基于結構參數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展，當前飛行器的大功率伺服機構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需求，以及降低能源消耗、減輕體積質量、便于安裝維護的發展趨勢，擬開展用新型一體化電動靜液作動器代替原常規閥控伺服機構的研究。在所有的控制面上使用電傳作動器的飛行器能節約5%～9%的燃料，減少30%～50%的地面設施；軍用戰術飛行器能減少273～454 kg起飛質量，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的能力。

EHA系統具有封閉液壓回路，系統綜合性能受環境及自身結構參數影響大。在舵機系統中，通過改變伺服閥的反饋桿剛度可有效改善舵機系統的動態響應。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構參數對系統的影響。在EHA原理確定之后，基于Simulink模型，通過分析系統在設計參數下的開環Bode圖，給出了系統快速性的解決方法。

1 EHA系統傳遞函數

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

圖1 EHA原理

(1)

表1 電動靜液作動器系統參數

根據式(1)建立系統Simulink模型，如圖2所示。

圖2 電動靜液作動器系統Simulink模型

2 EHA關鍵參數對系統的影響

2.1 電樞電阻對EHA系統影響

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，系統諧振峰下降，因此可在一定程度上增大開環放大系數，提高系統快速性。但電機電樞電阻的增大，會使電機發熱功率增大。

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出現雙諧振峰。由圖4可知:隨著電機電感的增大，系統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，系統出現雙諧振峰，即系統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Bode圖

2.3 電磁力矩系數對EHA綜合性能的影響

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

表4 不同電磁力矩系數下電機固有頻率及阻尼比

圖5 不同電磁轉矩系數下電動靜液作動器開環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Bode圖。可知：隨著液壓泵排量的增大，系統剪切頻率增大，因此系統頻寬增大，有利于提高系統快速性。從結構設計的角度來講，增大液壓泵排量，會增大液壓泵尺寸，使作動器質量增加。從控制的角度來講，由于液壓泵排量對系統電機環節和泵控缸環節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諧振峰，因此在使系統控制品質滿足技術要求的情況下控制器比例放大系數可保持不變。

圖6 不同液壓泵排量下電動靜液作動器開環Bode圖

2.5 電機-泵等效轉動慣量對EHA綜合性能的影響

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

表4 不同轉動慣量下電機固有頻率及阻尼比

圖7 不同電機-泵等效轉動慣量下電動靜液作動器開環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，泵控缸環節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，系統頻寬減小，不利于增大系統頻寬。

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Bode圖

2.7 液壓缸活塞及負載等效質量對EHA綜合性能的影響

由表6可知：隨著活塞-負載等效質量的不斷增大，泵控缸環節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，這不利于提高系統開環放大系數。

表6 泵控缸在活塞-負載不同等效質量下的固有頻率和阻尼比

圖9 活塞-負載不同等效質量下EHA的開環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，系統液壓回路的傳遞函數為

(2)

圖10 帶液壓缸加速度反饋的系統傳遞函數方框圖

圖11 引入液壓缸加速度反饋前后電動靜液作動器開環Bode圖

3 結論

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