MWORKS.Sysplorer在机电静压伺服机构方案设计阶段的应用

机电静压伺服机构（EHA）结合了机电伺服机构（EMA）和液压伺服机构（EH）的优点，作为一种高效率、高可靠性的执行机构，近年来受到多个领域的广泛重视，尤以航空领域最为重视，是多电/全电飞机舵面控制的优选方案。机电静压伺服机构（EHA）目前已使用在空客A380客机、F-35战斗机等国外主流机型。在航天领域的使用尚处在初步阶段，国内外尚无应用机电静压伺服机构（EHA）成功发射型号案例。

针对未来航天发动机大推力的发展方向，伺服机构需满足高集成、高功率密度比和高可靠性的需求，机电静压伺服机构（EHA）是较为理想的满足需求的伺服机构。因此，开发设计机电静压伺服机构（EHA），符合当前以及未来航天领域对大功率伺服机构的发展要求。

本文假定一个大功率伺服机构需求，基于需求，展开设计，演示了如何利用MWORKS.Sysplorer进行建模与仿真分析，为下一步整机工程化奠定基础。

2.1 技术参数引入

假定一个大功率伺服机构设计的实际需求，整理如下技术要求，如表1伺服机构技术要求整理。

表1 伺服机构技术要求整理

项目	数值	单位	备注
负载力/Fn	83000	N	_
速度/Vn	0.35	m/s	_
频率特性	40	rad/s	≥-87°[-2.5,0]dB
行程/L	86	mm	_

2.2 原理设计

机电静压伺服机构（EHA）本质是一种变转速定排量泵控伺服系统，使用伺服电机直驱定量泵控制流量，最终实现压力、速度和位置等控制。其特点是效率高、发热量小，可以有效降低电机功率；缺点是频响较低，难以满足航天伺服机构的频宽需求。某知名伺服机构厂商所研制的针对航天领域应用的40kW级四余度机电静压伺服机构原理性样机-90°频宽仅为37.7rad/s（6HZ），尚不满足上文所描述的对频率特性的要求。因此，原理设计方面，需尽量减少影响系统频响的环节，所设计液压原理如图1机电静压伺服机构（EHA）液压原理图。

图1 机电静压伺服机构（EHA）液压原理图

相对于常规机电静压伺服机构（EHA），其特点是：

（1）取消液压系统设计中经常出现的泵出口单向阀；

（2）选用对称缸，使控制更加简单；

（3）使用增压油箱，为系统补油。

2.3 作动器有效面积及活塞计算

（1.1）

$A=\frac{F_n(1+\varepsilon_m\%)}{P_{LR}}(m^2)$

其中， $F_n$ 为额定最大负载，根据表1伺服机构技术要求整理可知， $F_n=83716.6N$ ； $\varepsilon _m\%$ 为作动器自身因活塞摩擦造成的负载力矩占额定力矩的百分数，取3%； $P_{LR}$ 为EHA在额定负载下的系统压差值，因EHA取消伺服阀，且采用集成化结构设计因此可不考虑压力损失，取系统压力35MPa。

将上述参数代入式1.1，可得A=0.00246 。

作动器采用双作用对称液压缸，取活塞杆的直径为d=50mm，根据公式 $A=\frac{\pi(D^2-d^2)}{4}(m^2)$ ，得出活塞直径D=0.0750788m，圆整后取活塞直径为76mm。

2.4 油泵最大流量计算

（1.2）

$Q_m=AV_n$

由表1可知， $V_n=0.356m/s$ ， $Q_m=0.0025×0.356=54.89L/min$ ，考虑到系统的泄漏和油泵的容积效率，油泵流量Q=57.78L/min，设油泵排量为4.5ml/r，则最大转速r=13000rpm。

2.5 电机功率计算

（1.3）

因所选取使用的电机为伺服电机，可根据扭矩覆盖原则选用电机，则有

（1.4）

式中，0.85为泵的机械效率。

（1.5）

3.1 模型架构

机电静压伺服机构（EHA）系统的控制框图，如图2.1系统控制框图所示：

图2.1 系统控制框图

3.2 模型实现

采用MWORKS.Sysplorer，进行建模与仿真。MWORKS.Sysplorer为基于Modelica的多领域统一建模平台，能够实现EHA所涉及的机、电、液、控等多领域统一建模与仿真，并具备丰富的相对应的多专业模型库。

基于MWORKS.Sysplorer中的TYHydraulics V2.1.0（液压组件库），以及Modelica标准库中的Block等模块，参考EHA系统原理图和控制框图，通过调用相关模型，搭建系统模型如图2.2系统仿真模型所示。

仿真模型主要由信号源、PD控制器、电机转速、电机动态、油泵、液压缸、负载和增压油箱等部分组成。

图2.2 系统仿真模型

3.3 参数拟定与仿真分析

仿真的作用主要是对前文章节中的计算参数进行验证，以及对某些尚不确定的参数进行分析与计算。如表2参数整理与统计所示：

表2 参数整理与统计

名称	单位	数值	备注
频率信号	°	0.6sin(40t)	技术输入
电机机械时间常数	s	待定	需验证
电机速度范围	rpm	500-13000	拟定，需验证
油泵排量	cc	4.5	拟定，需验证
油泵容积效率	_	待定	需验证
油泵机械效率	_	0.85	_
液压缸活塞直径	mm	73	_
液压缸活塞杆直径	mm	50	_
液压缸行程	mm	172	_
电机功率	kW	40.1	拟定，需验证
电机扭矩	N.m	29.46	拟定，需验证

表2中，电机机械时间常数、油泵容积效率直接影响最终的系统效果，而普通计算不易得出准确的数值，需要对其进行仿真验算；电机功率和电机扭矩是根据输入文件匹配计算参数，需进行仿真验证是否存在功率过载或扭矩过载的情况。

（1）设电机机械时间常数为0.02s，泵效率为95%，外负载为83716.6N的弹性负载，输入信号为 0.6sin(40t)，仿真周期为10s，查看结果，如图2.3 仿真结果01。

图2.3 仿真结果01

仿真结果显示，幅值衰减明显，相位滞后计算结果为：，尚不能满足技术输入要求频率为40rad/s时的要求，相位滞后≧-87°的要求。

（2）设电机机械时间常数为0.015s，泵容积效率为95%，外负载为83716.6N的弹性负载，输入信号为 0.6sin(40t)，仿真周期为10s，查看结果，如图2.4 仿真结果02。

图2.4 仿真结果02

仿真结果显示，幅值衰减明显，相位滞后计算结果为： $\phi =-\frac{0.04037\times 40\times 180}{\pi } =-92.52^{\circ}$ ，可以满足技术输入要求频率为40rad/s时的要求，相位滞后≧-87°的要求。

因此，根据上述仿真结果可得出：在下一阶段的设计过程中，电机的点击机械时间常数选取应不大于0.015s，泵的容积效率不小于95%。

设电机机械时间常数为0.015s，泵效率为95%，外负载为83716.6N的恒定负载，输入信号为 0.6sin(40t)，仿真周期为20s，核验前文1.5中所进行的电机参数匹配是否符合要求，查看仿真结果，如图2.5 仿真结果03。

图2.5 仿真结果03

仿真结果显示，在整个过程电机的输出扭矩最大值为25.67N.m，输出功率最大值为34.3kW，低于前文1.5中的电机扭矩以及电机功率的计算匹配，证明所匹配参数合理，符合要求。

根据设计计算匹配和仿真分析验证，初步得出电机和泵需满足的基本技术要求，即电机额定转速为500-13000rpm，额定输出扭矩29.46N.m，额定输出功率40.1kW，电机机械时间常数≦0.015s；泵的额定转速为500-13000rpm，排量4.5cc/r，额定工作压力35MPa，容积效率 ≧95%。