變負(fù)荷下電滾動(dòng)液作動(dòng)器的研究

變負(fù)荷下電滾動(dòng)液作動(dòng)器的研究

未來，當(dāng)飛機(jī)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)）用于動(dòng)態(tài)電作動(dòng)器（勵(lì)磁電作動(dòng)器（h.eha）和動(dòng)態(tài)電動(dòng)器（era）時(shí)，它主要由動(dòng)態(tài)電動(dòng)器（elastichydrold外觀，eha）和動(dòng)態(tài)電動(dòng)器（elarkicmechaecalmechaecal）組成，這是多電飛機(jī)（mea）最重要的子技術(shù)之一。按照所采用電機(jī)和泵型式以及控制方式的不同,EHA可分為定排量變轉(zhuǎn)速(EHA-FPVM)、變排量定轉(zhuǎn)速(EHA-VPFM)和變排量變轉(zhuǎn)速(EHA-VPVM)3種。EHA通過液壓泵將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到作動(dòng)器輸出,這使得在作動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可以采取更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu),電機(jī)和泵相對(duì)于液壓缸的方位容易安排以適應(yīng)一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸要求。而EMA系統(tǒng)中電機(jī)、變速箱和滾珠絲杠間的連接方位是不容易改變的,這就使EHA具有比EMA優(yōu)越的地方。EHA也能通過改變泵的排量使改變系統(tǒng)的傳動(dòng)比成為可能。這就增加了作動(dòng)器的剛度,減小了體積,并減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文將分析變排量對(duì)作動(dòng)器性能的影響和EHA中采用變量泵的優(yōu)點(diǎn)。1直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中,電機(jī)的發(fā)熱是一個(gè)重要的問題。與中央泵源系統(tǒng)相比,EHA由于采用集成化設(shè)計(jì),散熱的實(shí)現(xiàn)比較困難,因此必須在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮此問題,減小系統(tǒng)的發(fā)熱。閥控系統(tǒng)由于伺服閥處的壓降在工作過程中將產(chǎn)生大量熱量,而在EHA或EMA中,由于采用直接驅(qū)動(dòng)的方式,效率遠(yuǎn)高于閥控系統(tǒng),熱量主要來源于空氣動(dòng)力負(fù)載與元件的無用功,這其中最重要的就是電機(jī)的I2R損失。EHA中電機(jī)的輸出力矩與電流成比例,而電機(jī)所需輸出力矩取決于泵的排量和負(fù)載壓力。在固定負(fù)載下,可以通過匹配泵的排量和電機(jī)轉(zhuǎn)速來維持系統(tǒng)流量,使作動(dòng)器有合適的回轉(zhuǎn)速度。因此,采用變排量泵可以在大負(fù)載(pb高)和低速率(Q小)的情況下減小泵的排量,增大電機(jī)轉(zhuǎn)速n,保持輸出功率不變,以減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,即使電機(jī)工作在較低的電流下,這樣就限制了電機(jī)的I2R損失。2固定kh與電機(jī)功率曲線轉(zhuǎn)換在EHA系統(tǒng)中使用變量泵的另一個(gè)好處是可以使電機(jī)和作動(dòng)器的功率需求更加匹配。在給定的散熱情況下,電機(jī)有一條功率曲線(角速度-力矩曲線)。根據(jù)作動(dòng)器的應(yīng)用負(fù)載要求,也有一條相對(duì)應(yīng)的功率曲線(速度-力曲線)。EHA的流量方程為:Q=Ω·q=v·A(1)其中Q為系統(tǒng)流量,Ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速,v為作動(dòng)器速度,A為作動(dòng)器活塞面積。取液壓速率Kh=q/A,則上式可表示為Ω=v/Kh,而電機(jī)轉(zhuǎn)矩為Tm=F·Kh。通過以上轉(zhuǎn)換,可以將電機(jī)和負(fù)載的功率曲線表示在同一個(gè)圖里面。如圖1所示,為了使電機(jī)滿足負(fù)載要求,當(dāng)使用定量泵時(shí),Kh為定值,可取其值為Kh=TmaxFmax(F為作動(dòng)器負(fù)載力),以滿足堵轉(zhuǎn)負(fù)載的要求,電機(jī)功率可取負(fù)載的最大功率。但此時(shí)不能保證電機(jī)滿足負(fù)載在每一點(diǎn)的功率要求,因此電機(jī)必須有一定余量,以使在固定Kh下電機(jī)功率曲線完全包含負(fù)載的功率曲線。當(dāng)使用變量泵時(shí),Kh為一個(gè)變量,只要電機(jī)功率滿足負(fù)載最大功率要求,在不同負(fù)載情況下,可以通過調(diào)節(jié)Kh值使電機(jī)工作在合適的速度與轉(zhuǎn)矩下,滿足負(fù)載每一點(diǎn)的功率需求。這樣就可以選擇更小的電機(jī),優(yōu)化EHA系統(tǒng)。3定排放量變轉(zhuǎn)速fpvm系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)中當(dāng)采用EHA取代傳統(tǒng)的閥控作動(dòng)系統(tǒng)時(shí),剛度是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題。因?yàn)镋HA不具有閥控作動(dòng)器的閉環(huán)剛度。在閥控作動(dòng)系統(tǒng)中,負(fù)載壓力不能反向驅(qū)動(dòng)影響閥芯的位置,而在EHA中,隨負(fù)載壓力的增加,油液會(huì)反向驅(qū)動(dòng)泵從而帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。對(duì)組成舵機(jī)的閥控電液位置伺服系統(tǒng),動(dòng)態(tài)方塊圖如圖2所示。對(duì)干擾信號(hào)FL來說系統(tǒng)是零型結(jié)構(gòu),有位置誤差,干擾力引起的輸出即是誤差,閉環(huán)系統(tǒng)剛度越大,FL引起的誤差就越小。閉環(huán)系統(tǒng)剛度可寫為FLXt=?GHAt2Kce(s2ωnc2+2ξncωnc(s+1)FLXt=-GΗAt2Κce(s2ωnc2+2ξncωnc(s+1)(2)其中:FL為干擾力;Xt為作動(dòng)器輸出位移;GH為開環(huán)增益;At為作動(dòng)器活塞面積;Kce為總壓力流量系數(shù);ωh=4EyA2tmtVt2?????√ωh=4EyAt2mtVt2為液壓固有頻率;ξh=KceAtEymtVt????√+Bt4AtVtEymt????√ξh=ΚceAtEymtVt+Bt4AtVtEymt為液壓相對(duì)阻尼系數(shù);Ey為等效容積彈性模數(shù);mt為活塞與負(fù)載等價(jià)質(zhì)量;Vt為液壓缸總體積。由Kce=Kc+Csl,其中Kc為滑閥的流量壓力放大系數(shù)(或稱彈性系數(shù)),Csl為總泄漏系數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)方塊圖和傳函可知,對(duì)閥控位置系統(tǒng),其在干擾力下的位移輸出主要是由于外干擾力導(dǎo)致系統(tǒng)工作壓力的變化,改變了油液的壓縮量、缸的泄漏和伺服閥零位動(dòng)態(tài)泄漏,從而改變了系統(tǒng)的流量而引起。對(duì)EHA系統(tǒng),定排量變轉(zhuǎn)速(FPVM)方案位置系統(tǒng)方塊圖如圖3。其伺服電機(jī)部分傳遞函數(shù)為:ω=CmG1Js+(CeCmG1+Dm)?Uc?1Js+(CeCmG1+Dm)?TL(3)ω=CmG1Js+(CeCmG1+Dm)?Uc-1Js+(CeCmG1+Dm)?ΤL(3)液壓部分傳遞函數(shù)為:Xt=qA?602πs(s2ωh2+2ξhωhs+1)?ω?V2EyA2s+CstA2s(s2ωh2+2ξhωhs+1)?FLXt=qA?602πs(s2ωh2+2ξhωhs+1)?ω-V2EyA2s+CstA2s(s2ωh2+2ξhωhs+1)?FL(4)電機(jī)所受泵的負(fù)載力矩為:TL=qA[(mts2+Bts+Kt)Xt+FL]ΤL=qA[(mts2+Bts+Κt)Xt+FL](5)其中:電機(jī)電氣部分G1=1/RTα+1G1=1/RΤα+1,EHA液壓固有頻率ωh=2EyA2Vmt?????√ωh=2EyA2Vmt,EHA的液壓相對(duì)阻尼系數(shù)ξh=CstAEymt2V????√+Bt2AV2Eymt?????√,Cstξh=CstAEymt2V+Bt2AV2Eymt,Cst為液壓部分總的內(nèi)外泄漏系數(shù)。由EHA系統(tǒng)方塊圖和式(3)～(5)可以看出,EHA液壓部分的剛度同閥控系統(tǒng)相同,都是由于油液的壓縮性和系統(tǒng)內(nèi)外泄漏造成,在負(fù)載干擾力作用下此部分產(chǎn)生的位置輸出較小。但由式(5)可知,負(fù)載干擾力的變化將引起EHA負(fù)載壓力的變化,從而改變泵作用在電機(jī)上的負(fù)載力矩。由于電機(jī)剛度遠(yuǎn)小于液壓系統(tǒng)剛度,在負(fù)載作用下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化,從而影響EHA系統(tǒng)的位置輸出。因此EHA系統(tǒng)的剛度遠(yuǎn)小于閥控系統(tǒng)。在某EHA系統(tǒng)中,電機(jī)最大轉(zhuǎn)速10000r/min,采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),位置開環(huán),作動(dòng)筒活塞面積1.83×10-3m2,系統(tǒng)最高壓力28MPa,泵排量q分別取0.5mL/r和1mL/r時(shí),在10000N外負(fù)載干擾力下對(duì)液壓部分和電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的系統(tǒng)流量變化進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4所示。由(3)、(5)兩式可以看出,當(dāng)減小EHA系統(tǒng)的液壓速率Kh=q/A后,在相同的負(fù)載干擾力FL下,作用在電機(jī)上的負(fù)載力矩將減小,同時(shí)轉(zhuǎn)速ω的變化引起的位置輸出變化也將減小,因此可以通過減小EHA系統(tǒng)的Kh值來提高系統(tǒng)剛度。在額定負(fù)載下,增大作動(dòng)筒面積A意味著系統(tǒng)需要更大的流量,這是不可取的。減小泵的排量q,同時(shí)使用更高速的電機(jī)以保證系統(tǒng)流量是一個(gè)可行的方法。但這種提升是有限度的,我們可以采取變量泵的方法,泵工作在大排量狀態(tài)時(shí)保證系統(tǒng)上升階段的流量要求,在工作點(diǎn)附近,使泵工作在小排量狀態(tài),以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度。4伺服變量泵控制變量泵的采用將會(huì)