基于结构参数的电动静液作动器研究

赵子宁，刘钊，黄晨晨，陈世豪，赵挺

(上海机电工程研究所，上海 201109)

0 前言

电动静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)来源于功率电传的发展，当前飞行器的大功率伺服机构普遍采用液压阀控的形式。针对未来飞行器对高可靠大功率电传伺服作动技术需求，以及降低能源消耗、减轻体积质量、便于安装维护的发展趋势，拟开展用新型一体化电动静液作动器代替原常规阀控伺服机构的研究。在所有的控制面上使用电传作动器的飞行器能节约5%～9%的燃料，减少30%～50%的地面设施；军用战术飞行器能减少273～454 kg起飞质量，减少14%的易被攻击面积。未来的空中威胁具有高速及高机动特征，以保证导弹具备快速响应的能力。

EHA系统具有封闭液压回路，系统综合性能受环境及自身结构参数影响大。在舵机系统中，通过改变伺服阀的反馈杆刚度可有效改善舵机系统的动态响应。EHA涉及机械、电气、液压多种学科，所以必须建立仿真模型，通过仿真分析才能高效全面地了解结构参数对系统的影响。在EHA原理确定之后，基于Simulink模型，通过分析系统在设计参数下的开环Bode图，给出了系统快速性的解决方法。

1 EHA系统传递函数

根据图1所示的EHA原理图，根据直流无刷电机、液压泵、液压缸等元部件的物理特性，综合考虑系统摩擦、连接刚度、阻尼、饱和及内外泄漏等因素，得到电动静液作动器系统传递函数，表示如下：

图1 EHA原理

(1)

表1 电动静液作动器系统参数

根据式(1)建立系统Simulink模型，如图2所示。

图2 电动静液作动器系统Simulink模型

2 EHA关键参数对系统的影响

2.1 电枢电阻对EHA系统影响

由表2可知：随着电机电枢电阻的增大，电机固有频率基本保持不变，而电机阻尼比不断增大。从图3可知：随着电机电枢电阻的增大，系统谐振峰下降，因此可在一定程度上增大开环放大系数，提高系统快速性。但电机电枢电阻的增大，会使电机发热功率增大。

表2 不同电枢电阻下电机固有频率和阻尼比

图3 不同电枢电阻下电动静液作动器开环Bode图

2.2 电枢电感对EHA综合性能的影响

由表3可知：电机固有频率及阻尼比均随着电枢电感的增大而减小，但阻尼比的减小可能会使系统出现双谐振峰。由图4可知:随着电机电感的增大，系统在液压固有频率处的谐振峰无明显下移，且当电感增大到一定程度时，系统出现双谐振峰，即系统在电机固有频率处和液压回路固有频率处均存在谐振峰，这显然对提高系统频宽是不利的。

表3 不同电枢电感下电机固有频率及阻尼比

图4 不同电枢电感下电动静液作动器开环Bode图

2.3 电磁力矩系数对EHA综合性能的影响

由表4可知，随着电磁力矩系数的增大，电机固有频率不断增大而阻尼比不断减小。从图5可知，随着电磁转矩系数的增大，电动静液作动器谐振峰不断减小，有利于增大系统开环放大系数，从而提高系统快速性。

表4 不同电磁力矩系数下电机固有频率及阻尼比

图5 不同电磁转矩系数下电动静液作动器开环Bode图

2.4 液压泵排量对EHA综合性能的影响

图6为不同液压泵排量下电动静液作动器开环Bode图。可知：随着液压泵排量的增大，系统剪切频率增大，因此系统频宽增大，有利于提高系统快速性。从结构设计的角度来讲，增大液压泵排量，会增大液压泵尺寸，使作动器质量增加。从控制的角度来讲，由于液压泵排量对系统电机环节和泵控缸环节的固有频率和阻尼比均有影响,因此改变液压泵排量并不影响系统谐振峰，因此在使系统控制品质满足技术要求的情况下控制器比例放大系数可保持不变。

图6 不同液压泵排量下电动静液作动器开环Bode图

2.5 电机-泵等效转动惯量对EHA综合性能的影响

由表4可知：在电机等效转动惯量允许的变化范围内，无法使电机固有频率小于液压回路固有频率，因此无法使系统谐振峰向下移动，这与根据系统Bode图(图7)所得分析结果相一致。从设计的角度来讲，增大电机-泵等效转动惯量，使系统质量增加。

表4 不同转动惯量下电机固有频率及阻尼比

图7 不同电机-泵等效转动惯量下电动静液作动器开环Bode图

2.6 液压缸活塞有效面积对EHA综合性能的影响

从表5可知:随着液压缸活塞有效面积的增大，泵控缸环节的固有频率不断增加，而阻尼比不断减小。从图8可知:随着液压缸活塞有效面积增大，电动静液作动器剪切频率不断减小，系统频宽减小，不利于增大系统频宽。

表5 泵控缸在液压缸活塞不同有效面积下的固有频率和阻尼比

图8 液压缸活塞不同有效面积下电动静液作动器开环Bode图

2.7 液压缸活塞及负载等效质量对EHA综合性能的影响

由表6可知：随着活塞-负载等效质量的不断增大，泵控缸环节的固有频率不断减小，而阻尼比不断增大。由图9可知：随着活塞-负载等效质量不断增加，电动静液作动器剪切频率有减小的趋势，这不利于提高系统开环放大系数。

表6 泵控缸在活塞-负载不同等效质量下的固有频率和阻尼比

图9 活塞-负载不同等效质量下EHA的开环Bode图

2.8 液压缸加速度反馈对EHA综合性能的影响

引入液压缸加速度反馈后，系统液压回路的传递函数为

(2)

图10 带液压缸加速度反馈的系统传递函数方框图

图11 引入液压缸加速度反馈前后电动静液作动器开环Bode图

3 结论

根据系统传递函数搭建了系统Simulink模型，分析了电机参数、液压泵参数、液压缸及负载参数对电动静液作动器综合特性的影响。通过上述分析可知，增加弱阻尼系统频宽，应从提高系统阻尼、减小系统谐振峰的角度出发，从而有效提高系统快速性。