作用下，完成负载的驱动做功。3.控制机构控制机构包括阀体和各种阀门，包括主调压阀、手动阀、换挡阀等。主要负责将液体的压力能转换为机械能，‌通常包括液压缸、‌液压马达等，‌实现直线往复运动或回转运动。‌4.辅助装置‌包括油箱、‌滤油器、‌油管及管接头、‌密封圈、‌压力表、‌油位、油温计等，‌用于连接、‌输油、‌贮油、‌过滤、‌贮存压力能和测量等作用。‌5.传动介质‌即液压工作介质，‌包括各种矿物油、‌乳化液和合成型液压油等，‌负责在液压系统中传递能量。‌6.2液压动力部件6.2.1液压油泵分类液压油泵种类繁多，有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等。表6-1给出了齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的性能参数。由表中可见，柱塞泵输出压力高，原因是：如果柱塞泵的柱塞直径选的小，用较小的力就能输出很高的压力；而负载侧的油缸直径选的大，在受压面上就可以得到很大的压力，一台小型液压压力机，就可以有上千吨的压力。表6-1液压系统常用液压泵的性能比较6.2.2柱塞泵1.柱塞泵分类柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵品种繁多，应用广泛。有单柱塞泵、卧式柱塞泵、轴向式柱塞泵、直轴斜盘式柱塞泵、径向式柱塞泵等。2.径向式柱塞泵工作原理（1）径向式柱塞泵结构原理分析图6-2是径向柱塞泵外形图，图中泵的右边是恒压阀，作用是防止压力过载损坏油泵。当泵内压力超过设定压力值就自动放油。泵中左边的变量活塞是调整出油量的大小。图6-2径向式柱塞泵外形图6-3是径向柱塞泵工作原理图，由图中可见，定子不动，转子转动。转子连接“衬套”，安装在“配油轴”上，“配油轴”固定不动，转子和“衬套”在定子和“配油轴”之间转动。图6-4“配油轴”结构

定子和转子之间具有偏心距e，转子旋转1周，转子上的每个柱塞具有“e”的往复移动量，完成1次吸油压油过程。吸油是从“吸油腔”吸入，压油是从“压油腔”压出。图6-3径向柱塞泵原理图图6-4是“配油轴”的剖面图，“配油轴”固定在定子上，不随转子转动。“配油轴”分上下两部分，上半部分通过2个轴孔（a1、a2）通到外壳的进油口；下半部分通过2个轴孔（b1、b2）通到外壳的出油口。即“配油轴”是以中心线为界，上部是吸油、下部是压油。“衬套”安装在转子内，随转子一起转动，是转子和“配油轴”之间的滑动轴套。转子中有5个柱塞孔（见图6-4），每个孔中配备1个柱塞。转子轴心和定子轴心具有偏心距e，调整e值的大小，可以调整柱塞泵的出油量。单个柱塞泵在压油区的行程等于定子偏心距的两倍，因此，泵的排量为图6-4“配油轴”结构（6-2）式中，V——油泵的排量，单位m3；

d——活塞的半径，单位为m；z——活塞的个数，单位为自然数；e——偏心距；单位为m。通过机体上的“变量活塞”来调整e值的大小（见图6-2），进行油泵的变量控制。

（2）工作过程

当转子顺时针高速旋转时，柱塞在离心力的作用下和定子的内表面接触。随着偏心距的增加，柱塞和转子形成的空腔增加，此时为吸油过程。通过“配油轴”的上半部分提供吸油。

当柱塞转过了水平中心线，空腔逐渐缩小，此时为压油过程。通过“配油轴”的下半部分将油压出。当转子高速旋转时，油泵输出连续的液压油。3.柱塞泵的特点及应用（1）柱塞泵的优点①输出压力高、结构紧凑、效率高；②传输功率大、转速范围宽、寿命长；③品种齐全，可满足各方面的应用。（2）柱塞泵的缺点①对工作介质清洁度要求苛刻；②结构复杂价格高；③维护困难。（3）柱塞泵应用因为柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，柱塞泵被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合。如龙门刨床、拉床、起重机、锻压机械、矿山机械、冶金机械、船舶，飞机等。4.总结（1）油泵的输出压力取决于负载，与流入的流体多少无关。根据帕斯卡定律，当负载不需要压力（油缸空载），则油泵输出也没有压力。（2）速度取决于流量，与流体压力大小无关。负载的活塞运动速度取决于进入液压缸的流量，进入液压缸的流量越大，活塞的运行速度就越大。与负载的压力没有关系。

液压控制就是满足负载的压力控制和流量控制。（3）液压油泵是容积泵

液压油泵在工作时，通过把独立的小容积油从进口搬运到出口，油是不可压缩性物质，自身不存在弹性，进口油流量Q和出口油流量Q相等，流量大小和转速成正比；容积油泵的出口压力P和油泵的转速无关，和油管“憋泵”压力P相等。油泵可以并联工作，很少串联工作。6.2.3液压油缸1.常用油缸油缸是直线控制部件，根据工作要求，具有多种结构。图6-5是常用油缸结构示意图。图（a）是单向油缸，只在一个方向有力的作用，如千斤顶。图（b）是双向油缸，活塞杆可以输出顶力和拉力。（a）单向油缸

（b）双向油缸图（c）是往复油缸，活塞往复运行，拖动工作台往复运行，用于往复加工。图（d）是双柱塞油缸，通过两个正反柱塞，组成工作台的往复运动。特点是每个柱塞承受的是单方向的顶力，结构简单工作可靠。（c）往复油缸

（d）双柱塞油缸

图6-5常用油缸图6-6是实体油缸图。图6-6实体油缸2.油缸结构油缸主要由缸筒、缸底、活塞、活塞杆、耳环以及密封和导向装置组成。图6-7是油缸结构图。图6-7油缸结构图（1）缸筒缸筒是油缸的外壳，首先缸筒要有足够的强度，在高压油的作用下不能出现断裂、变形等事故。其次是加工精度要高，其内壁的几何精度、光洁度、硬度都有具体的要求。（2）活塞活塞是在缸筒中受压移动部件。活塞的加工精度要高，活塞的直径和缸筒的内径是“动配合”，为了防止泄漏，采用密封环和密封圈密封。良好的密封非常重要，如果密封不严，活塞在保压停止中会出现“位置”变动。（3）活塞杆活塞杆要有足够的强度和刚度，工作中不能出现弯曲变形。光洁度要高耐磨性要好。（4）耳环耳环是油缸和负载的连接环，一般缸底上的耳环用于固定油缸，活塞杆上的耳环用于连接负载。6.2.4液压马达液压马达是在液压油的作用下旋转工作的控制部件，将液体压力能转换为旋转运动驱动负载做功。1.齿轮液压马达图6-8是齿轮马达原理和实体图。在图（a）中，两个油口对称分布，要想改变转向，交换进油口和出油口即可。图b是齿轮马达原理和实体图。（a）原理图

（b）外形图图（b）是外形图，图中输出轴采用的是其中的一个主动齿轮作为输出轴，从动齿轮将压力转矩通过轮齿传递给主动齿轮，即输出轴的转矩是两个齿轮的转矩之和。2.

摆动式液压缸摆动液压缸能实现小于360°角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达。（1）摆动油缸原理

单叶片摆动液压缸见图6-9所示，主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块固定在缸体上，叶片和“摆动轴”固连在一起，当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。由于有定子块阻挡，摆动角小于360°角度。图6-9摆动式液压缸（3）摆动式液压缸的用途摆动液压缸是一个装配紧密的部件，整个摆动液压缸在较小的空间内可作出较大的扭矩。尽管动力很高，但是转角仍然可以精确容易地控制，摆动液压缸已经成功地应用在了几乎所有要求“有限旋转”和要求大扭矩的领域。

6.3液压控制部件及控制系统6.3.1控制阀1.溢流阀

溢流阀是液压油路的压力超过了设定值，进行泄流降压的保护装置。

图6-10（a）为直动型溢流阀结构示意图。图中1为阀体，2为阀芯，3为调节弹簧，4为调节手轮。根据系统的额定压力，通过手轮调整弹簧的预应压力，工作时当系统的压力高于了弹簧的预应压力，阀芯被顶开放油；当系统压力回到设定值，阀芯关闭。溢流阀用于过压保护，不作为稳压应用。图图（b）是溢流阀外形图，该溢流阀是在液压站上安装，油口通过橡胶圈密封。图（c）是图形符号，在油路图中应用。（a）结构示意图

（b）外形图

（c）图形符号2.单向阀单向阀是只允许液流单方向流动的阀门。图6-11是单向阀原理图，图中1为阀体，2为阀芯，3为弹簧。图（a）是关断状态，图中B端压力高于A端压力，阀芯被压紧，油路不通。图（b）是导通状态，A端压力高于B端压力，阀芯被顶开，油路导通。图（c）是应用符号，注意符号图的意义，“O”端压力高截止；“Y”端压力高导通。该单向阀为管道安装，阀体两端有内螺纹，用于和管道安装在一起。（a）关断状态

（b）导通状态

（c）符号图6-11单向阀3.节流阀（1）节流阀工作原理节流阀又称调速阀，通过调整供油流量来调整油缸或马达的运行速度。节流原理和自来水阀门相类似，也是通过调整阀门的开度来调整流量的大小。因为节流阀是工控部件，要求控制精度很高，其结构远比水用阀门复杂。图6-12（a）是节流阀结构原理图。图中节流阀分为“主控阀”和“先导阀”两部分。“主控阀”用于阀门的开闭；“先导阀”用于阀门的控制。在“主控阀”上开有“阻尼孔”，高压油可以通过“阻尼孔”由高压端（P1）流到低压力端（P2），当“先导阀”没有打开时，P2=P1，“主控阀”不受力，在“主阀弹簧”的作用下处于关闭状态。

图6-a12节流阀原理图当通过“调压手柄”打开“先导阀”，“阻尼孔”中的高压油通过“先导阀”流进“主控阀”的中心孔而流向出油口T，引起P2压力下降，“主控阀”压力失衡而上移，阀门打开。阀门的开度和“先导阀”的开度成正比，调整“先导阀”的开度就可以控制“主控阀”的开度。采用“先导阀”控制“主控阀”的目的就是为了减小手动调整的压力，提高控制精度。

图6-a12节流阀原理图（2）节流阀的用途液压节流阀的用途非常广泛，‌主要包括控制流量、‌提高系统稳定性和可靠性、‌以及实现精确控制。油路符号见图6-13所示。‌图6-13液压部件符号图6.3.2液压电磁换向阀电磁换向阀是通过电磁线圈驱动阀芯移动进行换向的阀门，是由电信号控制，实现控制自动化。1.三位四通电磁换向阀（1）电磁换向阀外形三位四通电磁换向阀是油路换向开关。是通过电磁铁的吸力控制阀芯移动，完成油路换向。图6-14是三位四通电磁阀外形图，电磁阀的4个油路接口在图的背面，正面的4个安装孔是将电磁阀固定在液压站上。图6-14电磁阀外形（2）电磁阀工作原理图6-15是三位四通电磁换向阀剖面图，三位是指阀芯具有3个位置，四通是指有4个油路接口。阀体两端是电磁铁，电磁铁是由线圈和衔铁组成。左边的线圈通电，衔铁向右移动；右边的线圈通电，衔铁向左移动。当两端电磁铁均不通电，阀芯处于中间状态。工作原理为：图6-15电磁阀剖面图①“阀芯”是一个精密的金属圆柱，在圆柱上加工出“油路环槽”，“油路环槽”对应到阀体的油路，油路接通；“油路环槽”离开阀体油路，油路被“阀芯”堵死。②两端线圈都没通电，阀芯处于中间位置，油路关闭。③左边电磁铁通电，阀芯向右移动，高压油路和右边工作油路接通，同时左边油路和油箱接通放油；④右边电磁铁通电，阀芯向左移动，高压油路和左边工作油路接通，同时右边油路和油箱接通放油。图中的活塞杆移动到设定位置，撞到行程开关，由行程开关给出换向信号，控制电磁铁换向，形成自动往复运行。6.4伺服器原理与选型6.4.1伺服器简介1.变频器和伺服器的区别（1）变频器功能变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成可变频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因因数等功能。变频器可驱动变频电机、普通交流电机，主要是进行电动机的调速控制。（2）伺服器功能伺服器是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。2.伺服器和变频器的异同（1）交流伺服器和变频器电路比较交流伺服器和变频器同属于驱动控制电器，变频器驱动的是变频电机调速工作，交流伺服器是驱动伺服电动机工作。二者都是工作在三相交流电网的驱动电器，都是先整流后逆变，进行变频控制，控制电路没有太大区别。

（2）控制原理和控制策略

变频器是速度控制器，通过改变变频器的控制速度，完成负载的调速控制。至于负载的速度和变频器的速度是否绝对同步，在工程上没有严格要求。

伺服器主要是跟踪转角、位置的跟踪控制器。我们可以举例说明变频器和伺服器的区别：假如：

有A车和B车，A车拉着B车运行。假如A车和B车是由刚性体连接，在运行中B车和A车之间保持位置不变，这就是伺服控制；假如A车和B车是由皮条连接，B车跟随A车运行是没有问题的，但不能保证B车和A车之间的位置不变，这就是变频器的速度控制。3.伺服器控制

伺服器和变频器的根本区别在闭环控制上。伺服器驱动的是三相永磁同步电动机，电动机的转速和伺服器的输出频率同步。这在变频器上应用速度的控制精度就足够了，但在伺服器上还不行。伺服器要求的是高精度同步，当电动机的负载发生变化时，电动机和旋转磁场会发生“θ”转角变化，“θ”转角变化使伺服器失去价值。由此，伺服器采用“旋转变压器”进行转角检测，将检测到的转角误差反馈到伺服器的输入端，进行PID闭环控制，将误差转角进行矫正。矫正后电动机和旋转磁场达到理想同步。4.变频器不能代替伺服器如果变频器也采用三相永磁同步电动机和用“旋转变压器”进行转角检测，不就和伺服器一样吗？实际上不然，变频器只有1.5倍的过载能力，响应速度慢，没有爆发力。伺服器具有3倍过载能力，响应快，能够完成快速跟踪。5.伺服器控制系统

伺服系统的工作原理简单说就是在变频器矢量控制的基础上，通过旋转编码器、旋转变压器将速度和位置信号反馈给驱动器做为闭环负反馈调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环（矢量控制环），通过这3个闭环控制，使电动机的输出准确的跟踪目标信号，速度响应极快（20ms内速度从0上升到2000r/min）。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。图6-17是伺服器闭环控制。6.两者的市场竞争由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同，主要的竞争集中在：技术含量竞争。在相同的领域中，若采购方对机械的技术要求较高并较为复杂，则会选择伺服系统。反之则会选择变频器产品。如一些数控机床、电子专用设备等高科技机械均会首选伺服产品。价格竞争。大多数采购方会顾虑成本，常常把技术忽略而首选价格较低的变频器。众所周知，伺服系统的价格差不多是变频器产品的几倍。尽管目前伺服系统的应用还未普及，但随着工业化进程的加快，技术的进步，伺服器也会得到广泛应用。6.4.3伺服器选型与应用1.伺服器选型伺服器也是用途非常广泛的智能电器，根据用途不同，分为通用伺服器和专用伺服器。本项目是液压挤压成型机应用，故选择液压油泵专用伺服器。图6-18是MH860A伺服器外形，图中正面是操作面板，和变频器结构基本相同。图6-18伺服器外形图6-19是伺服器配置全景图。由图中可见，伺服器外围电路的配置和变频器基本相同，因为主电路和变频器没有区别，工作中都会出现电磁干扰。2.伺服器功能端口

图的左面是指令端口，右面是强电端子和旋转变压器接口。下面进行简单分析。

（1）压力传感器液压油泵控制必须要有压力传感器，将传感器的的引线连接到对应的端口即可。（2）系统控制器AI1是流量给定端子；AI2是压力给定端子。流量和速度成正比，该端子也可以作为速度给定。AO1、AO2是模拟输出指示端子，根据需要进行选择。DI1~DI6是6个数字输入控制端子，都已经明确了功能，如果个别端子功能有更改，设置参数即可。O1、O2、RA-RB端子是3个数字输出指示端子，也已经明确了功能，也可以改动。（3）主回路端子输入回路由380V供电；制动电阻是停机制动的，因为减速时间很短，电动机具有惯性能，要设置制动电阻制动。（4）输出端子和旋转变压器UVW输出端口连接伺服电机。伺服电机系指伺服器专用电机，就是三相永磁同步电动机，工作时和频率同步。三相笼型电动机称为变频电动机，工作时电动机转速和频率不同步，只能用于变频器。旋转变压器是检测电动机转角的传感器，用于电动机位置检测。旋转变压器检测精度不如PG旋转编码，但坚固耐用。3.伺服器应用

伺服器的特点是过载能力强、控制精度高、响应速度快。适合应用在频繁启动、响应速度快以及控制精度要求高的场合。

本机主要应以是响应速度快。任务实施任务

液压挤压成型机伺服器控制一、

液压挤压成型机分析1.1液压挤压成型机概述1.

液压挤压成型机用途“液压挤压成型机”简称“液压机”，属于新工艺设备‌。液压挤压成型机利用液压和模具使工件挤压成形，是一种塑形加工技术，具有多种优点。液压挤压成型机的应用领域广泛，尤其在航空航天、汽车制造等领域有重要应用。随着技术的不断发展成熟，它在民用制造领域也逐渐得到应用。2.

液压机原理（1）四柱拉伸式液压机图6-21（a）是四柱拉伸式液压机，其结构是通过压力油缸推动活塞杆向下移动，给模具施加压力，工件在模具中被压延塑变。当板材被压延成型时，结构出现拉伸形变，故称为拉伸式液压机。该液压机适合板材的挤压成型。图6-21a

四柱拉伸液压机

图6-21（b）是冷挤压成型液压机，该机的机体不是由四根立柱支撑，是由钢板焊接成的整体，具有更大的强度和刚度。工作原理是一样的，可以输出更大的压力，将整体金属部件挤压成型。图6-21b

液压导轨式冷挤压机6-22是部分挤压成型部件，图（a）是动力电池的金属外壳；图（b）是金属传动部件。（a）金属外壳

（b）机械部件6-22挤压成型部件3.液压机模具

图6-23是新能源电池的外壳挤压模具外形图，新能源电池的外壳采用金属制造，具有复杂的外形结构，通过模具挤压成型。图中“上模”安装在液压机的“压板”上，“下模”安装在“底座”上。工作时将裁剪好的金属板下料到“下模”中，由上模施加压力，使金属板拉伸变形，按照模具的尺寸精度形成产品。挤压成型后，“下模”的“顶出缸”将工件顶出。图6-23新能源电池外壳挤压模具6.5.2液压机选型与油路分析1.“本任务”液压机选型选择四柱拉伸式液压机，液压机参数为：型号‌：300T；额定压力‌：25Mpa；油箱容量‌：1000L；重量‌：5000kg‌；配备柱塞泵供油。配备电动机参数：额定功率11kW；额定工作电压380V；额定电流22A。选择“英威腾”国产伺服器，型号为：MH860A；额定功率:13kW；额定转速1800r/min；额定转矩：72N·m；额定电流：30A；最大电流：63.5A。2.液压机控制油路油路是液压机动力的来源，由油泵、油缸、控制阀、油管、油箱、储能器等部件组成。图6-24是四柱拉伸液压机的油路图，下面分析其工作原理。图中伺服电机是柱塞泵的动力源，通过伺服电机控制柱塞泵的油压和流量。换向阀1和换向阀2是控制整个油路换向的开关。阀芯的两端由电磁铁控制，电磁铁通电，电磁铁的衔铁对阀芯产生“顶力”，使阀芯移动“改道”，完成油路换向。图6-24四柱拉伸液压机的油路图液压机有“主缸”和“顶出缸”，“主缸”完成工件的挤压成型；“顶出缸”完成成型工件从模具中顶出。一个工件的挤压成型，液压机通过6步来完成。（1）起动油泵活塞快速下行油泵起动，换向阀电磁铁2YA/4YA通电，阀芯左移，压力油通过单向阀I3、I2流进主缸的“上腔”，“下腔”通过换向阀2将油泄入油箱。起动后“上腔”活塞在重力的作用下迅速下行，使上腔形成真空，液压机顶部的“储油箱”在大气压作用下，通过单向阀I1向“上腔”放油，使活塞迅速下行。当上滑块接触到模具，压力上升。（2）接触工件慢速加压在“滑块”接触到工件后，阻力增加，这时主缸“上腔”压力迅速升高，单向阀I1受反向压力而关闭，这时只有液压泵继续向主缸“上腔”供油，推动活塞慢速下行。（3）保压延时当主缸“上腔”的油压达到预定数值时，“压力继电器KP”动作，发出信号使电磁铁4YA断电，电磁阀回到中位。此时“主缸”处于保压状态，使挤压工件定型。因为伺服器是恒压控制，当流量被截断，伺服电机转速很低。保压时间由PLC定时器设定，一般在2s~4s之间。（4）泄压、快速返回保压结束后，PLC发出运行信号，电磁铁2YA/3YA通电，液压油通过I3和换向阀2进入主缸的“下腔”，活塞上移，上腔的液压油被压进“储油箱”储存。（5）原位返回当液压机“上滑块”的“挡铁”碰到行程开关QS1，2YA/3YA断电，主缸锁死；1YA通电，液压油进入顶出油缸“下腔”，顶出活塞上行，将挤压成型的工件顶出。（6）顶出缸返回原位当“顶出缸”上的“挡铁”碰到“行程开关QS2”，1YA断电，2YA通电，顶出缸活塞下行。当下行到“挡铁”又碰到“行程开关QS3”，2YA断电，换向阀回中，伺服器也停止工作。6.5.3伺服系统指令信号选择1.伺服器控制指令选取伺服器根据液压机的控制需要，选择的控制指令见表6-2。6-2伺服器控制指令3.PLC指令选取PLC是上位机，即对伺服器进行控制，还要对液压机的数字信号进行控制。图6-25是PLC指令和执行部件逻辑图，液压机在工作中，通过6个“工步”完成一个工件的加工任务，“工步”的控制是由压力继电器和行程开关给出的开关信号，这些开关信号要通过PLC进行逻辑编辑后，再输出控制信号，对液压机进行控制。图6-25PLC指令逻辑图3.伺服器和PLC电路连接图图6-26是伺服器和PLC端子连接图。由图中可见，伺服器的运行、复位由PLC控制；空压机的换向阀也由PLC控制。图6-26伺服器和PLC端子连接图。（1）伺服器外围电路功能伺服器的压力给定由电位器控制，调整比较方便。给定端口AI2是伺服器默认，不用另行设置；压力反馈端口为AI3端口，也是伺服器默认。压力传感器在项目4已经做了分析，不再重复。压力传感器的压力按液压机的额定压力值选择，液压机的额定压力为25Mpa，即传感器的额定压力‌也为25Mpa。压力传感器又称压力变送器，通过管道接口连接在高压油路端（见图6-24）。压力是PID闭环控制，要设置PID参数。流量由AI1端口控制，通过电位器给定0~10V电压，调整流量大小。伺服器电动机为同步伺服电机，转速和旋转磁场同步，但是，随着转矩的变化，伺服电机转子的“磁心线”和旋转磁场的“磁心线”会不重合，不重合度用功角“θ”表示，转矩越大功角“θ”越大，伺服电机的跟踪误差越大。旋转变压器是检测功角“θ”的传感器，将旋转变压器的检测信号反馈到伺服器的输入端，对功角“θ”进行闭环PID跟踪控制，旋转磁场和伺服电机的转角误差被消除。旋转变压器是伺服器的标准配置，连接上即可，不用再设置参数。通过旋转变压器反馈控制，伺服电机不但和旋转磁场同步，还和功角“θ”同步，在位置控制时没有了误差。为了进行良好的位置控制，还有一个条件不能忽视，就是当负载的惯性较大时，伺服电机要有足够的转矩，否则会造成失速。解决的方法是增加伺服器的功率容量，能够提供较大的转矩。伺服器的过载能力是变频器的2倍，保证了伺服器过载时的输出转矩。压力指示和流量指示采用表头指示即可，通过参数进行选择。（2）PLC外围电路功能图中选择西门子S7-1200PLC，数字信号连接到PLC的映像“I”端子上，“I”端口是数字输入端口；输出的数字信号在“Q”端口输出。输入信号经过PLC内部进行逻辑和时序控制，由输出端输出控制信号。6.5.4伺服系统参数选择与调试1.伺服器参数选择伺服器除了电动机参数需要设置，所选端子功能都已经给定。表6-3是部分参数选择表。6-3伺服器参数选择表2.PLC控制程序图6-27是PLC指令程序，通过指令程序对液压机进行顺序控制。将该程序下载到PLC，将Q端口连接到伺服器和换向阀，即可对空压机进行控制。6.5.5液压挤压成型机使用与维护图6-28是液压挤压成型机系统图，在使用前要对液压机有全面的了解，还要掌握常用维护知识。（1）‌操作前检查‌

在使用液压挤压成型机之前，必须认真阅读设备的使用说明书，了解设备的基本结构、工作原理、操作方法和注意事项。操作人员应具备一定的机械知识和技能，熟悉成型工艺和设备调试方法‌。开机前，需要对设备进行全面的检查，包括电气系统、液压系统、润滑系统等是否正常，各部件是否紧固，是否有异常声响或泄漏现象‌。（2）正确操作‌在操作设备时，需要按照规定的程序进行操作。首先正确放置模具，确保模具安装牢固、位置准确。然后调整设备的工作压力、速度和行程等参数，根据具体的成型要求进行合理的设置。在操作过程中，保持注意力集中，观察设备的运行状态和成型效果，及时进行调整和处理。（3）安全操作‌在操作过程中，严格遵守安全操作规程，佩戴好防护用品，如安全帽、手套等。禁止在设备运行过程中进行维护、检修等操作，以免发生意外事故。设备出现故障或异常情况时，应立即停机检查，并通知专业人员进行维修‌。2.维护保养（1）定期润滑‌润滑是维护液压挤压成型机正常运转的关键。应定期对设备的润滑点进行检修和加油，确保润滑系统的正常运行‌。（2）清洁保养‌液压挤压成型机工作时会产生大量铁屑和尘埃等杂物，这些杂物会影响设备的正常运转。因此，应定期对设备进行清洁，避免杂物进入设备内部‌。（3）检查电气设备‌定期检查电气设备的电路和接线状态，排除电气设备中的飞升现象，以保证设备运行的安全性‌。（3）检查油液质量‌定期检查油液的质量和补充油量，防止油液泄漏和氧化等问题影响设备性能‌。（4）其他保养‌检查各部位螺栓是否松动并及时紧固，检查液压系统是否漏油并及时处理，保护各种仪表，每年校核一次‌。

项目导航1.知识目标（1）掌握液压传动基本部件结构原理（2）掌握液压油路的分析方法（3）掌握伺服器在注塑机2.技能目标上的应用（1）掌握伺服器的调试示（2）掌握注塑机的日常维护。知识准备7.1注塑机工作原理7.1.1注塑机用途与结构原理1.话题引入人们生活中应用的各种塑料制品，和工业应用的各种塑料部件，绝大部分是由注塑机生产的。图7-1是由注塑机生产的各种塑料部件。塑料制品因为耐腐蚀强度高，易于加工，在很多领域替代了钢材。图7-2是汽车上所用的部分塑料部件。注塑机是把塑料原料制造成塑料部件的生产设备，塑料制品用途广、用量大，注塑机已经形成非常大的、技术含量非常高的产业群。塑料制品有80%采用注塑制造。注塑机分为巨型机、大型机、中型机和小型机等各种规格。工程塑料以ABS、聚乙烯、改性聚苯乙烯等原料为主。民用塑料有聚氯乙烯、聚苯乙烯等。图7-1塑料制品图7-2汽车上的塑料成型部件注塑机是以液压为动力源，以油缸和液压马达为驱动部件的生产设备。注塑机由多个功能部分组成，图中料斗存放着塑料颗粒，通过“液压马达”驱动“旋转推进器”，将塑料颗粒推到“发热管”中融化。“注射油缸”是将融化的塑料推进到“模具”中。模具还要通过“移模油缸”、“锁模油缸”、“顶出油缸”等控制，完成一个“注件”的加工循环。2.注塑机结构图7-3是大型注塑机外形图3.注塑机工作简介图7-4是注塑机工作简图，注塑机主要由合模装置、注射装置、驱动装置和控制系统四大部分组成。图7-4是注塑机工作简图（1）合模装置

合模装置是注塑机中的核心部位（见图7-5），通过合模装置完成“注件的成型”加工。合模装置由合模、射胶、保压、开模、顶针等“工步”完成工件的成型。图7-5注塑加工图图7-5是合模装置示意图，其结构原理为：

图中模板分“固定模板”和“移动模板”，当“移动模板”由“合模油缸”驱动右行时，“动模具”和“静模具”闭合。图中的“锁模油缸”和“格林柱”是一体的，“格林柱”的中间有“螺纹”，“移动模板”的左端有“半合螺母”，当合模时，“半合螺母”移到“格林柱”上的“螺纹”处，“螺纹”和“半合螺母”闭合。此时，“锁模油缸”起动，“格林柱”被拉紧，“半合螺母”和螺纹已经“啮合”，“移动模板”同时被拉紧，此时称为“锁模”。锁模之后，图中的“射胶油缸”动作，驱动“螺旋推进器”将融化的“塑胶”压进“模具腔”中，称为“射胶”。“射胶”压力很大，必须将整个“模具腔”充满，否则会出现残品。锁模过程：图中模板分“固定模板”和“移动模板”，当“移动模板”由“合模油缸”驱动右行时，“动模具”和“静模具”闭合。图中的“锁模油缸”和“格林柱”是一体的，“格林柱”的中间有“螺纹”，“移动模板”的左端有“半合螺母”，当合模时，“半合螺母”移到“格林柱”上的“螺纹”处，“螺纹”和“半合螺母”闭合，油缸被锁死。此时，“锁模油缸”起动，“格林柱”被拉紧，“半合螺母”和螺纹已经“啮合”，“移动模板”同时被拉紧，此时称为“锁模”。锁模之后，图中的“射胶油缸”动作，驱动“螺旋推进器”将融化的“塑胶”压进“模具腔”中，称为“射胶”。“射胶”压力很大，必须将整个“模具腔”充满，否则会出现残品。（2）注射装置注射装置是注塑机的重要组成部分，它包括溶胶和溶胶注射两大组成部分。图中的料斗储存的是颗粒原料，“液压马达”通过齿轮减速，驱动螺旋推进器，将颗粒原料推进到加热筒，加热筒的四周有电炉丝加热，将颗粒原料熔化。熔化后的流体塑料被螺旋推进器推到加热筒顶端的“储液筒”。螺旋推进器是中空结构，注射油缸的活塞杆从螺旋推进器的孔中穿过，顶端连着“顶针”，注射油缸的活塞杆移动时推动顶针，将储液筒中的流体塑料压进模具。图中的加热筒和注射油缸安装在“注射座”上，“注射座”通过燕尾槽安装在注塑机的机体上，

在注胶开始前先要通过注射座油缸将注射座移动到模具的注射孔，并保持密封状态，否则会出现漏胶。如果模具不改变，注射座不用移动。螺旋推进器示意图注塑过程为：熔化后的塑料由注射油缸推进到模具中，称为“射胶”。“射胶”完成后开始冷却，当“注件”冷却中会出现收缩，为了补充收缩量，射胶油缸要保持一段时间的“射胶”压力。当“注件”冷却成型，“锁模油缸”松动，“合模油缸”开始反向“开模”。“开模”到位停止，“顶针油缸”起动，通过顶针，将“注件”从模具中顶出。7.1.2注塑机液压油路说明图7-6是250g注塑机液压系统原理图，下面对油路进行简要说明。图7-6250g注塑机液压系统原理图1.‌电液换向阀图中标号3、4、6、7是电液换向阀，是一种通过电磁铁的磁力打开换向阀的阀芯。图a是液力驱动阀结构图，由图中可见，电磁阀是导引阀，通过导引阀的液压驱动主电磁阀的阀芯，主要用于大流量的电磁阀。图a电液换向阀结构图图b电液换向阀外形图2.电磁换向阀图中标号5、8、23是电磁换向阀，是通过电磁铁的磁力驱动阀芯移动进行换向的换向阀。下图是电磁换向阀结构图。3.溢流阀图中标号9，10、11，是溢流阀。溢流阀是过压保护阀，当油压超过了溢流阀的压力设定值，溢流阀放油降压。图a是溢流阀示意图，图中，进油口是高压油，图中活塞是顶力弹簧顶住，当进油口的压力大于顶力弹簧的压力时，活塞被顶起，由出油口放油。当进油口压力低于顶力弹簧的压力时，活塞被定紧。图a溢流阀示意图图b溢流阀外形图4.单向阀图中标号12、13、14，是单向阀。是只允许油流从高压流向低压的油流控制阀。类似电路中的二极管。图b单向阀符号图图a单向阀结构图5.液控单向阀图中标号15，是液控单向阀。液控单向阀多一个控制端，控制端在有压力油时，液控单向阀可以反向导通。下图是液控单向阀应用电路。当两端没有压力油时，液控单向阀截止，活塞处于定位状态；当开始运行时，单向阀可以反向导通。6.节流阀图中标号16是节流阀，节流阀是控制流量的阀门，控制阀门的开度，可以控制流量的大小。下图是原理、外形和符号图。7.调速阀图中标号17、18是调速阀，调速阀是通过放油来调整油缸或马达的速度。下图是调速阀原理图，通过控制螺杆的上下移动，控制活塞和进油口的间隙，控制出口流量，达到调速目的。8.单向顺序阀图中标号19、20是单向顺序阀，是由单向阀和溢流阀组成的复合阀，当反方向的油流高于溢流阀的设定压力，可以通过溢流阀放油。9.液压行程阀液压行程阀（又称‌机动换向阀‌）是一种通过机械挡铁或凸轮推动阀芯移动，从而控制油液或气体流动方向的液压/气动元件。其核心用途是‌实现执行元件（如液压缸、气缸）在特定位置自动换向或触发动作‌，无需外部电源或人工干预。7.1.3注塑机液压油路分析1.合模合模是动模板向定模板靠拢并最终合拢的过程。动模板由合模液压缸或“机液组合”机构驱动，合模速度一般按慢—快—慢的顺序进行，具体如下：（1）动模板慢速合模运动当按下启动按钮，液压泵1、液压泵2启动，液压泵1被电磁阀3卸荷；液压泵2输出高压油。此时行程阀21被触发，将油路切换到液动换向阀6，液动换阀左移，接通高压主油路，高压油进入合模缸，推动活塞右移合模。

进油路：液压泵2→电液换向阀6→液控单向阀15→合模缸（左腔）。

回油路：合模缸（右腔）→电液换向阀6（右位）→油箱。行程阀（2）动模板快速合模运动当慢速合模转为快速合模时，动模板上的“行程挡块”压下“行程开关”，使电磁铁9YA得电，电液换向阀3左位接入系统，大流量泵1不再卸荷，其压力油经单向阀13、单向顺序阀19与小流量液压泵2的压力油汇合，双泵共同向合模缸供油，实现动模板快速合模运动。这时油路的流动情况具体如下：进油路：[（大流量液压泵1→单向阀13→单向顺序阀19）+（小流量液压泵2）]→电液换向阀6（右位）→液控单向阀15→合模缸左腔。回油路：合模缸右腔→电液换向阀6(右位)→油箱。（3）合模前“动模板”的慢速运动当“动模”快速靠近静模板时，另一行程挡块将压下其对应的“行程开关”，使9YA失电、电液换向阀3回到中位，大流量泵1卸荷，油路又恢复到以前状况，使快速合模运动又转为慢速合模运动，直至将模具完全合拢。2.增压锁模当动模板合拢到位后又压下一“行程开关”，使电磁铁4YA得电、电液换向阀7右位接入系统，增力缸开始工作，将其活塞输出的推力传给合模缸的活塞以增加其输出推力。此时，溢流阀9开始溢流，调定泵2输出的最高压力，该压力也是最大合模力下对应的系统最高工作压力。动模板的锁紧由单向阀12保证。这时油路的流动情况具体如下：进油路：小流量液压泵2→单向阀12→电磁换向阀7→增压缸（左腔）。回油路：增压缸右腔→油箱。3.注射座整体快进注射座的整体运动由注射座移动液压缸驱动。当电磁铁6YA得电时，电磁换向阀5右位接入系统，小流量液压泵2的压力油经单向阀14、电磁换向阀5进入注射座移动缸右腔，左腔油液经节流阀16回油箱。此时注射座整体向左移动，使注射嘴与模具浇口接触。注射座的保压顶紧由单向阀14实现。这时油路的流动情况具体如下。进油路：小流量液压泵2→单向阀14→注射座移动缸（右腔）。回油路：注射座移动缸（左腔）→电磁换向阀5（右位）→节流阀16→油箱。4.注射当注射座到达预定位置后，压下“行程开关”，使电磁铁8YA、9YA得电，电液换向阀4右位接入系统，电液换向阀3左位接入系统。两泵压力油汇合，一起经电液换向阀4、单向顺序阀20进入注射缸右腔，左腔油液经电液换向阀4回油箱。注射缸活塞带动注射螺杆将料筒前端已经预塑好的熔料经注射嘴快速注入模腔。5.开模开模过程与合模过程相似，开模速度一般历经慢—快—慢的过程。（1）慢速开模电磁铁3YA得电，电液换向阀6左位接入系统，液压泵的压力油经电液换向阀6进入合模液压缸右腔，左腔的油经液控单向阀15、电液换向阀6回油箱。大流量液压泵1经电液换向阀3卸荷。（2）快速开模此时电磁铁3YA和9YA都得电，大流量液压泵1和小流量液压2汇流向合模液压缸右腔供油，开模速度提高。

6.顶出模具开模完成后，压下一行程开关，使电磁铁11YA得电，从小流量液压泵2来的压力油，经过单向阀12，电磁换向阀23上位，进入推料缸的左腔，右腔回油经电磁换向阀23的上位回油箱。推料顶出缸通过顶杆将已经成型好的塑料制品从模腔中推出。7.系统卸荷上述循环动作完成后，系统所有电磁铁都失电。大流量液压泵1经电液换向阀3卸荷，小流量液压泵2经先导式溢流阀8卸荷。到此，注射机一次完整的工作循环完成。表7-1是注塑机一个工作循环电磁铁动作表，由表中可见，动作的逻辑关系还是比较复杂的。表7-1注塑机液压系统电磁铁动作顺序表7.1.4注塑机总结1.

注塑机是成熟的液压制造设备由上述分析可见，“注塑机”为了完成注件的生产任务，采用了复杂的生产工艺，由多个油缸控制模具和给料系统；由液压马达控制加热筒的推进。为了控制油缸的运行动作，应用了多个行程开关和压力继电器，形成复杂的逻辑控制电路。油路的压力、流量控制也很复杂，采用了多个溢流阀、顺序阀、节流阀控制压力和流量；采用了多个换向阀进行油路换向。注塑机通过几十年的发展与进步，已经是很成熟的塑料加工设备。2.注塑机的不足注塑机在产品的制造工艺上技术成熟，制造的产品质量好，制造速度快。但有两个环节必须改进。（1）工作时噪声太大溢流阀是通过弹簧调整压力，当压力大于弹簧的压力时溢流阀动作，高压油经过溢流阀芯时出现高频振荡，发出刺耳的尖叫，使现场人员无法忍受。（2）液压泵效率低油路中采用了大量的溢流阀、节流阀、调速阀，这些阀门都是通过消耗液压能来达到控制的目的，大量的能源被浪费。3.当前注塑机应用技术（1）传统工频驱动液压油泵由工频三相交流电动机驱动，液压油泵恒速转动，为系统提供固定流量的液压油。系统压力由溢流阀控制，超过设定的压力值溢流阀放油减压；当油缸停止保压，由溢流阀控制压力，多余的液压油由溢流阀放掉。保压时间由机械定时器定时，定时时间到，开启换向阀，控制油缸快速返回。传统工频控制应用了上百年，技术成熟，快速性好，现在还有应用。（2）变频器调速控制变频器是智能控制，解决了电能的浪费问题，通过和PLC综合控制，简化了注塑机的控制环节，提高了工作的可靠性，消除了溢流阀发出的噪音，唯一不足是变频器加减速时间比较长，影响了注塑机的快速响应。（3）伺服器控制伺服器是在变频器的基础上增加了位置控制功能，由速度控制变为位置跟踪控制。由于伺服器的过载能力是变频器的2倍，具有快速响应能力，克服了变频器的不足。缺点是成本偏高，现在国产伺服器异军突起，价位已经达到注塑机能够接受。伺服器控制使注塑机达到了完美，消除了噪声、节省了电能、智能控制，满足了多方面的工艺要求。

任务实施任务注塑机伺服器控制一、

注塑机跟踪控制与旋转变压器1.1注塑机生产工序1.注塑机油路控制工序所有的注塑机生产工序基本相同，大致可分为7个工序。图7-7所示为各道工序的功率图。由图中可见，每一道工序都需要一定的电功率，在整个过程中，不同的工序消耗的电功率不同。由图中还看到，功率的变化具有跳跃性，这就要求功率源的反应速度要快。图7-7注塑机工作程序P-t图2.注塑机伺服控制节能曲线注塑机采用伺服跟踪控制，具有很大的节能空间。图7-8是注塑机伺服器控制节能曲线。由图中可见，因为合模开模，油缸运行中需要压力和流量，保压时只需压力不需流量，油泵采用伺服器恒压控制，当保压时降低油泵的转速来维持压力，而不是通过溢流阀放油。下面分析节能空间。在“锁模”阶段，合模油缸推动动模和静模闭合，需要2.5s时间，这个时间节能空间不大。在“注射保压”阶段，模具已经闭合，油缸活塞保压不动，时间为10s，节能空间很大。在图7-8注塑机伺服器控制节能曲线这个时间段，要完成塑料注射、冷却等工步。图中“市电运行曲线”和“节能运行曲线”之间的部分就是节能区。由图中可见，节能很明显。没有了溢流阀的放油噪声，现场安静。3.P—t特性线分析由图7-8可见，功率P的上升或下降线非常陡直，没有加减速时间。这种特性线是由注塑机的油泵恒速运行、溢流阀恒压控制、换向阀的瞬间切换三者的相互配合完成的。其控制过程是：柱塞泵是容积泵，当电动机恒速控制，柱塞泵输出的油流是恒定值，当用油量少时溢流阀将多余的油放掉；当换向阀将油缸、液压马达油路接通，油流会突然进到油缸或马达，没有油流的提速过程。当改用变频器控制时，用油量少时变频器降速，用油量多时变频器加速，变频器是速度控制设备，加速要有加速时间，降速也要有降速时间。这就打破了注塑机的加减速时间为0的工艺要求。一个“注件”总的加工时间才十几秒，变频器的加减速时间占用几秒，直接影响到“注件”的生产效率和“注件”的良品率。因此，变频器在注塑机上应用力不从心。

伺服器是位置跟踪控制设备，具有快速响应特性，加减速时间极短，20ms就可以将速度升到额定值，适用于注塑机控制。

伺服器的快速响应特性是由矢量控制、永磁伺服同步电机、旋转变压器的角位移检测三项核心技术的组合得到的。矢量控制满足转矩控制，永磁伺服同步电机满足了频率跟踪控制，旋转变压器检测的是同步电动机的功角θ，将电动机和旋转磁场的角度差都得到矫正。当伺服器的功率余量足够时，提速时加速时间极短。7.2.2旋转变压器在伺服控制中，永磁转子同步电机和旋转磁场同步转动，但转子的磁心线和旋转磁场的磁心线之间的夹角“θ”会随着转矩的变化而变化，使跟踪控制产生误差。需要采用转角检测传感器进行转角检测，通过闭环控制将“θ”角的误差消除。旋转变压器是转角检测器。1.旋转变压器定义

旋转变压器是测量电动机机械转角的位置传感器。旋转变压器的输出电压与转子转角具有一定的函数关系，根据具体的设计方法，可以获得正弦关系、余弦关系或线性关系等函数关系。在控制系统中可以用做检测元件、坐标变换、三角运算等。旋转变压器具有变压器和电动机的双重结构，工作原理是变压器原理。图7-9（a）是固定铁心变压器，分为一次绕组N1和二次绕组N2，通过铁心中磁通Φ传递能量，将一次绕组中的能量传递到二次绕组。图7-9（b）是绕线转子电动机，电动机定子和转子也是通过磁通Φ传递能量，也是变压器原理；但转子是转动的，即“旋转变压器”,旋转绕组的电信号通过滑环引出。旋转变压器就参考了绕线转子电动机的结构。（a）固定变压器

（b）绕线转子电动机2.旋转变压器结构旋转变压器又称同步分解器，是一种电磁式传感器，主要用来测量旋转体的转轴角位移和角速度。是伺服电动机必须配备的转矩检测部件。图7-10是旋转变压器实物图。图（a）是转轴型转子；图（b）是孔型转子；图（c）是转子和定子。（a）轴型

（b）孔型

（c）转子定子

图7-10旋转变压器外形图

图7-11是无刷式旋转变压器，它分为两大部分：即旋转变压器本体和附加变压器。旋转变压器本体就是图中的旋变定子和旋变转子，在旋变定子中通上电流，在旋变转子转动时在绕组中产生感应电动势。

附加变压器就是图中的右边部分，由变压器定子和变压器转子组成。定子和转子线圈均为环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。图7-11旋转变压器剖面图旋转变压器的本体旋变转子绕组与附加变压器的一次线圈连在一起，当转子转动时，在附加变压器二次线圈中产生感应电信号，感应电信号通过输出电缆输出。附加变压器部分主要作用是替代转子信号的输出电刷，称为无刷旋转变压器。图7-11旋转变压器剖面图

图7-12a

切面图

图7-12b

平面图在图7-12（b）所示，工作时在D1—D2中通入10kHz的正弦交流信号，根据法拉第电磁感应原理，励磁绕组电流产生磁通，通过铁心传递，在转子绕组中产生10kHz的感应电流。在转子转动时，转子绕组切割定子磁场，根据法拉第电磁感应原理，在转子绕组中产生感应电流，该电流的频率和转子的转动频率相同。因为转子感应电流的频率低于励磁电流的频率，励磁电流被调制，转子的输出电流为调制波。

图7-12b平面图4.旋转变压器波形分析（1）信号波形图定子励磁信号是10kHz同步信号，波形如图7-13（a）所示。为等幅正弦波；图（b）是输出的正弦波调制信号，其波形的包络线即为被测电动机的转动轨迹线，理论上是正弦波，实际上是随着负载的大小而变化的非正弦波，该波形中就包含着永磁电动机转子“θ”角全部信息。图（c）是调制余弦波，在相位上落后正弦波90°，功能与正弦波相同。图7-13定子信号波形图（2）信号表达式

图7-13（a）中励磁信号数学表示式为u=Umsin（ωt）

（7-2）式中，Um为电压最大值。图7-13（b）中定子正弦信号数学表示式为usin=Usmsin（θ）Umsinωt（7-3）式中，Usm是被检测电动机信号的最大值，θ是正弦波的相位角，图7-13（c）定子余弦信号数学表示式为ucos=Ucmcos（θ）Umsinωt

（7-4）式中Ucm是余弦波的最大值，θ是余弦波的夹角。5.旋转变压器信号处理

式7-3~7-4是旋转变压器的调制波数学表达式。式中是调制波和载波相乘，其成积中包含着转角误差。过去是通过公式变换，通过模拟电路实现信号分离，将θ角分离出来，用于伺服器的位置控制或变频器的速度控制。现在已经有了专用智能芯片，将励磁信号、正弦和余弦信号输入到智能芯片，由智能芯片输出标准的数字信号。图7-14是旋转变压器智能芯片连接图，智能芯片封装在旋转变压器中，输出信号由标准接口引出。图7-14旋转变压器框图6.应用举例（1）旋转变压器应用于风力发电机变浆电机

风力发电机的“桨叶”根据风力的大小进行调整，调整精度要求很高，电动机需配备旋转变压器。（2）旋转变压器在注塑机上的应用

注塑机要求有极快的速度跟踪特性，采用旋转变压器作为转角跟踪，使系统具有“刚性”跟踪特性，很好满足了注塑机的工艺需求。

（3）在新能源汽车上应用汽车是行走设备，工作中会出现颠簸振动，旋转变压器由于结构原理牢固可靠，防震能力远优于旋转编码器，因此被新能源汽车选中。（a）小孔径旋转变压器

（b）大孔径旋转变压器图7-15旋转变压器应用7.3伺服器选型与控制7.3.1注塑机PLC控制在图7-6的分中已经看到，注塑机液压控制系统中采用了大量的开关，来控制液压油路的运行。因为指令开关信号需要进行逻辑组合，才能对电磁阀进行控制，实体控制柜非常复杂，故障率也非常高。由PLC将指令信号进行逻辑处理，再由PLC的输出端输出对电磁阀的控制信号，控制柜结构大面积被简化，体积大量缩小，工作可靠性提高。下面以图7-6的控制逻辑为参考，采用PLC进行控制。1.注塑机PLC逻辑控制分析在注塑机液压系统原理图（图7-6）分析中，图中有大量的行程开关、压力开关、定时开关，以及被控电磁铁开关等开关信号。这些开关信号之间有着密切的逻辑关系，采用PLC进行逻辑信号处理是最好的方法。依据（图7-6）液压油路的逻辑控制关系，和（表7-1）液压系统电磁铁动作顺序表，做出PLC指令端子分配表，见表7-2。表7-2PLC指令端口分配表图7-16PLC控制顺序功能图2.“工步”顺序图根据指令分配表，可编写PLC“工步”控制顺序图。“工步”顺序图可以生成PLC的指令程序。图7-16是PLC控制顺序功能图。7.3.2伺服器选择1.伺服电机和伺服器选择（1）伺服电机选择以250g注塑机为例，由2台电动机驱动。大泵电动机选择8.9kW，型号为：89C17CD；额定电压380V，额定频率113.33Hz，额定转速1700r/min，额定电流15.3A，额定转矩50N·m。小泵电动机选择6.7kW，型号为：67C17CD；额定电压380V，额定频率113.33Hz，额定转速1700r/min，额定电流11.5A，额定转矩50N·m。图7-17是伺服电机，伺服电机转子是永磁体，跟随旋转磁场同步转动，在后轴上安装旋转变压器检测“θ”，检测信号通过图中线盒引出。旋转变压器和伺服电机是标准配置。图7-17伺服电机（2）伺服器选择伺服器也要选择2台，因为2台液压泵工作压力不同，需要分别控制。大泵选择11kW伺服器；型号：IS650NT；额定电压380V/额定功率11kW；小泵选择7.5kW伺服器，型号：IS650NT；额定电压380V/额定功率7.5kW。图7-18ES510伺服器

图7‑19伺服器“操作板”2.伺服器系统配置图7-20是伺服器标准配置系统图，图中，从三相交流电源到交流滤波器是伺服器的强电电路。熔断器是短路保护；断路器是隔离开关，接触器是工作开关。这三件组成标准用电电路。交流电抗器和电磁滤波器是滤除电磁干扰的。上位机、伺服器、触摸屏是现在注塑机的标准配置。图7-20伺服器标准配置系统图

图7-21

伺服器端口图3.控制信号

图7-21是伺服器端口图，下面将简要功能作一介绍。（1）UVW三相输出接口

三相输出接口连接三相伺服电机，三相伺服电机工作中要连接旋转变压器，旋转变压器是精密部件，检测信号要通过专用电缆和接口连接到伺服器的内置PG卡（见图7-22）。图中的PTC热敏电阻具有开关特性，当温度达到设定值，阻值突然变小，相当于短路，将此电阻加在伺服器的专用端子上，当出现短路信号，伺服器停机保护。热电偶KTY，是温度检测传感器，输出和温度对应的电流信号，该信号也加到伺服器专用端子上，进行电机温度报警。图7-22伺服器主电路旋转变压器

专用电缆图7-22伺服器主电路（2）AI3（CN1）端口该端口是模拟输入AI3端口，伺服器将其定义为压力信号输入端口，外接压力传感器。该伺服器是液压专用伺服器，工作中构成压力闭环控制，满足液压系统的工艺控制和节能降噪的目的。（3）AI1、AI2端口AI1定义为压力给定端，通过电位器给定0~10V电压，进行压力给定。AI2定义为流量给定端，通过电位器给定0~10V电压，进行流量给定。（4）AO1、AO2端口AO1、AO2端口是伺服器的模拟输出指示端口。（2）AI3（CN1）端口该端口是模拟输入AI3端口，伺服器将其定义为压力信号输入端口，外接压力传感器。该伺服器是液压专用伺服器，工作中构成压力闭环控制，满足液压系统的工艺控制和节能降噪的目的。（3）AI1、AI2端口AI1定义为压力给定端，通过电位器给定0~10V电压，进行压力给定。AI2定义为流量给定端，通过电位器给定0~10V电压，进行流量给定。（4）AO1、AO2端口AO1、AO2端口是伺服器的模拟输出指示端口。AO1定义为压力指示端口，通过0~10V电压，指示压力的当前值。AO2定义为流量指示端口，通过0~10V电压，指示流量的当前值。（5）DI1、DI4DI1、DI4是数字输入控制端子，DI1定义为运行控制；DI2定义为报警复位。（6）T/A1、T/C1T/A1、T/C1是伺服器的数字输出指示端子，用于指示伺服器报警。4.上位机控制系统上位机系统是伺服器“标准”配置。伺服器在工作中，很难独立完成整个控制系统的任务，必须配备指令系统和显示系统共同协调工作。在简单应用中配备PLC作为指令源就可以，当有大量的模拟信号需要处理时，PLC就显得功能不够。注塑机厂家就研制了“上位机系统”，系统包括“电脑控制板”和HMI指令系统。（图7-23a）电脑控制板

（图7-23b）HMI操作板

图7-23是伺服器上位机系统图，图（a）是电脑板，由图中可见，板的上半部分是PLC，下半部分是有关伺服器的模拟和数字信号接口。图（b）是HMI控制板，和电脑板上HMI接口连接，板中既可以发布控制指令，又可以监视、调整相关参数。4.伺服器控制方案图7-24是注塑机控制系统图，下面做一简介。图7-24注塑机控制系统图（1）两台伺服器采用主从“CAN”通信控制图7-6液压控制电路采用2台液压油泵供油，必须选用2台伺服器分别控制。油泵1为大泵，由主伺服器控制；油泵2为小泵，由从伺服器控制。由于2台伺服器的控制性质完全相同，采用主从控制最为方便。主机和从机采用同一个运行信号控制（见图中DI1端子），该控制信号来自“注塑机电脑板”。图7-24注塑机控制系统图主机和从机的其它信号是采用通信控制。通信协议是“CAN”。“CAN”是一种用于实时应用的串行通信协议总线，研制之初主要用于汽车行业中不同元件之间的通信。CAN通讯具有高可靠性、错误检测能力强等特点，被广泛应用于汽车计算机控制系统、工业控制等领域。CAN通讯的特点为：①‌串行通讯协议‌。CAN通讯使用双绞线传输信号，支持多主控制器，适用于分布式控制系统。②报文传输‌。CAN通讯以报文形式广播给网络中所有节点，每个节点都会接收报文并根据标识符判断是否为自己所需的数据。通信接口③错误检测‌。CAN协议具有检错能力，能够检测并纠正传输中的错误。④应用范围‌。广泛应用于汽车、工业控制、安全防护等领域，具有高性能、高可靠性和独特的设计。（2）采用上位机系统控制上位机系指图中的“注塑机电脑板”（简称电脑板）和“HMI”控制板。由“电脑板”可见，伺服器的数字控制端子、模拟控制端子、输出模拟指示端子和故障报警端子都和“电脑板”连接。运行控制端子DI1和复位端子DI2连接到“电脑板”，就可以在HMI上进行操作。简化了控制结构。压力和流量命令端子AI1和AI2，是控制伺服器压力和流量的端子，同样也可以由HMI控制；压力和流量指示端子AO1、AO2，其指示量同样可以由HMI进行显示。HMI和“电脑板”采用通信连接，HMI的主要功能是指令发送、工作状态指示、故障报警等功能。注塑机通过HMI可以完成所有控制功能。（3）“电脑板”完成注塑机的所有控制在前图7-6中，大量的行程开关、压力开关发出各种控制信号，通过“电脑板”中的PLC功能模块处理，输出1YA~10YA电磁铁控制信号，按照逻辑功能完成注塑机的周期控制。（4）伺服器在注塑机工作中的作用伺服器定义是驱动电器，即驱动伺服电机带动伺服油泵为油路供油。伺服器的工作模式为压力闭环PID控制，通过压力传感器采集油泵的出口压力，将压力信号输入到AI3端口，目标信号由AI1给定，将油泵的出口压力稳定在给定值上。控制过程为：当油缸保压时，不需流量，油泵的压力会瞬间上升，此时伺服器的转速急剧下降（速度可降为0）。当油缸保压结束，换向阀打开，需要大流量，伺服器又加速供油。由于伺服器的加速时间只有几十ms，瞬间就达到额定转速，流量也在瞬间达到了最大值，其快速性和换向阀控制没有了区别。（5）上位机系统是专用部件由于不同的注塑机生产厂家生产的注塑机规格不同，控制方法不同，很难将“上位机系统”通用化。目前“上位机系统”都是注塑机企业根据自己的产品设计“上位机系统”。5.伺服器参数设置伺服器在应用之前有些参数必须设置。表7-3是伺服器参数选择表。表7-3伺服器参数选择表续表：续表：说明：表7-3是主伺服器参数选择，从伺服器参数选择只替换2个参数：F1‑01=6.7kW；F1‑03=11.5A。7.3.3伺服器调试1.接通电源前确认事项伺服器通电之前，先要对伺服器进行认真检查，检查项目见表7-4。表7-4调试之前确认内容表2.接通电源后显示状态确认接通电源后，伺服器显示如