張 艷，孫華旺，李興勇，張 南，蔣蘇蘇

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室·上?！?01109；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

目前，由于彈上能源限制，彈載電液伺服系統(tǒng)的動力源多采用熱電池+直流電機+變量泵的恒壓供能方式。液壓能源壓力恒定不變，壓力不可調(diào)。導(dǎo)彈除在爬升段和攻擊段機動較大、對彈上能源需求較高外，在平飛段機動較小、對彈上能源需求較小。平飛段時間跨度較長，造成的能源損失明顯，從而造成其對熱電池需求增大，加大了整個彈上電液伺服系統(tǒng)的體積、質(zhì)量，進而影響了導(dǎo)彈的戰(zhàn)技指標。

定轉(zhuǎn)速變量泵恒壓控制和變轉(zhuǎn)速定量泵恒壓控制是普遍被應(yīng)用的壓力控制方式。恒壓變量泵在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用，其原理是將泵源出口壓力反饋到恒壓控制閥，控制變量活塞位置、調(diào)節(jié)斜盤傾角，從而通過改變液壓泵排量而實現(xiàn)恒壓控制。該壓力控制通過機械、液壓進行反饋控制，具有固有頻率高、響應(yīng)快的特點，但機液反饋只能實現(xiàn)單壓力值設(shè)計，恒壓控制值恒定，而在低負載工況下，其液壓泵泄漏量不變、容積效率降低，同時受限于有刷直流電機轉(zhuǎn)速，電機泵組的功率密度無法進一步提高。變轉(zhuǎn)速定量泵恒壓控制系統(tǒng)則是通過變轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動定排量液壓泵，通過改變電機泵組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出流量，進而實現(xiàn)壓力控制，其在變頻液壓電梯的節(jié)能應(yīng)用中效果明顯。文獻[10]和文獻[11]表明，變轉(zhuǎn)速定量泵與變量泵的滿載效率接近，在其他工況下變轉(zhuǎn)速控制節(jié)能效果明顯。但工業(yè)用變頻電機轉(zhuǎn)動慣量大、響應(yīng)慢，無法滿足減壓、回壓的快速需求，且閥控電液伺服系統(tǒng)由于對油液污染敏感度高，容易造成閥芯卡滯，進而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

針對以上問題，本文提出采用熱電池+無刷直流電機+小排量定量泵+壓力傳感器的變轉(zhuǎn)速定量泵彈載液壓能源供能方式。通過無刷直流電機泵組的變轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)彈上液壓能源系統(tǒng)的高動態(tài)壓力控制，以適配不同的飛行狀態(tài)，優(yōu)化彈上能源利用。同時，相對于普通直流電機和變量柱塞泵，無刷直流電機轉(zhuǎn)速更高、能量密度更高，壽命更長，小排量柱塞泵的體積也更小，因此本方案可以有效地降低伺服系統(tǒng)的體積。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)可以依據(jù)負載工況進行壓力控制，通過與負載進行匹配，進而提高系統(tǒng)效率。

變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)主要由無刷直流電機、小排量液壓泵、壓力傳感器和溢流閥、自增壓油箱等組成。電機泵組是核心控制元件，可根據(jù)控制指令為液壓系統(tǒng)提供液壓能。溢流閥作為安全閥，保護系統(tǒng)不至壓力過高，自增壓油箱為系統(tǒng)補油。

圖1 變轉(zhuǎn)速定量泵恒壓控制系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of constant pressure control system of variable speed fixed pump

1.2 系統(tǒng)原理

變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)的液壓原理圖如圖2所示。無刷直流電機及電機控制器根據(jù)壓力控制信號旋轉(zhuǎn)驅(qū)動小排量液壓泵，將低壓側(cè)油液吸入、排出到高壓側(cè)，為負載提供液壓能。壓力傳感器將負載前端(高壓油口)壓力反饋到控制器。當負載前端壓力小于壓力設(shè)定值時，電機泵組加速旋轉(zhuǎn)，令控制壓力升高；當負載前端壓力小于設(shè)定值時，電機泵組轉(zhuǎn)速降低或向反方向旋轉(zhuǎn)，令控制壓力降低。當導(dǎo)彈處于大機動工況時，系統(tǒng)壓力設(shè)定值處于高壓態(tài)，保證系統(tǒng)的能源需求；當導(dǎo)彈處于小機動時期，系統(tǒng)壓力設(shè)定值處于低壓態(tài)，降低系統(tǒng)壓力有利于降低損失和泄漏量，提高系統(tǒng)效率。

圖2 變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of pressure control system of variable speed quantitative pump

1.3 流量壓力特性曲線

變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)在不同負載下的流量、壓力關(guān)系曲線，即流量-壓力特性曲線，如圖3所示。

圖3 變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)泵源流量-壓力特性曲線Fig.3 Variable speed quantitative pump pressure control system pump source flow-pressure characteristic curve

從圖3分析可知，當輸出壓力為零時，無刷直流電機為最高轉(zhuǎn)速，此時液壓泵排出流量最大。隨著輸出壓力的增大，泄漏量逐漸增大，輸出流量略有減小，特性曲線略向下傾斜。當輸出壓力達到壓力控制設(shè)定值時，無刷直流電機液壓泵組調(diào)整轉(zhuǎn)速，以匹配系統(tǒng)所需流量從最大值到零之間實現(xiàn)變化，壓力基本不變。當無刷直流電機液壓泵組所需扭矩達到電機的最大值時，泵源達到最大輸出壓力，輸出流量同時為最大點處(即為泵源最大輸出功率點)。當最高壓力點的輸出流量為零時，電機泵組以低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，泵排出的流量僅維持泄漏。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

對變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)的各子模塊進行數(shù)學(xué)建模，包括無刷直流電機、液壓泵、壓力容腔、伺服閥、動力元件、氣動負載等。

2.1 電機模型

在變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)中，無刷直流電機驅(qū)動小排量液壓泵吸、排油液，建立壓力。對無刷直流電機進行建模。無刷直流電機的電壓平衡方程為

(1)

其中，

U

是控制電壓；

i

是電樞電流；

E

是電樞的反電動勢；

L

是電樞的電感；

R

是直流電機電樞電路的電阻。其中，反電動勢

E

為

E

=

C

ω

(2)

其中，

C

為反電動勢的系數(shù)；

ω

是電機角速度。

電機的輸出力矩為

T

=

Ci

(3)

其中，

C

為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

伺服電機的動力學(xué)平衡方程為

(4)

其中，

J

是包括泵和電機的總慣量；

k

是摩擦轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

T

是負載轉(zhuǎn)矩。

2.2 液壓泵模型

將液壓泵外泄漏等效為內(nèi)泄漏，泵的流量方程為

Q

=

D

·

ω

-

C

·

p

(5)

其中，

D

為液壓泵排量；

C

是液壓泵的泄漏系數(shù)；

p

是液壓系統(tǒng)的負載壓力。

2.3 容腔模型

負載前端容腔壓力的變化產(chǎn)生流量變化，容腔流量關(guān)系為

(6)

其中，

Q

為負載流量，

V

為容腔體積，

β

為油液彈性模型。

2.4 變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)模型

將上述元件模型進行拉氏變換，整理得到變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)模型的方框圖，如圖4所示。

圖4 變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diagram of pressure control system of variable speed fixed pump

泵源控制壓力與電機電壓之間的關(guān)系為

p

=

(7)

3 AMESim仿真模型

在AMESim中建立基于變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制的電液伺服系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。其工作原理為：壓力控制信號控制無刷直流電機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動小排量定量泵，令伺服閥前端升壓，將壓力傳感器檢測壓力作為反饋信號，從而形成壓力控制閉環(huán)；伺服閥以泵源系統(tǒng)提供的高壓油液控制液壓缸在氣動負載下作動，位置傳感器檢測位置信號，并將其作為反饋形成位置控制閉環(huán)。壓力控制閉環(huán)在大負載工況下為高壓態(tài)，在小負載工況下為低壓態(tài)。

圖5 AMESim仿真模型Fig.5 Simulation model in AMESim

對典型負載下的系統(tǒng)元件進行參數(shù)匹配與仿真分析，主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

4 仿真結(jié)果分析

4.1 建壓與回壓特性

當變轉(zhuǎn)速定量泵輸出壓力為21MPa時，電液位置伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖6所示。此時，電機、泵的參數(shù)變化如圖7所示。

圖6 電液伺服系統(tǒng)位置階躍響應(yīng)Fig.6 Electro-hydraulic servo system position step response

對圖7進行分析可知，系統(tǒng)在初始建壓段時，在0.65 s內(nèi)電機轉(zhuǎn)速、液壓泵流量快速上升，閥前壓力達到了21MPa。之后，電機泵組轉(zhuǎn)速流量下降，泵源排出流量僅可維持系統(tǒng)泄漏。在5 s時，位置控制信號發(fā)生階躍，對泵源流量需求增大，這導(dǎo)致閥前壓力瞬時下降了2.1MPa，同時壓力環(huán)控制電機泵組轉(zhuǎn)速、流量快速提升，以維持控制壓力。在0.42 s后，壓力恢復(fù)。

由泵源的建壓、回壓過程分析，變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)具有壓力快速響應(yīng)的特性，能夠滿足閥控伺服系統(tǒng)對泵源的需求。

4.2 恒壓變量泵與變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)的效率對比

為提高彈載電液伺服系統(tǒng)在低負載工況下的系統(tǒng)效率，通過適當降低系統(tǒng)壓力，可以減少系統(tǒng)泄漏與伺服閥閥口節(jié)流損失。

(a)閥前壓力變化曲線

圖8模擬了導(dǎo)彈在飛行過程中位移/載荷變化情況下的位置指令跟蹤。在高-低-高載荷的變化過程中，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力21MPa—10MPa—21MPa以進行適配。轉(zhuǎn)速為7000r/min、排量為0.8mL的恒壓變量泵泵源與變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制泵源的電液伺服位置跟蹤對比圖如圖8所示。由圖8可知，兩泵源系統(tǒng)最大流量相同，結(jié)果表明基于兩種液壓能源的電液位置伺服系統(tǒng)都可以對位置指令進行有效跟蹤。

圖8 恒壓變量泵與變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)21-10-21MPa泵源壓力的位置跟蹤對比Fig.8 Position tracking comparison of 21-10-21MPa pump source pressure between constant pressure variable pump and variable speed quantitative pump pressure control system

變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)在該過程中的電機轉(zhuǎn)速變化、與恒壓變量泵系統(tǒng)的壓力對比曲線如圖9所示。由對圖9的分析可知，在建壓過程中，電機轉(zhuǎn)速快速拉升，提高了系統(tǒng)壓力。在降壓過程中，電機泵組反向旋轉(zhuǎn)。

(a)壓力曲線

根據(jù)電液伺服系統(tǒng)原理，系統(tǒng)壓力主要用來克服氣動負載和作為節(jié)流損失消耗在閥口。而在小負載工況下，系統(tǒng)壓力大部分損失在閥口，系統(tǒng)效率偏低，因此適當降低系統(tǒng)壓力，可以降低節(jié)流損失的占比，提高系統(tǒng)效率。圖10為小負載工況下不同系統(tǒng)壓力下總系統(tǒng)的瞬時效率對比(瞬時效率=液壓缸瞬時輸出功率/電機瞬時輸入功率)。由圖10可知，隨著系統(tǒng)壓力的下降，效率逐漸提高，10MPa、12MPa、14MPa、16MPa下的最高瞬時效率分別為21MPa時最高瞬時效率的3.39倍、2.60倍、2.07倍、1.71倍。

圖10 小負載工況下不同系統(tǒng)壓力瞬時效率對比Fig.10 Comparison of instantaneous efficiency of different system pressures under small load conditions

將21MPa—10MPa—21MPa、21MPa—12MPa—21MPa、21MPa—14MPa—21MPa、21MPa—16MPa—21MPa不同系統(tǒng)壓力負載匹配情況與恒壓變量泵泵源的系統(tǒng)平均效率進行對比所得的對比結(jié)果如圖11所示(平均效率=液壓缸平均輸出功率/電機平均輸入功率)。

圖11 變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)在不同系統(tǒng)壓力匹配情況下的平均效率對比Fig.11 Comparison of the average efficiency of the variable speed quantitative pump pressure control system under different system pressure matching conditions

由圖11可知，在前5 s大負載工況下，變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)由于避免了恒壓泵變量控制機構(gòu)的泄漏效率更高，在5s～45 s小負載工況下，由于系統(tǒng)壓力的降低，平均效率取得了顯著提高。變轉(zhuǎn)速壓力控制泵源總效率依次為恒壓變量泵的1.65倍、1.56倍、1.47倍、1.31倍(總效率即50s處平均效率)。

統(tǒng)計不同小負載匹配壓力下的系統(tǒng)總效率與21MPa恒壓變量泵泵源總效率的對比，對比結(jié)果如圖12所示。由對比可知，變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)總效率，并且隨著小負載匹配壓力的下降，效率逐步提升。

圖12 不同小負載匹配壓力下的總效率Fig.12 Total efficiency under different small load matching pressure

5 結(jié) 論

本文針對彈載電液伺服系統(tǒng)液壓能源在爬升-平飛-攻擊的飛行過程中不能依據(jù)負載調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致系統(tǒng)總效率偏低的問題，提出采用變轉(zhuǎn)速定量泵的壓力控制系統(tǒng)，使無刷直流電機、小排量液壓泵與壓力傳感器形成壓力閉環(huán)，通過調(diào)節(jié)電機泵組轉(zhuǎn)速控制了系統(tǒng)壓力。首先，根據(jù)系統(tǒng)工作原理分析了變轉(zhuǎn)速定量泵泵源壓力-流量特性曲線，建立了基于變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制泵源的閥控電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搭建了電液伺服仿真模型，針對典型負載工況的系統(tǒng)特性進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)在建壓、回壓時，具有速度快、動態(tài)高的特性，能夠滿足閥控位置系統(tǒng)對液壓能源的快速響應(yīng)的需求。

(2)與恒壓變量泵的總效率進行了對比，對比結(jié)果表明變轉(zhuǎn)速定量泵壓力控制系統(tǒng)通過降低小負載工況下的系統(tǒng)壓力，可以有效降低系統(tǒng)泄漏量與閥口節(jié)流損失，有效地提高了系統(tǒng)總效率。