AMESim 泵阀协调控制电动静液作动器方案分析

未来多/全电飞机(more/all electric aircraft)的机载作动系统将采用新型功率电传PBW ( Power-By-Wire)作 动器,电动静液作动器EHA ( Electro-Hydrostatic Actuator) 是其中一种重要的实现形式[1-2] . 典型的EHA 系统
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该方案与典型的EHA 系统结构上的不同之处在于: ①用补油环节代替了蓄能器(增压油箱),补油泵的出口压 力设置为系统最高工作压力的一半; ②引入了TPCV, 使作动筒的两腔均为控制腔,提高了系统的频响. 同时由于 该方案本身是容积控制系统还具有较高的效率.
该方案对比前面两种方案来说, TPCV 为自动调节, 控制相对简单. 但该阀的加工制造是难点,而且其性能好 坏将直接影响该方案的响应性能. 2 各方案的仿真分析
摘 要: 针对典型的EHA (Electro-Hydrostatic Actuator)系统存在的频响较低的问题,为了兼顾作动系统的效率 和频响,将控制阀引入了EHA系统,提出了3种泵阀协调控制的EHA方案,分别是:采用EHSV (Electro-Hydraulic Servo Valve)的EHA 系统,采用DDV (Direct Drive Valve)的EHA 系统以及采用TPCV (Total Pressure Control Valve)的EHA 系统. 阐述了这3种方案的系统组成及工作原理,采用AMESim 对这3种方案及典型的 EHA 进行了仿真对比分析. 从仿真结果可以看出:泵阀协调控制的EHA 系统可以大大提高系统的频响,同时还 具有较高的效率. 作为3种过渡方案,将对目前机载电动静液作动系统的研制具有实际指导意义. 关 键 词: 功率电传; 电动静液作动器; 泵阀协调控制; 电液伺服阀; 直接驱动阀; 总压力控制阀 中图分类号: V 245. 1; TH 137 文献标识码:A 文章编号: 100125965 (2008) 02-0131-04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50675009) 作者简介: 齐海涛(1981-),男,山东淄博人,博士生, haitao8642@163. com.
该方案对比泵控方案，由于存在EHSV，系统不可避免的存在节流损失，但相对泵控系统，其最大响应可 以达到阀控系统的响应，对比传统的阀控系统，由于对泵源输出压力进行了合理的调配，效率可以有较大提 高。
1.2 采用直接驱动阀的EHA系统
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泵阀协调控制电动静液作动器方案分析
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齐海涛 付永领 王占林 (北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院, 北京 100083)
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普通的泵控系统由于不能确保作动筒两腔压力之和为常数,故只有一个控制腔,系统固有频率较低. 采用 TPCV 可以将作动筒两腔压力之和作为被控量进行控制, 从而实现作动筒两腔均为控制腔,这样就可以提高系 统的固有频率[ 9 ]. 因此该方案在EHA 系统中引入了TPCV 参与控制.
2)阀控+泵处极端工况. 该模式下,开关阀9关闭,电机泵工作在单方向旋转最大转速处,通过DDV 8 来控制系统 流量的大小和方向,达到最终控制作动筒位移输出的目的. 此时的EHA系统相当于阀控系统,因此系统的频响和 快速性最好, 但效率较低. 一般可工作于系统高工况时.
3)阀控+泵控. 该模式下,开关阀9关闭,电机泵单方向旋转,转速跟随负载变化而变化,通过DDV 8 来控制系统 流量的大小和方向,达到最终控制作动筒位移输出的目的. 此时的EHA 系统可以兼顾效率与频响,可工作于系统 一般工况时.
号转变为阀的运动,而阀的运动又可以控制液压能源流向液压执行机构的流量与压力，实现电、液信号的转 换和放大，以及对液压执行机构的控制。由于EHSV具有控制精度高、动态响应好、频响快等优点，在液压 控制系统中得到了广泛的应用. 因此该方案在EHA系统中引入了第1级采用双喷嘴挡板阀的两级电液伺服阀参 与控制. 采用EHSV 的EHA 系统组成及原理图如图1 所示.
该方案既可以工作在泵控模式又可以工作在阀控模式,具有较大的调节自由度;同时通过控制开关阀9的开闭, 为系统提供了一定的备份工作模式. 采用DDV 较采用EHSV 可以更好地提高系统的效率及抗污染能力. 1. 3 采用总压力控制阀的EHA系统
总压力控制阀TPCV ( Total Pressure Control Valve)通过其压力设定值与作动筒两腔压力之和的差值来调 节输出流量, 保持作动筒两腔压力之和为补油泵压力的2倍, 其结构原理图如图3所示. 当该阀处于平衡状态时, 取阀芯面积A1= A2=A0 /2,且弹簧作用力F = p0 A0 ,则满足:p1 A1+ p2 A2= F = p0 A0 , 进而可得:p1+p2=2p0，其 中p1和p2分别为作动筒两腔的压力，p0为补油泵的压力。
Abstract: Aiming at the problem of low response which existed in the typical electro-hydrostatic actuator (EHA ) systems, control valve was introduced into EHA systems to find a trade-off between efficiency and response. Three schemes of pump-valve coordinated control EHA were put forward. First was EHA with electro-hydraulic servo valve, second was EHA with direct drive valve, and third was EHA with total pressure control valve. The system composition and operating principle of the three schemes were analyzed. Also each scheme was simulated and compared in AMESim. The simulation results show that pump-valve coordinated control EHA will greatly improve the system response and its efficiency is also higher. As three transitional schemes, they have practical guidance significance to the research and development of present airborne electro-hydrostatic actuation system. Keywords: power-by-wire (PBW ); electro-hydrostatic actuator (EHA ); pump-valve coordinated control; electro-hydraulic servo valve (EHSV ); direct drive valve (DDV ); total pressure control valve.
到提高EHA 系统频响的目的,这样既可以满足系统高工况时的频响要求,又可以在低工况时具有很高的效率.
以下3种泵阀协调控制的EHA 系统方案正是基于以上想法提出的.
1 3种泵阀协调控制的EHA 系统
1. 1 采用电液伺服阀的EHA 系统
电液伺服阀EHSV ( Electro-Hydraulic Servo Valve)用于连接系统的电气与液压部分,将输入的小功率电信
采用TPCV 的EHA 系统组成及原理图如图4 所示, 电机采用普通的交流电机, 单向旋转, 同时带动高压补油 泵6 和双向变量柱塞泵8旋转, 高压补油泵的流量一部分通过电液伺服阀4和变量油缸5完成对双向变量柱塞泵 的变排量控制, 另一部分通过TPCV 10 完成对系统流量损失的补偿. 通过对变量泵排量的伺服控制和总压力控 制阀的自动调节完成对系统流量和压力的控制,进而达到控制作动筒位移输出的目的.
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直接驱动阀DDV（Direct drive Valve）采用直线位移力马达驱动阀芯，随着稀土永磁材料的发展，小惯量 的力马达能够提供很大的输出力，保证了DDV的高响应和高频带。同时DDV较EHSV中依靠射流产生压差驱 动阀芯而言，从原理上大大降低了静态泄露，而且提高了抗污染能力[8]，因此该方案在EHA系统中引入了 DDV参与控制。
Scheme analysis of pump-valve coordinated control electro2hydrostatic actuator Qi Haitao Fu Yongling Wang Zhanlin
(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)
该方案采用直流无刷电机驱动定量泵,电机单方向旋转,靠EHSV 换向,以提高EHA 系统的动特性,回避了电机 换向或泵换向的非灵敏区及大惯量,相对于双向旋转电机提高了系统的频宽; 低压蓄能器6作为增压油箱;高压 蓄能器8用于吸收泵的压力脉动，同时可为系统提供瞬时流量；压差传感器12实时检测负载压力，使系统在 工作过程中尽可能使泵源输出压力接近负载压力，提高整体效率。
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属于容积控制系统,没有阀参与控制,按照控制方式的不同分为以下3种形式[3-5] :定排量变转速型( EHA-VS) 、 变排量定转速型( EHA-VP)和变排量变转速型( EHA-VSVP).
典型的EHA 系统较传统的阀控系统效率高,但其液压固有频率只有阀控系统的
,因此] 提到了一种电机-泵-阀协调控制的EHA 方案,需同时控制3个功率部件,控制比较复杂,
同时结构复杂性明显加大.为了使作动器能够既兼顾系统效率和频响, 又不会导致系统结构和控制复杂度的大
幅度增加,在典型EHA 系统的基础上,引入了控制阀来参与控制系统流量和压力,通过适当牺牲系统的效率来达
采用DDV的EHA系统组成及原理图如图2所示，此方案为在典型的变转速定排量型EHA系统中引入了 DDV，根据系统工况的不同，其工作模式分为以下3种:
1)泵控+阀处休眠工况. 该模式下, DDV 8 关闭,开关阀9开启,此时的EHA 系统完全等同于典型的变转速定排 量型EHA 系统,因此具有很高的效率. 一般可工作于系统低工况时.