压机电液控制系统的AMESim的仿真分析

徐 赟，霍志亮，赵庆龙，钱 军，顾海燕

（西派格电液控制科技有限公司，江苏南通 226000）

1 全自动压机液压系统概述

现有的汽车内饰等塑料成型压机的液压系统是通过变频器控制异步电机加定量液压泵来控制压机的进给系统。在压机液压系统中为了实现快速、慢速和位置闭环等工况，设计者一般选择价格较贵的大通径的比例伺服阀，大多数压机液压系统对速度和节拍要求较高，而对位置控制要求较低，使用比例伺服阀控，造成了系统冗余和浪费。另一种设计，在液压回路中增加抗衡阀，起到节流、溢流和平衡负载的作用，一台压机需要应对不同负载的模具，通过手动调节抗衡阀，不仅调节难度大，而且需要专业培训，抗衡阀的节流和溢流能量损失也都需要电机泵组补偿，产生较大能源流失。

2 全自动压机电液控制系统介绍

图1为全自动压机电液控制系统原理。负载抬升由永磁同步伺服电机驱动内啮合齿轮泵，给执行器下腔供油，可按需供油实现负载抬升无极调速。压机负载下降，执行器下腔的压力油经过流量控制阀控制负载下降，外部控制器调节控制阀阀口大小，实现负载下降无极调速。在整个工作周期中，可在系统调节范围内按照需求控制系统流量，使系统工作更加灵活。

图1 全自动压机电液控制系统原理

3 全自动压机电液控制系统建模

3.1 流量控制阀模型的搭建

全自动压机的上模具在一个工作周期中需要快速逼近下模具，上模具在负载作用下快速下降，微控单元调节通径DN16的流量控制阀通过较大流量，待上模具与下模具之间的距离小于工艺设计阈值时，微控单元调节通径DN16的流量控制阀通过较小流量，上模具慢速下降，当上模具与下模具的工艺距离达到工件压制成型的定位距离，微控单元控制伺服电机快速进入工作中，给执行器上腔压油，压机进入压制工艺环节。

该全自动压机电液控制系统所用流量控制阀是一种开环控制单元。在上模具整个运行周期中，位移传感器始终发送信号给微控单元（MPU）。微控制单元采集电流或电压信号，转换成数字信号，并通过设计程序控制数字信号转换成模拟信号发送给流量控制阀的放大器，以调节阀芯位置。流量控制工作原理如图2所示。

图2 流量控制工作原理

根据流量控制阀的工作原理，可使用AMESim软件搭建其物理模型。

参数化搭建流量控制阀物理模型后，调节其控制电流从0到100%，同时设定流量控制阀的进口压力为定值；调节流量控制阀的进口压力从0到30 MPa，同时设定其控制电流为定值，进行流量控制阀的特性仿真。

由仿真结果可知，当流量控制阀进口压力不变，调节控制电流由小到大时，流量控制阀的输出流量近似成线性变化；当流量控制阀控制电流不变，调节流量控制阀的进口压力由小到大时，流量控制阀的输出流量能够迅速稳定在某一个流量值附近，且电流越大，最终输出的稳定流量越大。该流量控制阀物理模型仿真的结果与样本曲线保持一致，反映出了流量控制阀的控制特性。

3.2 永磁同步电机模型的搭建

与异步电机相比，永磁同步电机（PMSM）具有过载能力强、效率高、转矩大、结构简单等优点。在全自动压机的一个工作周期中，包含压机上、下模具压制工艺环节，保压工艺环节，上模具快速抬升环节，以及模具加热环节等。永磁同步电机驱动内啮合齿轮泵的容积控制为压机电液控制系统中的主要控制方式之一。永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制原理如图3所示。

图3 永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制原理

在该压机电液控制系统中采用Hysis 品牌U31013C 系列永磁同步电机，通过AMESim 软件的电机库和信号库搭建U31013C 永磁同步电机模型。

对搭建的永磁同步电机设置完整模型参数，其输入的目标扭矩见表1。

表1 永磁同步电机目标扭矩

调节永磁同步电机输入转速从0 到4000 r/min，分别设定输入扭矩对应表1的目标扭矩，则U31013C永磁同步电机转速对应电机输出扭矩和其在各个目标扭矩下对应的输入功率特性，如图4、图5所示。

图5 伺服电转速、扭矩-输入功率特性

查看U31013C 系列永磁同步电机说明书，额定转速n=3000 r/min，额定扭矩T=217 N·m，对应的电机功率P=68 kW，与图4、图5中的转速、扭矩及功率均能对应。因此，所搭建的永磁同步电机脉宽调制控制模型能够反映出U31013C 永磁同步电机的特性。

3.3 电液控制系统仿真模型搭建

设计好流量控制阀和U31013C 永磁同步电机的物理模型后，依据全自动压机电液控制系统原理（图1）完成整个系统物理模型的搭建，如图6所示。

图6 全自动压机电液系统仿真模型

4 仿真分析

随着现代智能制造的发展，提出了工件生产过程的绿色化，即把设备上一个部件制造过程中的碳中和，也纳入了绿色智造的范畴。用于生产新能源汽车内饰部件的压机，要求工作周期快、压制频次高、状态稳定，同时要求提高系统能效和减少液压系统发热等问题。全自动压机电液控制系统采用结合微控制器单元（MPU）系统的伺服电机泵控和流量控制阀阀控，可达到全自动压机能效高、系统发热少、压制工作周期快的目的。文章将从两个方面对压机电液控制系统展开分析。

4.1 全自动压机负载快速下降

汽车内饰压制模具集成了机械、电气及液压等元件，模具自重一般在5～10 t，即负载变化范围较宽。作为工业母机的压机在模具向下运动过程中，必须快速适应模具负载在较宽范围的变化。通过流量控制阀控制模具快速下移到距离压制工艺环节前某一位置，设计仿真分析6个不同的负载，分别为5 t、6 t、7 t、8 t、9 t 和10 t，上模具下降0.8 m。

5～10 t 的模具在快速下降阶段的速度响应较快，在负载开始下降和停止下降过程中，速度振幅快速减弱并逼近定值，最大速度保持在0.31 m/s 以上。

55～10 t的模具在快速下降阶段，经过2.8 s的时间，均到达设定目标位置0.8 m，且位移曲线平滑，位置偏差也在允许范围内。

综上，该压机电液控制系统采用流量控制阀控制负载快速下降的环节，可以保证压机在模具重量变化后也能快速自适应，且系统响应的快速性、控制的准确性和稳定性能够满足要求。

4.2 全自动压机基本工作周期

针对汽车内饰全自动压机工作要求，设计其基本工艺路线：模具快速逼近→模具慢速逼近→模具接触工件压制→模具保压加热→模具快速抬升→机械手卸料。

该全自动压机上安装有位置、压力等传感器，通过变换器可实时向微控单元反馈机器的控制信号。依据工件压制成型的工艺路线，设计全自动压机的控制程序并下载到微控单元中，同时控制和监测完整的机器工作周期。文章以6 t、7 t 和8 t 模具来分析全自动压机的基本工作周期。

以3个工作周期为分析对象，不同重量的模具经过两点几秒的时间完成模具快速逼近后又经过零点几秒完成模具慢速逼近，此时，模具到达工艺设计0.8 m的位置，进入工件压制工艺；零点几秒后，模具到达工件成型位置0.815 m，压制力增大到约200 kN，模具进入保压加热工艺；经过3 s 后，模具快速抬升到原点，机械手完成同步卸料动作。约10 s 完成一个基本工作周期。

在压机基本工作周期中，伺服电机仅在模具压制和模具快速抬升工艺过程中参与工作，伺服电机工作时间约占压机基本工作周期的50%。

5 结束语

文章详细叙述了汽车内饰全自动压机电液控制系统及其主要元器件的建模和分析过程，并通过仿真验证了该电液控制系统的可行性和正确性。对传统压机负载控制不稳定、能效低、工作效率低等问题，可应用流量控制阀阀控与伺服电机泵控相结合的电液控制系统的设计方案来解决。通过以上分析可得，该电液控制系统能够有效提高汽车内饰全自动压机的生产效率和节拍，可以灵活适应不同负载的模具，有效控制和减少系统能耗，且系统实现较为简单，具有工程实用意义。