電靜液作動器的建模仿真與試驗研究

習(xí)仁國，劉衛(wèi)國，陳煥明

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

液壓系統(tǒng)具有功率質(zhì)量比大、慣性小、穩(wěn)態(tài)性好和動態(tài)響應(yīng)快、運動平穩(wěn)等優(yōu)點，使其在飛機上得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子電力和控制技術(shù)的發(fā)展，新材料的不斷開發(fā)，現(xiàn)代科技逐漸影響著傳統(tǒng)的液壓技術(shù):一是現(xiàn)代飛機的高性能作戰(zhàn)需求使得飛機操縱系統(tǒng)也在發(fā)生變革;二是由于液壓系統(tǒng)本身所固有的一些問題使得它在飛機上的應(yīng)用又受到了一定的限制。為了克服液壓系統(tǒng)的弱點和滿足未來飛機的設(shè)計需求，發(fā)展新型液壓系統(tǒng)已成為必然趨勢。

20世紀(jì)70年代后期，隨著高磁能和稀土永磁材料的研究與應(yīng)用，以及大功率半導(dǎo)體驅(qū)動器件的出現(xiàn)，使得驅(qū)動電機具有輸入功率大、轉(zhuǎn)動慣量小、效率高等特點，同時材料、控制和精密制造等技術(shù)的飛速發(fā)展，也為新型作動系統(tǒng)的研制創(chuàng)造了條件，各種新技術(shù)和新型作動器在飛機上開始了應(yīng)用，如直接驅(qū)動舵機、組合舵機、電靜液作動器、電動舵機、智能材料驅(qū)動舵機等。新技術(shù)的廣泛應(yīng)用也為多電/全電飛機的發(fā)展提供了一個基礎(chǔ)，從而促進了功率電傳作動系統(tǒng)的發(fā)展。

EHA(Electro-Hydrostatic Actuator)是功率電傳的一種，其核心是取消集中式液壓能源系統(tǒng)，集機、電、液于一體。其優(yōu)點在于提高飛機生存力，改善飛機維護性，降低飛機對地面保障設(shè)施的要求，減小由于液壓油燃燒引起火災(zāi)的可能性，便于實現(xiàn)機載機電系統(tǒng)綜合;同時提高了效率，避免了用節(jié)流方式的功率分配，動力源和指令不再需要長長的液壓管路等等。

作者根據(jù)其工作原理設(shè)計了一種EHA，對其進行建模和仿真分析，并進行試驗驗證。

1 發(fā)展綜述

美國以EHA為主的功率電傳作動器研究始于20世紀(jì)60年代末，迄今己進行了40多年的研究和探索，并實施了多項大規(guī)模的研究計劃，如美國國家航空和宇宙航天局 (NASA)的多電飛機MEA(More Electric Aircraft)計劃、美國空軍提出的電力作動器計劃EPAD(Electrically Powered Actuation Design)和洛克希德馬丁公司 (Lockheed Martin)的一體化作動系統(tǒng)研究計劃等。1995年1月，美國空軍在F-18SRA上首飛了EHA，共試飛33次，約28.5 h。1998年，C-141副翼上EHA完成近1 000 h的飛行試驗。

Lockheed Martin公司為驗證JSF(Joint Strike Fighter)的多項關(guān)鍵子系統(tǒng)技術(shù)，改裝了一架F-16戰(zhàn)斗機，把主飛行控制系統(tǒng)原有的液壓作動器拆除，換上5個EHA。試飛的J/IST(J/Integrated Subsystems Technology)飛機速度為馬赫數(shù)1.3，加速度5g，高度9 144 m。在1998年8月進行了4個月的地面試驗，1999年進行了6個月約60次的飛行驗證試驗。EHA飛行控制系統(tǒng)無差錯地執(zhí)行了整個計劃，試飛員認為其操縱品質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)的F-16不相上下。J/IST飛行驗證計劃的成功為EHA技術(shù)在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機計劃中的應(yīng)用鋪平了道路。如圖1所示為Parker公司研制的EHA，已經(jīng)通過J/IST驗證，JSF將成為第一種把EHA技術(shù)應(yīng)用到初級飛行控制上的戰(zhàn)斗機。

圖1 用于JSF的EHA

Moog公司設(shè)計開發(fā)的EHA也在F-35上進行了試飛驗證，其種類比較多，主要用于飛機的方向舵、平尾、襟副翼的操縱。

20世紀(jì)80年代初，英國盧卡斯 (Lucas)公司也開展了EHA的研究，設(shè)計出多種集成EHA，并進行了試飛驗證。法國也開展了EHA的設(shè)計研究，并應(yīng)用于A380上。

到目前為止，美國空軍研究所 (USAF)、Dryden飛行研究中心、Boeing、GE、Moog和Parker公司以及英國、德國、加拿大、日本、法國、新加坡等國家的多個企業(yè)、大學(xué)和研究所，都在進行EHA的研究開發(fā)。

在國內(nèi)，EHA研究開發(fā)起步較晚。1996年，南京航空航天大學(xué)為某型直升機旋翼操縱系統(tǒng)研制了一種電動舵機系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用滾珠螺旋副和基于智能功率電路的PWM伺服放大器，具有精度高、頻帶寬、線性度好、效率和線位移輸出方式等特點，有良好的動態(tài)響應(yīng)。北京航空航天大學(xué)對機載作動系統(tǒng)進行了深入的研究，特別是容錯結(jié)構(gòu)設(shè)計取得了階段性的成果。中航工業(yè)第609研究所在20世紀(jì)80年代就開展小功率EHA的原理性研究，并進行了試驗驗證，從而取得了一些關(guān)鍵部件的突破。此外，中航工業(yè)第618研究所、北京理工大學(xué)等也在開展EHA研究工作。

通過對EHA的原理性研究，我國在EHA方面雖然取得了一定的成果，但還沒有進行工程驗證。從研究成果看，國外已經(jīng)完成了EHA試飛驗證，并在F-35、A380上開始應(yīng)用，而國內(nèi)雖然成功研制出了原理樣機，但工程應(yīng)用還處于研究開發(fā)階段。從技術(shù)上看，我國與國外的主要差距體現(xiàn)在:270 V DC電機的設(shè)計與開發(fā)技術(shù)、液壓泵技術(shù)、電機控制技術(shù)、集成技術(shù)、系統(tǒng)熱分析及其控制技術(shù)等。

2 原理分析

根據(jù)EHA的用途，各國對EHA的設(shè)計方案都不一樣。作者在研究比較國外各種EHA方案的基礎(chǔ)上，按定排量變轉(zhuǎn)速型方案設(shè)計了一種EHA。它是由控制器、電機、定量泵、蓄能器、單向閥、阻尼旁通閥、安全閥、對稱液壓作動器、270 V DC電源及各種傳感器等組成，并對這些元器件進行集成設(shè)計，形成一個封閉式的EHA系統(tǒng)。其液壓原理圖如圖2所示。

圖2 EHA原理圖

系統(tǒng)能源為270 V DC電源。控制器按照指令控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動雙向定量泵運轉(zhuǎn)。蓄能器通過兩個單向閥連接到系統(tǒng)，為系統(tǒng)進行補油，保持系統(tǒng)的最低壓力，防止泵反轉(zhuǎn)吸油時發(fā)生氣穴現(xiàn)象。同時，蓄能器通過單向閥連接到定量泵的殼體，使其殼體回油可返回到蓄能器中。系統(tǒng)中兩腔之間設(shè)置了兩個安全閥，防止系統(tǒng)中兩腔壓力過高。作動器在油壓的作用下帶動負載進行運動。速度、壓力和位移等傳感器將系統(tǒng)的指標(biāo)反饋給控制器，控制器進行比較綜合后給電機發(fā)出指令，進而控制電機運動。通過控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來控制作動器動作的方向和速率，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中還設(shè)置了一個阻尼旁通閥，當(dāng)作動器發(fā)生故障時，阻尼旁通閥開啟，泵排出的油液經(jīng)阻尼旁通閥返回到泵的吸油口，此時作動器對負載不發(fā)生作用，便于其他余度舵機工作。

EHA中最關(guān)鍵的部件是電機。電機是傳統(tǒng)電氣工程的一個重要分支，早在20世紀(jì)20年代，異步電機、同步電機等傳統(tǒng)電機設(shè)計技術(shù)的研究已達頂峰。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀土永磁材料的不斷應(yīng)用，電機設(shè)計又邁上了一個新的階段，各種高性能電機不斷地設(shè)計開發(fā)出來，如永磁同步電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機等。EHA所用電機一般采用稀土永磁無刷直流電機，其核心是在電機轉(zhuǎn)子慣量小、電磁負荷設(shè)計合理的前提下，電機效率高、功率密度大、高溫性能穩(wěn)定等。其功率主電路采用電壓源型IGBT三相全橋逆變器，主電源采用270 V DC電源進行供電，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主功率電路拓撲

EHA電機控制器采用DSP技術(shù)，同時為確?？刂破髟诖蠊β省姼蓴_條件下的控制可靠性，增加以CPLD進行功率器件的斬波控制，從而完成EHA在不同工況的控制功能。數(shù)字控制器原理框圖如圖4所示。隨著DSP在電機控制方面的應(yīng)用不斷深入，電機控制器逐漸趨于成熟，可達到高效率、低成本、高可靠的要求。早期DSP主要用于控制算法的運算，現(xiàn)在數(shù)字控制系統(tǒng)中DSP可以處理包括自適應(yīng)、多變量尋優(yōu)、自校正、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊邏輯等控制算法，以及故障診斷和保護功能、與上位機的通信、數(shù)據(jù)總線的控制協(xié)議等。

圖4 數(shù)字控制器原理框圖

液壓泵是將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，按其結(jié)構(gòu)形式分有齒輪泵、葉片泵、螺桿泵和柱塞泵等。其中飛機上應(yīng)用最多最廣泛的是軸向柱塞液壓泵。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓泵的研究、設(shè)計、加工和試驗等已趨于成熟。柱塞液壓泵結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)速高，也由于其主要零件柱塞和缸體均為圓柱形，加工方便，配合精度高，密封性好，工作壓力高，因此EHA系統(tǒng)中一般選用軸向柱塞液壓泵。

3 建模與仿真

液壓系統(tǒng)的工程分析方法很成熟，在此不再贅述。這里忽略單向閥和管道的影響，EHA的液壓部分是泵直接驅(qū)動作動器，作動器回油直接流回液壓泵的吸油口，是一個閉式系統(tǒng)。

泵的線性化流量方程為:

作動器的流量連續(xù)方程為:

作動器的力平衡方程為:

將上面三式進行拉氏變換，消去中間變量，可得系統(tǒng)傳遞函數(shù):

系統(tǒng)方框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)傳遞函數(shù)考慮了慣性、阻尼及彈性負載，還考慮了油液的壓縮性和作動器的泄漏等因素，在實際應(yīng)用中根據(jù)特定條件可以忽略一些次要因素，這樣可使傳遞函數(shù)進一步簡化。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立EHA仿真框圖，如圖6所示。

根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù) (泵排量、有效容積、作動器活塞面積、泄漏系數(shù))對系統(tǒng)的影響。

泵排量q的影響。q的變化會引起系統(tǒng)開環(huán)增益的變化，從而影響系統(tǒng)頻率特性。圖7為系統(tǒng)采用比例校正器時液壓系統(tǒng)的頻率特性曲線，其中曲線1和曲線2分別為q=0.8和1.2 mL/r時的液壓系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？梢钥闯?q增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，q增大會影響位移輸出精度，因此設(shè)計時要綜合考慮泵排量對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能的影響。

圖7 排量對系統(tǒng)響應(yīng)的影響

有效容積V的影響。V直接影響系統(tǒng)固有頻率，V增大，固有頻率降低。圖8中的曲線分別表示當(dāng)V=25.8和51.6 cm3時液壓系統(tǒng)的頻率特性曲線?？梢钥闯?V增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。

圖8 有效容積對系統(tǒng)頻率特性的影響

作動器活塞面積A的影響。A直接影響系統(tǒng)的固有頻率，A增大，固有頻率增大。圖9中的曲線分別表示當(dāng)A=4.96和9.92 cm2時液壓系統(tǒng)的頻率特性曲線?？梢钥闯?A增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。

泄漏系數(shù)Csl的影響。圖10中的曲線分別為泄漏系數(shù)Csl=0.18和0.6 cm5/(kgs)時系統(tǒng)的頻率特性曲線。可以看出:在相同的相角裕度133.7°時，系統(tǒng)的穩(wěn)定幅值裕度由19.2 dB增大到30.3 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。

圖9 作動器活塞面積對系統(tǒng)頻率特性的影響

圖10 泄漏系數(shù)對系統(tǒng)頻率特性的影響

4 試驗驗證

對定排量變轉(zhuǎn)速型EHA進行試驗。試驗條件:環(huán)境溫度 (25±10)℃，相對濕度45% ～80%?？蛰d狀態(tài)下系統(tǒng)輸入正弦信號，正弦信號幅值為1 V，而頻率分別為0.1、1、2 Hz 3種情況，系統(tǒng)輸出為作動器活塞桿位移，結(jié)果見圖11—13。

圖11 頻率0.1 Hz幅值1 V位移跟隨曲線

圖12 頻率1 Hz幅值1 V位移跟隨曲線

圖13 頻率2 Hz幅值1 V位移跟隨曲線

從試驗曲線可知:系統(tǒng)在小信號輸入時，信號跟隨情況良好，滿足性能要求;系統(tǒng)在大信號輸入時，信號跟隨誤差較大。

通過仿真和試驗驗證，說明所設(shè)計的定排量變轉(zhuǎn)速型EHA的設(shè)計原理是正確合理的;所設(shè)計的稀土永磁無刷直流電機性能基本達到了設(shè)計要求，試驗時最高控制轉(zhuǎn)速達到了10 000 r/min，但性能和可靠性需要進一步提高;所設(shè)計的EHA控制系統(tǒng)硬件及軟件原理正確，并達到了設(shè)計指標(biāo)要求，說明集成式電靜液作動系統(tǒng)是一種可行的功率電傳作動系統(tǒng)。通過試驗，該EHA還存在一些不足，需作進一步的改進和完善:(1)傳感器;(2)AD轉(zhuǎn)換器;(3)系統(tǒng)發(fā)熱問題;(4)控制器功能擴展問題;(5)電機、泵、作動器等的一體化集成設(shè)計技術(shù)等。

5 結(jié)論

綜述了電靜液作動器EHA國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，簡述了其工作原理，按定排量變轉(zhuǎn)速型方案設(shè)計了一種電靜液作動器EHA，對其進行了建模和仿真分析，并進行了試驗驗證。仿真分析和試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的EHA及其控制系統(tǒng)滿足技術(shù)要求，達到了預(yù)定的性能指標(biāo)，是一種可行的功率電傳系統(tǒng)，仿真分析和試驗結(jié)果對EHA的系統(tǒng)設(shè)計和工程優(yōu)化提供參考。

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