彈載變轉速定量泵高動態(tài)壓力控制特性分析*

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。導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、質量，進而影響了導彈的戰(zhàn)技指標。

定轉速變量泵恒壓控制和變轉速定量泵恒壓控制是普遍被應用的壓力控制方式。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、響應快的特點，但機液反饋只能實現(xiàn)單壓力值設計，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速，電機泵組的功率密度無法進一步提高。變轉速定量泵恒壓控制系統(tǒng)則是通過變轉速電機驅動定排量液壓泵，通過改變電機泵組轉速調節(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)能應用中效果明顯。文獻[10]和文獻[11]表明，變轉速定量泵與變量泵的滿載效率接近，在其他工況下變轉速控制節(jié)能效果明顯。但工業(yè)用變頻電機轉動慣量大、響應慢，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)結構組成

變轉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。

變轉速定量泵壓力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構成如圖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 變轉速定量泵恒壓控制系統(tǒng)構成圖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)壓力控制信號旋轉驅動小排量液壓泵，將低壓側油液吸入、排出到高壓側，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定值時，電機泵組加速旋轉，令控制壓力升高；當負載前端壓力小于設定值時，電機泵組轉速降低或向反方向旋轉，令控制壓力降低。當導彈處于大機動工況時，系統(tǒng)壓力設定值處于高壓態(tài)，保證系統(tǒng)的能源需求；當導彈處于小機動時期，系統(tǒng)壓力設定值處于低壓態(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

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

圖3 變轉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定值時，無刷直流電機液壓泵組調整轉速，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，電機泵組以低轉速旋轉，泵排出的流量僅維持泄漏。

2 數(shù)學模型的建立

對變轉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

在變轉速定量泵壓力控制系統(tǒng)中，無刷直流電機驅動小排量液壓泵吸、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

為轉矩系數(shù)。

伺服電機的動力學平衡方程為

(4)

其中，

J

是包括泵和電機的總慣量；

k

是摩擦轉矩系數(shù)；

T

是負載轉矩。

2.2 液壓泵模型

將液壓泵外泄漏等效為內泄漏，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系為

p

=

(7)

3 AMESim仿真模型

在AMESim中建立基于變轉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，驅動小排量定量泵，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 仿真結果分析

4.1 建壓與回壓特性

當變轉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內電機轉速、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)控制電機泵組轉速、流量快速提升，以維持控制壓力。在0.42 s后，壓力恢復。

由泵源的建壓、回壓過程分析，變轉速定量泵壓力控制系統(tǒng)具有壓力快速響應的特性，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，可調節(jié)系統(tǒng)壓力21MPa—10MPa—21MPa以進行適配。轉速為7000r/min、排量為0.8mL的恒壓變量泵泵源與變轉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

變轉速定量泵壓力控制系統(tǒng)在該過程中的電機轉速變化、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。

(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，對比結果如圖12所示。由對比可知，變轉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 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)負載調節(jié)系統(tǒng)壓力，導致系統(tǒng)總效率偏低的問題，提出采用變轉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)，通過調節(jié)電機泵組轉速控制了系統(tǒng)壓力。首先，根據(jù)系統(tǒng)工作原理分析了變轉速定量泵泵源壓力-流量特性曲線，建立了基于變轉速定量泵壓力控制泵源的閥控電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型，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，得到以下結論：

(1)變轉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的需求。

(2)與恒壓變量泵的總效率進行了對比，對比結果表明變轉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。