[发明专利]包含矢量受控交流传动装置的成型机

说明书

技术领域

本发明涉及注塑成型机的电动机传动装置，具体涉及矢量受控交流感应电动机在注塑成型机伺服机构传动系统中的应用。

背景技术

在注塑成型机的设计中，传统上一直采用液压系统作主动力源。多年来的实践证明，液压传动装置的性能令人满意。它们的价格相对便宜，功率和速度响应特性能够满足注塑成型机的要求，并且坚固耐用。

但是，注塑成型机也有其内在的缺点。液压油在工业环境下容易变脏和沾污，因而需要过滤和维护。而且，还有可能发生油泄漏，因此不适于在“净化室”制造环境下使用。液压传动装置的定位精度和重复性受到限制，而且其性能还会随液压油温的变化而发生偏离。最后，液压传动装置的能量利用率不高，需要热交换器和冷却器来带走油的热量而保持恒定的油温。

电动机伺服传动装置可以替代液压传动装置，其已有40多年应用历史。早期的系统采用众所周知的在端接于换向器的电枢上缠绕多个线圈的电刷直流电动机。包含多个与电枢上绕组对应的永磁体或线圈磁铁的定子包围住电枢。随着电动机的转动，碳刷依次将电枢线圈连接到电源上。通过线圈的连续电流产生一个与定子磁场作用的磁场而在电枢上引起一转矩，从而连续转动电枢并使电枢线圈不断赋能/换向。

电刷直流电动机最吸引人的特性是其控制的简单性，这是由电动机的若干内在特性决定的。首先，对于施加的任何电枢电压，速度和扭矩都有最大极限；而且对于给定的运行条件，速度和扭矩呈反比关系，即随着电动机负载的增大，其速度则减小。其次，由于扭矩与电枢电流呈线性关系，所以很容易控制。最后，对于最大扭矩，电枢电流产生的磁场必定与定子磁场的极性在空间相差90°。电枢换向器的结构自动将每个电枢线圈切换到正确的电枢位置上以保持最佳的空间相位差关系。尽管采用电刷直流电动机的伺服传动装置控制简单且具有合适的性能，但其也有电刷火花放电、电刷磨损、电刷维修和低速扭矩脉动等缺点。此外，电枢导电绕组不仅增加了电枢的惯量，而且很难通过气隙使热量从与定子和电动机机壳分开的电枢中散发出去。

在过去20年间，已经成功地设计出了更新型的伺服电动机，它不必采用带来麻烦的电刷，速度—扭矩也基本上保持了直流电动机的线性反比关系。这些新型的设计虽然代表了几种不同的电动机技术，但是却常常统称为无刷电动机。由于它们的性能通常与电刷直流电动机的相似，所以有时候在广义上也被统称为无刷直流电动机。不过，严格而言，无刷伺服电动机技术可以更为精确地分为交流感应电动机、交流同步电动机和无刷直流电动机。每一种电动机都有其特有的物理结构、控制理论和操作特性。

直流感应电动机在高性能伺服传动装置中的应用是最新的发展方向。电动机采用短路的鼠笼式转子并在定子上采用三相绕组。虽然在伺服传动装置中这种电动机的变速控制非常复杂并且成本相当高，但矢量(场取向)控制却越来越多地被采用。下面将对此作详细讨论。

另一类无刷伺服电动机是交流同步伺服电动机。这种转枢式3相同步电动机结构的磁场由采用稀土磁性材料制造的永磁体产生以提高磁通量密度并减轻永磁体的重量。因此，减少了转子的惯量并优化了电动机的动态响应。定子在其三相中的每一相上具有多组绕组，一般为4组、6组或8组，其数目等于转子内的磁体数目。三相定子绕组内的电流组合产生的合成磁场矢量互作用于转子磁体的磁场以产生扭矩。磁场矢量的大小和其相对于转子磁动量的角度决定了扭矩的大小和方向。

定子绕组的几何构型和永磁体转子的磁通量密度分布使得绕组在转子恒速转动时感应产生如图1a所示的正弦电动势11。感应电动势的振幅和频率与转速成正比。如果向定子绕组提供如图1a所示的振幅和频率相等但相移120°的3相正弦电流15，则在定子磁极上将产生一旋转磁场。该磁场的强度与定子绕组内的电流强度成正比。

为了在给定电流下获得最大的扭矩并且得到接近线性的扭矩—电流关系，每个定子电流的相位角之间的关系和转子磁体产生的磁场矢量的角度必须保持恒定。因此，必须对施加在定子绕组上的正弦电流的相位关系进行控制并使其与各个感应电动势的相位保持同步。