注塑机变频调速毕业设计论文本科.doc

注塑机变频调速
摘要： 性能稳定、高速化、节能化是注塑包装设备成型能力的主要标志，目前注塑机使用的三相异步交流电机不能变速，其拖动的定量泵使液压油的流量无法改变，多余的流量通过溢流阀流回油箱，造成能量大连损失。由于液压长期全速循环流动造成油温过高，噪音过大，机械寿命缩短。本设计提高了住宿产品品质、稳定了住宿成型工艺参数、以及降低了住宿系统的整体耗能。注塑机的液压节能技术是注塑机科技进步过程中发展的一项新技术。液压驱动的注塑机在各个成型阶段所需的压力和流量都是变化的，而国内原有注塑机多为定量泵系统，能量损失非常大。本课题由单片机AT89C51与直流电机构成有效的液压配置方案，使驱动系统的输出功率与执行机构的消耗功率达到自适应调节匹配，提高能量利用效率，具有重要的研究意义，及良好的应用前景。
关键词： 注塑机 节能液压系统 变频 AT89C51单片机
引言
在注塑行业中，注塑机是一种通用型机械。传统设计上，考虑到其通用性，设计时是以其最大容量为标准的。而在实际加工中，常常出现大马拉小车的现象，由此造成的电能无功消耗相当严重。经过分析其工作过程我们发现，合理地利用油泵电机的功率可以大大减少电能耗损，从而使大力的降低成本为可能。由此可见，系统各工段油泵实际所需功率变化很大，特别是在射胶后的保压和冷却段。设备所用的55KW油泵电机利用效率很低。并且在设备运行中，系统有大量的时间处于待机状态，电机空转。相当部分电能变成了无功功率，降低了电网质量，造成了电能损失。
1.注塑机
1.1注塑机的主要组成
用于注射成型的设备主要是注塑机[1]。一台通用型注塑机主要包括4个部分，即合模系统、注射系统、液压系统和电气控制系统。此外还包括机身部件、门罩系统、加热冷却系统、润滑系统和安全保护与监测系统等。一台注塑机的整体外形见下图1.1所示。

图1.1注塑机整体外形图
接下来对四个主要部分进行介绍。
(1)合模系统
合模系统的作用是保证成型模具的闭锁、开启并取出制品。整个机构主要由前固定模板、活动模板、后固定模板、拉杆油缸及模具调整机构、制品顶出机构等组成[2]。动模板安装在前、后固定模板之间，后模板上固定合模油缸，动模板在合模油缸的作用下以4根拉杆为导向柱做启闭模运动。模具的动模装在动模板上。当模具闭合后，在合模油缸压力作用下，锁紧模具，防止当注射高压熔融体时模具胀开。靠近安全门的机架上设有限位开关及调节装置，以便控制动模板启闭模的限位和在运动中压力与速度的切换。为确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关同安全门连锁，当只有安全门关闭后，才能合模。
合模系统又由合模架、合模机构、调模装置、顶出机构等组成。
首先介绍下合模架及合模机构。合模架是合模系统的基础部分，主要由4根导向拉杆、后固定模板、动模板、前定模板及拉杆螺母组成的具有一定刚度和强度要求的合模框架。
动模板在合模油缸驱动下，以拉杆为导向，实现启闭模运动。合模机构有液压式、机械式和机械—液压复合式等几种类型。目前市场上主要采用的是液压曲肘连杆式，属机械—液压复合式，其结构特点是液压缸通过曲柄连杆机构驱动模板实现启闭模运动，充分利用了曲柄连杆机构的行程、速度、力的放大特性和自锁特性，增力大，锁模可靠，达到快速、高效和节能的效果。常用的形式有:双曲肘内翻式、双曲肘外翻式、单曲肘摆缸式、单曲肘挂缸式和撑肘式等。
图1.2所示是双曲肘内翻式的合模机构。这种形式的动作原理是:开始闭模时，合模油缸进油，活塞杆推动双曲肘连杆带动模板及模具移动实现闭模运动;当模具的分型面刚贴合时，曲肘连杆处于未伸直状态，此时合模油缸继续升压，在合模油缸推动下曲肘连杆产生力的放大作用，强行使之成为一线排列，则合模系统因发生弹性变形而产生预应力，此时使模具可靠锁紧，可将油缸压力卸去，因整个合模系统处在平衡自锁状态，弹性变形不能回复，所以合模力固定。模具接触时连杆未伸直的程度是通过调模装置与合模油缸相配合，按工艺所要求的锁模力来调整的[3]。整个过程可分为四个阶段:慢速合模、快速合模、慢速合模、高压锁模。

图1.2合模架及双曲肘合模机构原理图
顶出机构原理图如下图1.3所示。在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。动模板在开启模具后，可通过顶出机构将制品从模腔中顶出。顶出机构要求有足够的顶出力、顶出凉度、顶出次数和顶出精度。顶出奖普的顶出或狠回均有限位开关[4]。

图1.3顶出机构原理图
另外，在后固定模板上还装有调模机构，以便在一定的范围内调节模具的厚度。在液压—机械式合模机构中，还可以通过调模机构来调试合模力的大小，控制超载。调模装置主要由液压马达、定位轮、内齿圈、外齿圈和调模螺母等组成，均固定在后模板上。调模装置的结构图见图1.4所示。

图1.4调模装置结构图
其动作原理是:当调模时，调模马达带动外齿圈转动，4只带有齿轮的后螺母在外齿圈驱动下同步转动，推动后模板及其整个合模机构向前或向后移动，调节动模板与前固定模板的距离，根据允模厚度及工艺所要求的锁模力实现调模功能。此种结构紧凑，减少了轴向尺寸，提高了系统刚度。
(2)注射系统
注塑机注射系统在工作过程中具有塑化、注射和保压功能，主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的速度和压力将熔料注入模腔，并保持压力。注射系统主要由塑化装置、计量装置、螺杆传动装置、注射座、注射装置及料斗装置等组成，图1.5所示
的注射系统采用的是螺杆式双缸平衡注射的方案。

图1.5注塑机注射系统原理图
塑化装置由螺杆、加热机筒和冷却元件等组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件。螺杆传动装置主要由减速装置、主轴套、轴承支架和液压马达组成。注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。计量装置由行程挡块和支架组成，起塑化和计量作用。注射座是一个可以在机身上移动的基座，注射、塑化、计量装置和料斗都固定在注射座上。注射座在油缸作用下，可沿底板作往复运动，整体前进或后退，使喷嘴与模具接触或离开。
预塑过程可见图1.6所示。螺杆旋转是由液压马达直接驱动并可进行无级调速。螺杆旋转时料斗内的熔融物料将被输送至螺杆的前端，同时物料产生的反压力又将使螺杆后退至某一位置，直至碰到限位开关而完成计量过程，之后液压马达停止转动，预塑过程完成。
螺杆背压(Back Pressure)是指在进入下一次注射前，螺杆将通过旋转把熔融物料输送到料筒的前部加以储备，此时，螺杆一边旋转一边将因为输送到料筒前部的物料产生的反压力而后退。为了调整和控制螺杆后退的方式，可在螺杆加上一定的和熔融物料相反的压力，这就是螺杆背压。背压可根据不同要求改善塑料的塑化情况进行调节。

图1.6注塑机预塑过程示意图
在注射时，液压缸活塞前移产生注射推力，通过推动主轴推动螺杆轴向前移，推动螺杆头部向熔体施高压，迫使熔体以高速通过喷嘴充入模腔。该过程原理图可见图1.7所示。

图1.7注塑机注射过程示意图
注射一般为2个阶段，第一阶段是把熔融物料高速的注射入模具中的阶段，此时的压力称为一次注射压力，即通常所称的注射压力(Injection Pressure )。第二阶段是材料充满模具后所加的压力，称为二次注射压力或保压压力。保压压力(Holding Pressure)是在物料充满模腔后至冷却固化后作用于物料上的压力，所起的作用是，在防止毛边的发生和过度填充的基础上，把伴随着冷却固化中因收缩引起的体积减小的部分，从喷嘴用熔融物料进行不断地补充，以防止制品因收缩而产生缩痕。
防流涎是指螺杆计量(预塑)到位后，又直线地倒退一段距离，使计量室中熔体的体积增加，内压下降，防止熔体从计量室向外流出(通过喷嘴或间隙)。这个后退动作称为防流涎动作，后退距离称防流涎行程或防涎量。防流涎还有一个目的是在喷嘴不退回进行预塑时，降低喷嘴流道系统的压力，减少内应力。防流涎行程可视聚合物粘度、相对密度和制品情况进行设定，过大的防涎量会使计量室中的熔料夹杂气泡，影响制品质量。对粘度大的物料可不设防涎量。防涎量可通过行程开关来限位，或使用位移传感器检测，当达到外部设定值时，发出螺杆后退的终止信号。
(3)液压系统
液压系统是注塑机的“血液”循环系统，是为注塑机的各种执行机构(油缸及马达)提供压力和速度的回路。液压回路一般由控制系统压力与流量的主回路和各执行机构的分回路组成。回路主要由过滤器、泵、控制阀(流量阀、压力阀、溢流阀、方向阀、换向阀、行程阀、调速阀等)以及热交换器、各种压力及温度指示仪表等组成。
某种典型注塑机的液压原理图见附图1所示，该型注塑机各个执行动作如:合模、开模、注射、预塑、注射座进退、顶出进退，都是由油压控制和推动的，系统最高压力为14MPa，大泵加小泵流量为83L/min(1000转/分)。
双联叶片泵由电机带动，大泵出口压力由电磁溢流阀V1调节，小泵出口压力由比例压力阀V2，即为系统压力。为防止小泵油液倒流，设置单向阀V3。单向阀V4可防止大泵压力高于小泵压力。一般状态下，注塑各阶段的压力和流量主要由小泵提供，YA1不通电给大泵卸荷。只不过不同状态小泵输出的压力和流量也有所不同，由通给YA2电流的大小决定比例压力阀V2开口，实现实时控制。而在需要较大流量的阶段，如快速开合模、一级注射、预塑或防流涎等，就需要大泵提供流量，此时YAl通电。使溢流阀V1正常工作。
VS为电磁换向阀，控制调模马达M2，调模装置前进可以给YA4通电，调模装置退给YA3通电。V6是控制开合模油缸的电磁换向阀，开模动作要给YAS通电，合模时YA6通电。V7是控制顶出油缸的电磁换向阀，YA7通电使顶出杆前进，YA8通电使顶出杆后退。V8为节流阀，可调节顶出速度，有的注塑机可省略此阀。V9是控制注射座油缸的换向阀，在注射座前进和注射阶段，都要给YA9通电。YA 10通电使注射座后退。V10为防流涎控制阀，给YA I 2电信号可防止流涎，在没有此功能的注塑机上该阀可省略。VI1是控制预塑和注射的电磁换向阀，注射时给YA I 1通电，双注射油缸平衡前进，预塑时给YA 13通电控制液压马达M1转动。而注射速度的调节可通过单向节流阀V12完成。单向阀V13防止预塑后马达反转，节流阀V14调节预塑速度，低压溢流阀VIS控制螺杆背压。其他为一些辅助液压元件，不再赘述。
(4)电气控制系统
电气控制系统是注射成型机的“神经中枢”，它与液压传动系统相互协调，对注射成型机的各种程序动作进行精确而稳定的控制，实现对速度、压力、位置、时间和转速等有效的控制和调节，电气控制系统主要由电源、动作程序元件、各种检测元件和执行机构等单元组成。见下图1.80

图1.8电气控制系统接线图
电气系统可进行温度控制和检测，如机筒温度、喷嘴温度、模具温度和油温等。而其最重要的是顺序控制器，它是注塑机控制系统的核心，它使机器的执行机构按一定顺序来完成工艺过程。顺序控制器有可编程控制器、断电器控制器和单片机控制器等。近代注射成型机大多都采用了比例阀液压系统，在合模、开模、注射、保压等工序中分为几级，每级使用不同的压力和流量，以满足制品质量和整机运行稳定的需要。在各工序之间的顺序转换中，有的以执行机构位置为条件，有的则以时间为条件。对动作执行到位与否多采用接近开关、限位开关或位移传感器来检测。在继电器控制中，限位开关是作为触点来控制相应的继电器动作;而在微机控制中，限位开关、接近开关是作为输入量，位移传感器是作为模拟量来使用的。时间控制器多由计时器完成，在继电器控制中，多采用时间继电器，到定时后触点动作带动继电器动作;微机控制中则是利用其中内部的定时器来完成。
1.2注塑机的工作过程
注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起。初始时动模板在开启位置，模具的动模和定模是分开的;注射座在后退位置，机筒的喷嘴和定模呈非接触状态。模具首先以低压慢速合模，在走过设定的一段距离后再进行快速闭合，当动模板与前固定模板快要接近时，合模机构的动力系统自动切换成低压慢速(即试合模压力)，在确认模内无异物存在且嵌件没有松动时，再切换成高压而将模具锁紧。在确认模具达到所要求的锁紧程度后，注射座前移，使喷嘴和模具流道口贴合，之后就可向注射油缸充入压力油，螺杆在高压驱动下快速将熔料注入模具型腔中。此时螺杆头部作用于熔料上的压力即为注射压力(一次压力)。当熔料充满模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，以防止模腔中熔料的倒流，并向模腔内补充因低温模具的冷却作用而使熔料收缩所需要的物料，从而保证制品的尺寸精度、力学性能和致密性。此时螺杆作用于熔料上的压力称为保压压力(二次压力)，在保压时螺杆因补缩而有少量的前移。
当保压过程进行到模腔内的熔料失去从浇口回流的可能性时(即浇口凝封)，即可卸压，制品在模腔内继续冷却定型。与此同时，螺杆在传动装置的驱动下开始后退转动，从料斗落入到机筒中的塑料随着螺杆的转动，沿着螺杆向前输送。在这一输送过程中物料被逐渐压实，并在机筒外加热装置和螺杆摩擦热的作用下，物料逐渐熔融塑化，最后呈粘流态，并建立起一定的压力。由于螺杆头部熔料压力的作用，使螺杆在转动的同时又发生后退，当螺杆退到计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。制品冷却与螺杆塑化在时间上通常是重叠的，这是为了缩短成型周期。在一般情况下，要求螺杆塑化计量时间要少于制品冷却时间。
图1.9注塑流程图
螺杆塑化计量结束后，可选择是否进行防流涎处理。为使喷嘴不至于长时间和冷的模具接触而形成冷料，有些塑料制品需要将喷嘴撤离模具，即注射装置后退.模腔内的制品经冷却定型后，合模机构即可开模，在顶出装置作用下顶出成型制品。以上所述整个流程可见上图1.9所示。
在成型周期中，占主要部分的是注射保压时间、冷却时间、开模时间和脱模取件时间。成型周期设定应该在保证制品质量的前提下，要尽量减少各程序段的周期。如果用时间控制闭模(在全自动循环的情况)，应考虑在制品掉下，检测后再延时1~3s左右时间.在闭模阶段的时间与调节慢速—快速—慢速低压保护转换时间有关。调整时应考虑动模板在小惯量冲击和保护人身和模具安全条件下工作。
2.注塑机节能系统
2.1注塑机液压节能技术的研究现状
注塑机的节能技术是注塑机科技进步发展过程中开发的一项新技术，随注塑机的发展而不断进步，高端注塑机必定具有高端的节能技术.该技术主要包涵了3个方面:一是节能注射成形技术，二是节能的执行机构，三是节能的动力驱动系统。
目前，国内外对注塑机节能技术的研究主要集中在四个方向:一是开发新型节能注塑机，如注射压缩的节能注射成形、微发泡节能注射成形技术、振动成型节能技术、群腔热流道节能注射成形、介质辅助节能技术、节能螺杆技术等。二是将电动机同液压系统各自特点结合起来，研发电液混合驱动节能系统，采用液压系统进行模具的开闭和提供锁模力，而塑化和注射动作则由电机来完成.这种方式可在提供较大合模力的情况下，实现较高的注射精度和较低的机器制造成本;而液压系统只承担合模和锁模动作，大大降低了泵源的装载功率。三是采用全电动驱动，不使用液压油，由伺服电机直接驱动执行机构，可达到高效、高速、精密的生产效果，这是国际上目前业内最新的研究方向。四是在原有液压系统上进行改造，采用新型节能方案减少原液压系统的损耗。这是目前国内大多数注塑机生产厂商的主要研究方向，也是本课题研究的重点。
液压动力驱动系统是注塑机中最常用的一种系统，也是注塑机最主要的能耗所在。液压驱动的注塑机在注塑成型的各个阶段所需压力和流量都是变化的，注射阶段对压力和流量的需求很高(功率消耗最大可达110% )，但时间较短，只占成型周期1/10左右时间。而冷却和制品取出等阶段对压力和流量基本没有需求的，功率消耗很小，但为时较长，一般可占成型周期总时间的1 /3 。对于油泵电机而言，它的负荷处于不断变化状态，由设在泵出口的比例压力溢流阀和比例流量阀来调节负载压力和流量，提供各油缸和液压马达所需的移动速度、推力和方向。而原有注塑机液压系统大多采用定量泵，油泵电机以恒定的转速使油泵供给液压系统固定的流量，当系统要求流量较低时，电机的输出功率不变，多余的油液通过比例压力阀流回油箱，即使空载(如冷却)也是如此，这样，节流功率损失非常大，效率很低，一般只有60% ~70%，能量损失多达30 % ~ 40 %同时，由于液压油长时间循环流动，与液压元件、机械元件摩擦剧烈，造成噪音过大、油温过高、机械寿命缩短等问题。因此注塑机节能的重点在于提高液压动力驱动系统本身的能量利用效率，使驱动系统输出功率与执行机构的功率达到自适应匹配调节，两者之间的能源转换率越高，系统节能效果也就越好。目前国内主要从以下几个方向进行研究。
2.2比例变量泵节能系统
注塑机节能最有效的措施是实现动力机构和执行机构两者之间的自适应调节匹配。变量泵+电液比例阀结合的负载敏感泵节能液压系统，整个控制机构由负载敏感控制的比例变量泵、含位置闭环的高速比例阀，以及位移传感器和压力传感器等组成，提高了动态响应速度，能够很好的实现这一匹配，见图1.11所示。变量泵实现了注塑机液压系统由阀控向泵控的转变，把传统的节流调速系统变为容积调速系统。当负载压力小于系统的设定压力时，泵处在流量控制状态;当负载压力达到或超过系统设定压力时，泵处在压力控制状态，此时泵输出的流量很小，只保证形成保压压力的需要及补充系统的泄漏量即可。以此来适应注塑机各工况所需功率差别较大的情况，使之与负载所需功率自适应，以达到节能的目的。而且采用高频响应控制阀，通过外置的压力传感器(位于泵出口)和内置的位移(或角度)传感器，检测系统状态并反馈至放大器，对输出的流量和压力进行实时检测、比较和修正，实现系统流量和压力的闭环控制，其原理框图见图1.120
负载敏感变量泵液压节能系统，可以使液压动力输出随负载变化而同步化，与定量泵加PQ阀组成的系统相比，节能效率可达到20%~40%。比例压力及流量控制阀与泵结为一体，交流电动机转速恒定，无磁带效应及转动惯量的影响，且响应时间较快。而且因为流量与压力控制呈良好的线性，提高了控制精度，使制品的尺寸精度高、重复性好、不良率少、重量偏差量得到了有效控制，是较理想的节能液压系统。主要的不足就是泵控系统的响应速度比阀控系统慢，且其交流电动机转速恒定，节能效果不如变频系统好。另外比例变量泵对油液的清洁度要求较高，工作噪音也较大。

图1.11比例变量泵节能系统液压原理图

图1.12比例变量泵油路控制系统框图
国际上先进的负载敏感泵控制系统，在塑化注射油路部分使用伺服阀，目的是与变量泵共同组成一个高性能的闭环控制系统。在节约能量的同时，提高注射性能。国内为研发类似系统也做了大量的工作。陕西秦川机床厂在上世纪80年代中与上海第一塑料机械厂共同开发了某型号的负载敏感泵，成功得在注塑机上得到了应用。近年来，重庆邦助工业有限公司研制出的BK系列注塑机专用负载敏感变量泵，价格与定量泵和PQ阀系统的总价格相差不多，从根本上解决了负载敏感泵价格高，难以推广的障碍，已进行批量生产，取得了较好的效果。海特克液压有限公司从日本引进了先进的生产技术，也批量制造出低价格的负载敏感变量泵。
2.3定量泵+变频电机节能系统
变频调速技术通过调节液压泵电机的转速，使动力机构的性能类似于变量泵节能系统，同样可以达到动力机构输出的流量同执行机构需要的流量相匹配，使损失的流量降低。变频调节技术根据注塑成型的工艺要求，将注塑机控制器给出的设定比例流量阀、比例压力阀的模拟量信号送给变频器，将电液比例控制系统模拟成负载跟踪控制系统，使变频电机的转速与注塑机各工况所需流量成一定关系，将传统的定量泵改装成变频变量驱动系统，从而使溢流阀的溢流流量降到最小，进而将传统的有高压节流的“耗能型”，注塑机，升级为无高压节流损失的“节能型”注塑机。
由于电机的转速n=60 f /P(P一一电机的磁极对数;f一交流电源频率)，而泵输出的流量Q=V*n/60(n一一电机转速;V一泵的排量)，可得Q=V*f/P，因此只要改变输入到电机的交流电频率大小，就可以控制液压泵的输出流量。这样变频器根据注塑机发出的各个动作信号，检测来自注塑机控制器给出的流量及压力，经内部判断计算后，输出不同的频率，以调整电机转速，让液压系统的输出与注塑机各个工序段中所需的流量和压力精确匹配。而在非动作状态时可以让电机停转，使输出功率与流量和压力同步跟踪自动控制，相当于将定量泵变成了节能型的变量泵。注塑机变频节能系统的原理如图1.13所示。

变频器控制的液压泵—电机从根本上改善了传统注塑机能量损失较大的弊端，当系统需要的流量发生变化时，电机的转速也随之变化，从而使定量泵释放油液发生变化，即“需要多少则供给多少”，从而节约了大量的能源。这种改造方案具有很多的优点，包括：
(1)由于变频器使定量泵与整机运行所需功率匹配，消除了原系统的高压溢流能量的损失，节约大量的功率，一般节约电能比例可达到25%~60%左右。特别是制品体积越大，冷却、循环时间越长，节能效果越明显；
(2)由于变频器内部滤波电容的作用，可提高功率因数，降低线路损耗，从而增大电网的有用功率；
(3)在整机中还可以减轻合模、开模时的震动，稳定生产工艺、减少机械故障、提高产品质量、延长机器的使用寿命等。并可使得油路系统(密封组件等)的使用寿命延长，节省维护费用、减少维修次数、改善工作环境、降低噪音等；
(4)由于变频器可以调节油泵的输出流量，使得油温会比工频状态下降低，冷却用水量可节省30%以上；
(5)对电机具有过流、过压、缺相等多种保护作用；
(6)对注塑机的原定量泵系统进行变频改造时，可以使改造不会对生产造成任何影响，且不需要对注塑机原有的液压系统及电气控制系统作复杂的变动。
由于目前我国塑料加工企业使用的注塑机90%以上都是定量泵液压系统，因此采用变频技术进行节能改造在我国具有广阔的应用前景和很好的推广价值。将注塑机改造升级为“节能型”注塑机，其投资(主要是变频器)在一年内可通过节约的电费收回。例如浙江省慈溪市从2006年开始大力推广注塑机节能技术，在安装了变频节能器后，单机节能效果达到30%~60，慈溪市200多家生产企业一年可省电达6000万kW·h左右。深圳市奥宇控制系统有限公司主要从事注塑机变频节能控制系统的研制与改装，为深圳市多家塑料厂家安装了变频节能控制系统，使得油泵电机的平均节电率可达45%。同时还为上海宜新集团公司改造了100多台注塑机，使油泵电机平均节电率达到41 %。
注射成型各阶段频繁的速度变化，使驱动电机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，容积调速的变频调节技术，响应速度慢(一般变频器+定量泵形式的系统需要800~1000ms的响应时间)。交流变频调速系统在小流量状态下的节能效果没有变量泵系统好，若转速过低，还会影响流量输出的稳定性及油泵寿命。低速特性差，导致了注射循环周期时间的增加，降低了生产效率，调速精度难以保证，难以适应精密成型需要。电机转子质量比变量泵变量的斜盘质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射情况。注塑机是否采用变频调速，主要看加工制品的要求。变频调速节能的本质就是在电机转速低于设置的最高转速情况下起到节能效果，可低速的运转时间越长，节能的效果越明显。厚壁制品的保压时间及冷却时间长，是应用变频调速设备的首选。
2.4定量泵+交流伺服电机系统
高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统是近年发展的一种先进的高性能节能装备。解决了变频调节技术响应速度慢的缺陷，同时由于其自身的运转特性，提高了电力利用效率。对于伺服电机驱动的系统，由于伺服电机不使用永久磁铁结构，且在转矩及惯量的密切配合下，又在低惯量的转子配合下，消除了转矩脉动，在速度可调范围内有着良好的加减速度动态反应特性。液压系统基本上不需冷却水，对于保压及冷却时间长的制品，节能效率可达80 % 。电机的转速随系统流量的需求而改变，基本无节流损失，可极大地减少空转工况(等待周期)及保压工况的流量损失。保压时电机基本处于停转状态，比负载敏感泵节能驱动系统更加有效。高响应的交流伺服电机驱动的定量泵系统，与伺服阀组成闭环控制回路，能发挥出更好的节能特性，提高系统的精密控制性能。
但是由于交流伺服电机的最高转速可达4000 r/min，而与之相配套的液压泵转速较低，所以高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统在注塑机上的推广应用，有待于低噪音高转速液压泵的研发，以降低制造成本。如单纯从节能的角度来推广应用高响应的交流伺服电机系统，由于成本太高，达不到合理的经济效益。应把伺服电机灵敏快速反应的特性与精密注射成型结合起来，创新出一种新的高性能的注射成型装备，能对高端的塑料制品进行特定加工，才能使之得到越来越广的应用。
宁波海天公司研发的HTFWI/JS节能伺服注塑机系列，通过配置高性能的伺服变速动力控制系统，利用同步伺服电机的高响应性能、节约能耗及高重复精度的优点，结合了精密高效的齿轮泵，在注塑机成型流程中针对不同的压力流量工况，调整相应的频率输出，形成对压力流量的精确闭环控制，实现了伺服电机对注塑机能量需求的自适应匹配与调整。节能效果与一般定量泵系统相比，可节省40%~80%的电量。在环境温度400゜C以下，可以不用冷却水。海天这个新研发的产品一经推出市场，立即引起很大的反响，可以说是国内注塑机行业的一次革命。
日进精密股份有限公司的隆亨SN-220D型号伺服电机驱动的注塑机，据该公司介绍，以普通电机驱动定量泵系统的隆亨NC-220 II型注塑机能耗20kW}h为基准;若以负载敏感驱动，则耗电10kW.h，节能达50%;全电动驱动系统的话，耗电3.2 kW.h，节能84%;
伺服电机驱动定量泵系统，耗电4 kW.h，节能80%。日精公司2006年在美国的芝加哥展出了一台融合了伺服驱动电机和变量泵的“X泵”注塑机，X泵是新型FNX Ecoject的核心部件，X泵能够与全电动式机器相媲美，有节能作用，因为只在需要时，伺服电机才会运转液压泵，在不需要时，电机基本处于停止状态。日精的“X泵”FNX注塑机所使用的能源，大约为该公司标准注塑机的30%左右，FNX型注塑机还可以少用41%的液压油。

3.系统模型

由变频电机+定量泵驱动的系统，泵的排量固定，但变频器可改变泵的转速，使输出流量适应负载变化，其仿真模型如下图所示。该系统共有四个可控元件，其控制策略比较复杂，采用下表2.3所述方式综合调控所有元件动作。
表2.3变频电机+定量泵+能量调节单元系统中控制元件在注塑各阶段的状态

上表中，“当减速时控制输出流量”意味着，在注塑机液压系统设定的压力比泵的输出压力小时，传统的比例流量阀不应该完全打开，由其来控制流入注塑机系统的油液。直至变频电机转速减小，使泵的输出流量减小到设定值后，才能完全打开比例流量阀，由变频电机控制供给流量与需求流量匹配。
其中变频电机由单片机与直流电机组合，达到电机变速的目的。

图2.10变频器+定量泵十能量调节单元系统仿真模型
3.1 直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：
n=U/Cc-TR内/CrCc （公式 1-1）
其中：U—电压；
—励磁绕组本身的电阻；
—每极磁通(Wb)；
Cc—电势常数；
Cr—转矩常量。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1-1所示：

图1-1 直流电机的工作原理图
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图
根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得
到不同的电机速度，从而达到调速的目的。
3.2 直流调速系统实现方式
PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值：
A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）
B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）
C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。（图1-2）
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与
系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
3.3 控制程序设计
控制程序设计有两种方法：软件延时法和计数法。软件延时法的基本思路是：首先求出占空比D=t(1)/T，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t(0)，所以M= t(0)/ t(1)。然后，再断电S个单位时间，所以S= t(2)/ t(0)。改变M和S的值，从而也就改变了占空比D。计数法的基本思路是：当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某个存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电。
软件采用定时中断进行设计。如图所示当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。
4 硬件设计
4.1 单片机AT89C51
AT89C5是八位单片机MSC-51的升级版，又世界著名的半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术—闪存在生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到的新型产品。　AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机[5]。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，本次设计根据最小系统使用双列直插DIP-40的封装。

DIP-40封装89C51引脚图
4.2 复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分两种：上电复位和手动复位。

上电复位 手动复位
有时系统在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。
高频率的时钟有利于程序的更快运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取适合的频率即可。适合频率的晶振介入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30PF陶瓷电容帮助起振。

单片机最小系统
4.3 PWM波形的程序实现
随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定 时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50 Hz ，占空比为1：1，则和 R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示 ：

2-1 程序流程图

4.4 直流电动机的驱动
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图为L298N的内部电路结构图。

L298N内部电路结构图
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表2-1是L298N功能逻辑图。
表为L298N功能逻辑图

L298N外形封装及管脚定义可见图下

L298N外形封装及管脚定义

在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机

图2-2 L298内部结构和功能引脚图
L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用 L逻辑电平控制,可以驱
动继电器、