基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的電動靜液作動器研究

趙子寧，劉釗，黃晨晨，陳世豪，趙挺

(上海機電工程研究所，上海 201109)

0 前言

電動靜液作動器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)來源于功率電傳的發(fā)展，當前飛行器的大功率伺服機構(gòu)普遍采用液壓閥控的形式。針對未來飛行器對高可靠大功率電傳伺服作動技術(shù)需求，以及降低能源消耗、減輕體積質(zhì)量、便于安裝維護的發(fā)展趨勢，擬開展用新型一體化電動靜液作動器代替原常規(guī)閥控伺服機構(gòu)的研究。在所有的控制面上使用電傳作動器的飛行器能節(jié)約5%～9%的燃料，減少30%～50%的地面設(shè)施；軍用戰(zhàn)術(shù)飛行器能減少273～454 kg起飛質(zhì)量，減少14%的易被攻擊面積。未來的空中威脅具有高速及高機動特征，以保證導彈具備快速響應(yīng)的能力。

EHA系統(tǒng)具有封閉液壓回路，系統(tǒng)綜合性能受環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)參數(shù)影響大。在舵機系統(tǒng)中，通過改變伺服閥的反饋桿剛度可有效改善舵機系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。EHA涉及機械、電氣、液壓多種學科，所以必須建立仿真模型，通過仿真分析才能高效全面地了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)的影響。在EHA原理確定之后，基于Simulink模型，通過分析系統(tǒng)在設(shè)計參數(shù)下的開環(huán)Bode圖，給出了系統(tǒng)快速性的解決方法。

1 EHA系統(tǒng)傳遞函數(shù)

根據(jù)圖1所示的EHA原理圖，根據(jù)直流無刷電機、液壓泵、液壓缸等元部件的物理特性，綜合考慮系統(tǒng)摩擦、連接剛度、阻尼、飽和及內(nèi)外泄漏等因素，得到電動靜液作動器系統(tǒng)傳遞函數(shù)，表示如下：

圖1 EHA原理

(1)

表1 電動靜液作動器系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)式(1)建立系統(tǒng)Simulink模型，如圖2所示。

圖2 電動靜液作動器系統(tǒng)Simulink模型

2 EHA關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)的影響

2.1 電樞電阻對EHA系統(tǒng)影響

由表2可知：隨著電機電樞電阻的增大，電機固有頻率基本保持不變，而電機阻尼比不斷增大。從圖3可知：隨著電機電樞電阻的增大，系統(tǒng)諧振峰下降，因此可在一定程度上增大開環(huán)放大系數(shù)，提高系統(tǒng)快速性。但電機電樞電阻的增大，會使電機發(fā)熱功率增大。

表2 不同電樞電阻下電機固有頻率和阻尼比

圖3 不同電樞電阻下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.2 電樞電感對EHA綜合性能的影響

由表3可知：電機固有頻率及阻尼比均隨著電樞電感的增大而減小，但阻尼比的減小可能會使系統(tǒng)出現(xiàn)雙諧振峰。由圖4可知:隨著電機電感的增大，系統(tǒng)在液壓固有頻率處的諧振峰無明顯下移，且當電感增大到一定程度時，系統(tǒng)出現(xiàn)雙諧振峰，即系統(tǒng)在電機固有頻率處和液壓回路固有頻率處均存在諧振峰，這顯然對提高系統(tǒng)頻寬是不利的。

表3 不同電樞電感下電機固有頻率及阻尼比

圖4 不同電樞電感下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.3 電磁力矩系數(shù)對EHA綜合性能的影響

由表4可知，隨著電磁力矩系數(shù)的增大，電機固有頻率不斷增大而阻尼比不斷減小。從圖5可知，隨著電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)的增大，電動靜液作動器諧振峰不斷減小，有利于增大系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)，從而提高系統(tǒng)快速性。

表4 不同電磁力矩系數(shù)下電機固有頻率及阻尼比

圖5 不同電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.4 液壓泵排量對EHA綜合性能的影響

圖6為不同液壓泵排量下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖?？芍弘S著液壓泵排量的增大，系統(tǒng)剪切頻率增大，因此系統(tǒng)頻寬增大，有利于提高系統(tǒng)快速性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來講，增大液壓泵排量，會增大液壓泵尺寸，使作動器質(zhì)量增加。從控制的角度來講，由于液壓泵排量對系統(tǒng)電機環(huán)節(jié)和泵控缸環(huán)節(jié)的固有頻率和阻尼比均有影響,因此改變液壓泵排量并不影響系統(tǒng)諧振峰，因此在使系統(tǒng)控制品質(zhì)滿足技術(shù)要求的情況下控制器比例放大系數(shù)可保持不變。

圖6 不同液壓泵排量下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.5 電機-泵等效轉(zhuǎn)動慣量對EHA綜合性能的影響

由表4可知：在電機等效轉(zhuǎn)動慣量允許的變化范圍內(nèi)，無法使電機固有頻率小于液壓回路固有頻率，因此無法使系統(tǒng)諧振峰向下移動，這與根據(jù)系統(tǒng)Bode圖(圖7)所得分析結(jié)果相一致。從設(shè)計的角度來講，增大電機-泵等效轉(zhuǎn)動慣量，使系統(tǒng)質(zhì)量增加。

表4 不同轉(zhuǎn)動慣量下電機固有頻率及阻尼比

圖7 不同電機-泵等效轉(zhuǎn)動慣量下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.6 液壓缸活塞有效面積對EHA綜合性能的影響

從表5可知:隨著液壓缸活塞有效面積的增大，泵控缸環(huán)節(jié)的固有頻率不斷增加，而阻尼比不斷減小。從圖8可知:隨著液壓缸活塞有效面積增大，電動靜液作動器剪切頻率不斷減小，系統(tǒng)頻寬減小，不利于增大系統(tǒng)頻寬。

表5 泵控缸在液壓缸活塞不同有效面積下的固有頻率和阻尼比

圖8 液壓缸活塞不同有效面積下電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

2.7 液壓缸活塞及負載等效質(zhì)量對EHA綜合性能的影響

由表6可知：隨著活塞-負載等效質(zhì)量的不斷增大，泵控缸環(huán)節(jié)的固有頻率不斷減小，而阻尼比不斷增大。由圖9可知：隨著活塞-負載等效質(zhì)量不斷增加，電動靜液作動器剪切頻率有減小的趨勢，這不利于提高系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)。

表6 泵控缸在活塞-負載不同等效質(zhì)量下的固有頻率和阻尼比

圖9 活塞-負載不同等效質(zhì)量下EHA的開環(huán)Bode圖

2.8 液壓缸加速度反饋對EHA綜合性能的影響

引入液壓缸加速度反饋后，系統(tǒng)液壓回路的傳遞函數(shù)為

(2)

圖10 帶液壓缸加速度反饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

圖11 引入液壓缸加速度反饋前后電動靜液作動器開環(huán)Bode圖

3 結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)搭建了系統(tǒng)Simulink模型，分析了電機參數(shù)、液壓泵參數(shù)、液壓缸及負載參數(shù)對電動靜液作動器綜合特性的影響。通過上述分析可知，增加弱阻尼系統(tǒng)頻寬，應(yīng)從提高系統(tǒng)阻尼、減小系統(tǒng)諧振峰的角度出發(fā)，從而有效提高系統(tǒng)快速性。