陳克勤，趙守軍，劉會(huì)祥，趙迎鑫，張 朋

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

電靜壓伺服機(jī)構(gòu)（Electro-Hydrostatic Actuators，EHA）是近年來(lái)多電/全電載人飛機(jī)主控舵面伺服作動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)選方案[1]，已成功應(yīng)用于美國(guó) F35戰(zhàn)斗機(jī)、歐洲A380客機(jī)和A400M軍用運(yùn)輸機(jī)[2]。EHA兼有機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)（Electro-Mechanical Actuators，EMA）節(jié)能、使用維護(hù)方便和傳統(tǒng)電液伺服機(jī)構(gòu)力氣大、易冗余等優(yōu)點(diǎn)，取消了傳統(tǒng)電液伺服機(jī)構(gòu)的高精密伺服閥，消除了堵塞故障模式，同時(shí)也沒(méi)有EMA的絲杠類機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死的故障模式，可靠性和安全性更高，是未來(lái)執(zhí)行重大任務(wù)的高可靠運(yùn)載火箭推力矢量控制優(yōu)選技術(shù)方案[3]。

新型運(yùn)載火箭多采用大推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，伺服機(jī)構(gòu)功率較大，高達(dá)數(shù)十千瓦。中國(guó)未來(lái)新型運(yùn)載火箭更是如此，發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力高達(dá)2000 kN以上，顯著高于現(xiàn)在最大的1200 kN，預(yù)估伺服機(jī)構(gòu)功率高達(dá)40 kW，如果仍采用目前的自帶液壓能源的電液伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)方案，質(zhì)量將會(huì)顯著高于現(xiàn)在最大的100 kg，可能高達(dá)150 kg，上箭安裝將非常困難，使用維護(hù)性能較差。電靜壓伺服機(jī)構(gòu)采用電力能源，效率顯著提高，具有輕質(zhì)化的優(yōu)勢(shì)。

但傳統(tǒng)上認(rèn)為EHA本質(zhì)上是一個(gè)泵控系統(tǒng)，頻率特性不如閥控伺服[4,5]，很難滿足運(yùn)載火箭要求。液體發(fā)動(dòng)機(jī)不僅慣量大，且結(jié)構(gòu)阻尼比低，諧振傾向嚴(yán)重，通常以-45°相頻帶寬作為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，一般要求不小于20 rad/s，這對(duì)于EHA也是很大的挑戰(zhàn)。美國(guó)Moog公司針對(duì)未來(lái)載人航天推力矢量控制需求研制了四余度EHA樣機(jī)，但其公布的動(dòng)態(tài)指標(biāo)未達(dá)到此要求，并且質(zhì)量顯著大于電液伺服方案[6,7]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，雖然通過(guò)采用非線性PID控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等，系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能雖有所提高[8]，但離要求還有明顯差距。

高動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。近十年來(lái),功率電子、伺服電機(jī)和柱塞泵等技術(shù)取得巨大進(jìn)步，為EHA技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]開(kāi)展了高度集成一體化的EHA技術(shù)研究，研制了兩輪20 kW級(jí)別原理性樣機(jī)，提出了一體化伺服電機(jī)泵和整體化EHA設(shè)計(jì)方案，第1輪樣機(jī)在1000 kg·m2的大慣量負(fù)載下-45°相頻寬達(dá)到18.5 rad/s[9]，第2輪樣機(jī)采用了融合非線性PID、陷波器和前饋的控制算法，提高至25 rad/s[10]，達(dá)到了同等電液伺服的動(dòng)態(tài)技術(shù)水平，突破了大功率高動(dòng)態(tài)EHA設(shè)計(jì)技術(shù)，達(dá)到了運(yùn)載火箭基本使用要求，但功率水平和比功率離中國(guó)新型運(yùn)載火箭的要求還有很大差距。

本文介紹了研制的40 kW級(jí)大功率雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)原理性樣機(jī)，為后續(xù)三或四余度樣機(jī)探索了創(chuàng)新技術(shù)途徑。建立了伺服系統(tǒng)控制模型，進(jìn)行了理論仿真分析，研制了工程樣機(jī)，開(kāi)展了大慣性負(fù)載條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性和功重比，為進(jìn)一步深入研究掃清了障礙。

1 技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)方案

雙余度EHA系統(tǒng)工作原理如圖1所示，集成一體化結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作原理Fig.1 The Simрlified Schematic of the Duрlex EHA System

圖2 雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)集成一體化結(jié)構(gòu)Fig.2 The Integrated Structure of the Duрlex EHA

表1 雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The Main Design Parameters of the Duрlex EHA

伺服電機(jī)泵是核心部件，將伺服電機(jī)和雙向定量柱塞泵緊密集成在一起，將電能直接轉(zhuǎn)化成可控液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)器。伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)位置、轉(zhuǎn)速、電流等反饋信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)泵轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)作動(dòng)器的高動(dòng)態(tài)精確位置控制。

EHA采用高集成一體化的模塊化設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)布局充分繼承中國(guó)運(yùn)載火箭伺服機(jī)構(gòu)整體化自足式設(shè)計(jì)傳統(tǒng)。整體采用同軸串聯(lián)布局，殼體模塊作為主要結(jié)構(gòu)部件，實(shí)現(xiàn)液壓作動(dòng)器、伺服電機(jī)泵和增壓油箱的緊密集成，同時(shí)內(nèi)部集成了雙向油濾、高壓安全閥、低壓安全活門、單向閥、旁通閥、壓力傳感器、溫度傳感器等小型化元件。設(shè)計(jì)兩個(gè)增壓油箱模塊位于殼體中心軸左右兩側(cè)，兩個(gè)伺服電機(jī)泵模塊位于殼體中心軸上側(cè)，左右對(duì)稱，可進(jìn)一步擴(kuò)展為三至四余度設(shè)計(jì)。兩個(gè)伺服電機(jī)泵模塊流量綜合實(shí)現(xiàn)最大功率輸出能力，同時(shí)具備一度故障容錯(cuò)能力。上、下支耳實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械連接。

增壓油箱采用波紋管加活塞的內(nèi)氣、外液增壓結(jié)構(gòu)，也相當(dāng)于一個(gè)低壓蓄能器，用于防止空氣滲入和產(chǎn)生氣穴，具有長(zhǎng)期免維護(hù)的能力。

雙向油濾用于保證工作介質(zhì)清潔，可滿足油液雙向流動(dòng)需求，避免污染物在油液雙向流動(dòng)情況下被沖出。高壓安全閥、低壓安全活門用于設(shè)置系統(tǒng)高壓油路、低壓油路最高工作壓力，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)，保證可靠工作。單向閥用于防止流體反向流動(dòng)。旁通閥用于滿足機(jī)械零位調(diào)整需求。壓力傳感器、溫度傳感器和位移傳感器分別用于壓力、溫度和位移等關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量。

樣機(jī)實(shí)測(cè)質(zhì)量為65 kg，如同時(shí)考慮伺服控制驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力電源質(zhì)量，分配到一臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量也不大于100 kg，小于目前用于中國(guó)120 t液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的20 kW傳統(tǒng)閥控電液伺服機(jī)構(gòu)的105 kg[11]和歐洲織女星運(yùn)載火箭一級(jí)的30 kW級(jí)EMA的120 kg[12]。如果將來(lái)采用四余度設(shè)計(jì)，單臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)也不會(huì)超過(guò)90 kg，可以方便裝箭。高度集成一體化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為高動(dòng)態(tài)性能實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。此外，相比傳統(tǒng)電液伺服機(jī)構(gòu)，由于取消了復(fù)雜的伺服閥和變量柱塞泵等產(chǎn)品，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用維護(hù)性更優(yōu)。

1.2 伺服電機(jī)泵

伺服電機(jī)泵將永磁同步電機(jī)與液壓柱塞泵的轉(zhuǎn)子柱塞組件同軸串聯(lián)布局設(shè)計(jì)，取消柱塞泵的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封、復(fù)雜外形殼體等，是最簡(jiǎn)單、可靠、高效的技術(shù)解決方案。緊湊化設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的前提[13]。

共軸設(shè)計(jì)消除中間任何可能降低剛度或引入非線性的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，同時(shí)盡可能減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。伺服電機(jī)浸油設(shè)計(jì)，取消液壓柱塞泵旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封和接管嘴、外部管路，形成一個(gè)完全獨(dú)立封閉的液壓能源系統(tǒng)，消除外泄漏通道，相比傳動(dòng)電液伺服機(jī)構(gòu)是一個(gè)革命性變化，因而具有優(yōu)良的使用維護(hù)性，同時(shí)可充分繼承現(xiàn)有成熟產(chǎn)品研制成果，其生產(chǎn)制造能力、工作壽命等均能滿足航天應(yīng)用需求。

高速設(shè)計(jì)是高功率密度、高動(dòng)態(tài)和緊湊結(jié)構(gòu)的必然要求，與前兩輪樣機(jī)采用的產(chǎn)品相比[9,10]，最高轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min提高至10000 r/min，長(zhǎng)度由380 mm減小至260 mm，直徑由115 mm減小至100 mm，功率更大，但質(zhì)量由20 kg降至11 kg。高性能伺服電機(jī)泵的成功研制為大功率 EHA高動(dòng)態(tài)和輕質(zhì)化的實(shí)現(xiàn)提供了保障。20 kW伺服電機(jī)泵實(shí)物如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)泵Fig.3 The Photo of Servo-Motor-Pumр

2 數(shù)學(xué)模型和控制策略

對(duì)控制器、伺服電機(jī)、液壓柱塞泵、伺服作動(dòng)器和負(fù)載等環(huán)節(jié)建模。其中伺服電機(jī)速度閉環(huán)近似等效為一個(gè)二階環(huán)節(jié)，柱塞泵和伺服作動(dòng)器器內(nèi)泄漏系數(shù)等效為CL，慣性負(fù)載簡(jiǎn)化為單質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，伺服作動(dòng)器等效質(zhì)量遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，予以忽略[10]。

以拉普拉斯方程形式給出數(shù)學(xué)模型，位置誤差的比例放大輸出具體如下：

式中Vn為位置誤差的比例放大輸出；Kр為誤差放大系數(shù)；XC為輸入控制指令；XP為輸出位移。

位置控制回路開(kāi)環(huán)增益為

式中Ko為位置控制回路開(kāi)環(huán)增益；Kv為等效電機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞系數(shù)；Kx為位移反饋系數(shù)；Dр為液壓柱塞泵排量；A為伺服作動(dòng)器活塞有效面積。

伺服電機(jī)泵速度控制回路數(shù)學(xué)模型為

式中Gm，m?，mξ分別為伺服電機(jī)速度閉環(huán)等效二階環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、自然頻率和阻尼比。

式中n為伺服電機(jī)泵轉(zhuǎn)速。

柱塞泵高壓腔流量連續(xù)性方程為

式中QL為伺服電機(jī)泵輸出流量；CL為內(nèi)泄漏系數(shù)；PL為兩腔負(fù)載壓差。

進(jìn)入伺服作動(dòng)器高壓腔流量連續(xù)性方程為

式中Vt為伺服電機(jī)泵控制油口到伺服作動(dòng)器兩腔油路和作動(dòng)器兩腔總控制容積；β為油液有效體積彈性模量。

伺服作動(dòng)器力平衡方程為

式中Kr為等效支撐剛度；XL為負(fù)載位移。

負(fù)載力平衡方程為

式中ML為等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量；BL為負(fù)載粘性阻尼；FL為作用在負(fù)載上的外力。

負(fù)載的等效質(zhì)量轉(zhuǎn)換為

式中J為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R為伺服機(jī)構(gòu)搖擺負(fù)載的作用力臂。

負(fù)載結(jié)構(gòu)諧振頻率和等效阻尼比為

液壓固有頻率為

伺服機(jī)構(gòu)與負(fù)載綜合液壓諧振頻率和阻尼比為

式中r?，rξ分別為負(fù)載結(jié)構(gòu)諧振頻率和等效阻尼比；為液壓固有頻率；c?，cξ分別為伺服機(jī)構(gòu)與負(fù)載綜合液壓諧振頻率和阻尼比。

采用基于“非線性PD+陷波+前饋”控制策略[14]，通過(guò)非線性PD解決因摩擦、泄漏等帶來(lái)的高度非線性問(wèn)題，通過(guò)陷波濾波器抑制負(fù)載諧振，通過(guò)前饋補(bǔ)償提高跟蹤精度，進(jìn)而提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能?？刂扑惴〝?shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中Kр(e)為系統(tǒng)偏差e（t）的指數(shù)函數(shù)；a，b，c為正常數(shù)；F(s)為降階處理得到的簡(jiǎn)化前饋函數(shù)；Kq為前饋系數(shù)。

3 仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真模型和控制參數(shù)

綜合各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型及帶載條件伺服作動(dòng)器控制模型[15]，建立EHA控制回路帶載聯(lián)合仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 電靜壓伺服系統(tǒng)帶載仿真模型Fig.4 The Simulation Model of the Loaded EHA System

采用 TMS320F2812高性能處理器進(jìn)行位置閉環(huán)控制和控制算法實(shí)現(xiàn)，采用Вonfiglioli ACT401驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行伺服電機(jī)速度和電流閉環(huán)控制。在大慣性模擬負(fù)載臺(tái)上進(jìn)行帶載性能試驗(yàn)，如圖5所示，主要控制參數(shù)如表2所示。

圖5 電靜壓伺服機(jī)構(gòu)在大慣性模擬負(fù)載臺(tái)上Fig.5 The EHA in a Large Inertial Load Simulator

表2 控制算法主要參數(shù)Tab.2 The Main Control Parameters

3.2 正弦響應(yīng)

輸入幅值為6°、頻率為0.05 Hz的正弦信號(hào)，帶載仿真和實(shí)測(cè)擺角曲線見(jiàn)圖6，系統(tǒng)最大跟蹤誤差小于0.1°，線性度優(yōu)于1%，達(dá)到現(xiàn)有運(yùn)載火箭指標(biāo)要求。

圖6 位置特性曲線Fig.6 The Position Characteristic Curves

3.3 階躍響應(yīng)

輸入幅值6.4°（80%最大擺角）的階躍信號(hào)，帶載仿真和實(shí)測(cè)擺角曲線如圖7所示。圖7a中，最大速度達(dá)到22.5 (°)/s，滿足運(yùn)載火箭一般20 (°)/s的要求。其中，一路故障下單臺(tái)伺服電機(jī)泵工作時(shí)，由于輸出流量能力減半，最大速度下降約 50%，但仍可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，表明系統(tǒng)具備一度故障容錯(cuò)能力。圖7b中，伺服電機(jī)泵達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)間約0.11 s，最大電流達(dá)到時(shí)間約0.06 s，表明伺服電機(jī)泵具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

如果采用四余度設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)兩度故障下的容錯(cuò)能力，階躍特性仿真曲線如圖8所示，在一路、兩路伺服電機(jī)泵故障的情況下仍可以保證性能，三路故障下仍具備系統(tǒng)閉環(huán)控制能力。

圖7 階躍特性曲線Fig.7 The Steр Resрonse Curves

續(xù)圖7

圖8 四余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)階躍特性仿真曲線Fig.8 The Simulated Steр Resрonse Curves of the Quadruрlex EHA

3.4 頻率特性

采用幅值0.1～0.4°、頻率1～150 rad/s的正弦信號(hào)進(jìn)行帶載頻率特性試驗(yàn)，幅頻和相頻響應(yīng)曲線如圖9所示，-45°相頻寬如表3所示。不同信號(hào)幅值下頻率特性響應(yīng)低頻段一致性較好，但高頻段差異明顯，是受伺服電機(jī)泵的流量能力限制所致。參考階躍特性數(shù)據(jù)，兩個(gè)伺服電機(jī)泵工作最大速度能力如取20 (°)/s，可以滿足輸入幅值0.2°、頻率100 rad/s的掃頻需求，如果幅值增大到0.4°，則頻率須下降至50 rad/s，因此，在幅值曲線圖中，隨著掃頻幅值的增大，幅值開(kāi)始衰減的頻率點(diǎn)也顯著提前。相位曲線圖則表現(xiàn)更明顯，大幅值時(shí)由于超過(guò)了伺服電機(jī)泵的流量能力，高頻相位顯著衰減。但總體上，可以明顯看出系統(tǒng)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，-45°相頻寬達(dá)到25.8 rad/s，可以滿足運(yùn)載火箭一般20 rad/s的一階相頻寬度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，如果按運(yùn)載火箭通常 5%～10%最大擺角動(dòng)態(tài)特性測(cè)試幅值的要求，即0.4～0.8°（對(duì)應(yīng)8°最大擺角），雙余度樣機(jī)的能力還是不夠，需要更大功率規(guī)格或者并聯(lián)更多的伺服電機(jī)泵。比較而言，多伺服電機(jī)泵并聯(lián)是優(yōu)選方案，因?yàn)榭梢曰乇芨蠊β仕欧姍C(jī)或液壓泵元件工程研制難題和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，也可實(shí)現(xiàn)更高的故障容錯(cuò)能力，而質(zhì)量也只是稍有增加。因此，對(duì)于未來(lái)高可靠運(yùn)載火箭，多余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)是可行方案。

圖9 頻率特性曲線Fig.9 The Frequency Resрonse Curves

表3 -45°相頻寬Tab.3 The Frequency Вandwidth at -45° Phase

4 結(jié) 論

本文研制了一種雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)，采用高集成一體化的模塊化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了整體化自足式設(shè)計(jì)。雙伺服電機(jī)泵并聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，單伺服電機(jī)泵工作時(shí)可滿足基本搖擺功能需求，具備一度故障容錯(cuò)能力，峰值功率可達(dá)40 kW，一階相頻可達(dá)25.8 rad/s，質(zhì)量?jī)H65 kg，完全消除了原有液壓伺服機(jī)構(gòu)外漏油液通道，具有良好的使用維護(hù)性能。理論分析和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了多余度大功率電靜壓伺服機(jī)構(gòu)方案的技術(shù)可行性。