專利名稱:一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法
技術領域:
本發(fā)明屬于復雜產品多學科設計與仿真領域,具體涉及一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法。
背景技術:
液壓作動系統(tǒng)在現(xiàn)代飛機上被廣泛采用,諸如舵機、助力器、變臂器、人感系統(tǒng)。發(fā)動機與電源系統(tǒng)的恒速與恒頻調節(jié)以及火力系統(tǒng)中的雷達與炮塔的跟蹤控制等大都采用了液壓作動系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的液壓作動系統(tǒng)具有總重量偏大,受攻擊面積大,能量效率不高, 可靠性和維護性低等缺點。隨著材料技術、電機技術、電力控制技術以及先進制造技術的進步,采用功率電傳(PBW,power by wire)的作動系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的液壓作動系統(tǒng)。功率電傳(PBW)作動系統(tǒng)不需要中央液壓系統(tǒng)和遍布機身的液壓管路,因而提高了作動系統(tǒng)的可靠性,可維護性。電動靜液作動系統(tǒng)(EHA,Electro-Hydrostatic Actuator)作為功率電傳作動系統(tǒng)中的一種,具有轉矩輸出大,功率密度高,易于實現(xiàn)模塊化等優(yōu)點,在近些年中得到迅速發(fā)展。如圖la,典型的電動靜液作動系統(tǒng)由以下部分構成直流無刷電機控制器11、直流無刷電機驅動器12、直流無刷電機2、高速雙向定量柱塞泵3、蓄能器4、一對單向閥5、旁通閥 6、一對安全閥7、雙作用對稱液壓缸8。電動靜液作動系統(tǒng)的工作原理是通過直流無刷電機控制器11和直流無刷電機驅動器12調節(jié)直流無刷電機2的轉速帶動高速雙向定量柱塞泵 3的旋轉,從而改變液壓系統(tǒng)油液流速使雙作用對稱液壓缸8兩側油路產生壓力差,從而推動雙作用對稱液壓缸8的運動。由單向閥5和蓄能器4組成的補油回路用來為系統(tǒng)補油,使得系統(tǒng)的壓力不低于回路中蓄能器4的壓力,防止油液中產生氣隙現(xiàn)象。旁通閥6在系統(tǒng)出現(xiàn)異常的時候打開,斷開雙作用對稱液壓缸8兩腔同高速雙向定量柱塞泵3的連接。安全閥7用來防止系統(tǒng)內部產生過高的壓力。液壓管路9作為連接件,將雙作用對稱液壓缸 8、單向閥5、蓄能器4、旁通閥6以及高速雙向定量柱塞泵3連接到一起。為了便于對事物進行深入的分析和研究,有必要對該事物進行建模分析。得到事物的模型,就能夠從事物運行的機理層面上運用數(shù)學的手法對其進行進一步的研究。同理, 對電動靜液系統(tǒng)的進一步研究也需要以其模型的搭建為基礎。從電動靜液作動系統(tǒng)結構中可以看出,電動靜液作動系統(tǒng)是一個復雜的機電液伺服控制系統(tǒng),由液壓、機械、電氣、控制等多學科構成,涉及學科復雜,學科間耦合嚴重,因此對其建模存在困難。目前較常用的針對電動靜液作動系統(tǒng)的建模方法可分為兩類,一種是使用數(shù)學手段,建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù), 這種建模方法在建模過程中使用了簡化和線性化的手段,得到的模型與實際系統(tǒng)有一定的差距;另一種建模方法是使用單一的建模仿真軟件,但單一的建模仿真軟件通常是針對某種學科而設計,但電動靜液作動系統(tǒng)是一個機電液綜合的控制系統(tǒng),是一個多學科的綜合體,使用針對單一學科或某幾個學科的建模仿真軟件對其進行建模時,往往在體現(xiàn)某單一學科特點的同時,忽視了其他學科。此外,直流無刷電機部分是電動靜液作動系統(tǒng)中重要的控制環(huán)節(jié),電動靜液作動系統(tǒng)的性能水平由該環(huán)節(jié)制約。在以往的建模過程中,往往將直流無刷電機部分使用通用的電機模型處理,但直流無刷電機同其他電機相比,有其自身的特點,在采用通用的電機模型在建立過程中,忽略了這些特點,因此會使得所建立的電動靜液作動系統(tǒng)整體模型同實際系統(tǒng)相比,產生偏差,造成建模的不準確。因此,能否建立完整精確的,同時又具有直觀簡單特點的電動靜液作動系統(tǒng)模型成為電動靜液作動系統(tǒng)研究發(fā)展的一個關鍵突破點。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服使用傳統(tǒng)建模方法對電動靜液作動系統(tǒng)進行建模時存在的缺陷,提供了一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法。一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,包括以下步驟步驟一、將電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分按照學科特性進行劃分歸為四類電氣子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng);其中,電氣子系統(tǒng)包括直流無刷電機驅動器、直流無刷電機;液壓子系統(tǒng)包括高速雙向定量泵、單向閥、旁通閥、安全閥、液壓管路、蓄能器以及雙作用對稱液壓缸;控制子系統(tǒng)包括直流無刷電機控制器及其使用的控制算法;機械子系統(tǒng)包括雙作用對稱液壓缸受到的外力;步驟二、將步驟一中劃分的四類根據(jù)相互的耦合強弱程度歸為兩大類第一類為電氣控制類,包括電氣子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng);第二類為液壓機械類,包括液壓子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng);步驟三、在建模軟件MATLAB軟件中建立電氣控制類模型,針對電氣子系統(tǒng)中的直流無刷電機及其驅動器在MATLAB中建立其精確模型;步驟四、在建模軟件AMESim軟件中建立液壓機械類模型步驟五、創(chuàng)建兩大類模型之間的接口模塊,完成電動靜液作動系統(tǒng)模型的搭建;首先在AMESim中建立用于兩大類模型聯(lián)合和協(xié)同的接口模塊,然后建立該接口模塊同AMESim中建立的液壓子系統(tǒng)模型的連接,經過AMESim軟件編譯,在MATLAB軟件的 Simulink工具中以S函數(shù)的形式調用該接口模塊,建立該S函數(shù)同MATLAB中建立的子系統(tǒng)模型的連接。所述的接口模塊,它的輸入為直流無刷電動機的轉速和旁通閥的控制信號,輸出為雙作用對稱液壓缸兩腔壓力以及液壓缸作用端的位移。本發(fā)明/實用新型的優(yōu)點與積極效果在于(1)將電動靜液作動系統(tǒng)按各組成部分的學科特點及相互之間的耦合關系分為兩大類,并根據(jù)兩大類各自的特點,分別選用MATLAB和AMESim軟件搭建各自的模型,充分發(fā)揮兩個軟件在各自擅長領域內的建模優(yōu)勢,避免了繁雜的數(shù)學推導,簡化了模型建立的過程。(2)針對電動靜液作動系統(tǒng)中直流無刷電機及其驅動器,建立了其精確模型,該模型可以充分反映直流無刷電機及直流無刷電機驅動器在運行中的特點,使得基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法建立的模型與使用傳統(tǒng)建模方法建立的模型相比,更加準確, 更加符合實際系統(tǒng)的情況。
圖Ia是典型的電動靜液作動系統(tǒng)的結構示意圖;圖1是本發(fā)明的基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法整體流程圖;圖2是本發(fā)明實施例電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分間信號流及按學科特性分類示意圖;圖3是本發(fā)明實施例搭建的電氣子系統(tǒng)中直流無刷電機的霍爾傳感器信號處理部分模型示意圖;圖4是本發(fā)明實施例搭建的電氣子系統(tǒng)中直流無刷電機電子換相部分模型示意圖;圖5是本發(fā)明實施例搭建的電氣子系統(tǒng)中除電子換相外其他部分模型示意圖;圖6是本發(fā)明實施例中在MATLAB中搭建的電氣控制類的模型示意圖;圖7是本發(fā)明實施例中在AMESim中搭建的液壓機械類的模型示意圖;圖8a是本發(fā)明實施例在AMESim中搭建的接口模塊的示意圖;圖8b是本發(fā)明實施例接口模塊在MATLAB中以S函數(shù)的形式調用的模型示意圖;圖9是本發(fā)明實施例傳遞函數(shù)方法搭建的電動靜液作動系統(tǒng)模型示意圖;圖10是使用本發(fā)明的建模方法搭建的電動靜液作動系統(tǒng)模型對給定正弦指令的響應曲線;圖11是使用傳遞函數(shù)方法搭建的電動靜液作動系統(tǒng)模型對給定正弦指令的響應曲線。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1所示,本發(fā)明的基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法的流程如下步驟一、將電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分按照學科特性進行劃分歸類按照電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分的學科特性,將直流無刷電機驅動器12、直流無刷電機2劃分為電氣子系統(tǒng);將高速雙向定量柱塞泵3、單向閥5、旁通閥6、安全閥7、液壓管路9、蓄能器4以及雙作用對稱液壓缸劃8分為液壓子系統(tǒng);將直流無刷電機控制器11 及其使用的控制算法劃分為控制子系統(tǒng);將雙作用對稱液壓缸8受到的外力劃分為機械子系統(tǒng)。如圖2所示為電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分間信號流及將其按照學科特性劃分的四個子系統(tǒng),其中,黑實框中的內容為電動靜液作動系統(tǒng)的各組成部分,各黑實框之間的箭頭表示各組成部分之間的信號流,箭頭上的文字表示該信號流的類型,虛線框表示按照學科間關系對電動靜液作動系統(tǒng)的分類,每一個虛線框的右下角說明該虛線框所表示的子系統(tǒng)。圖2中,直流無刷電機控制器11將控制信號傳遞至直流無刷電機驅動器12,直流無刷電機驅動器12根據(jù)該控制信號產生驅動直流無刷電機2工作的電壓,使直流無刷電機 2轉動,輸出轉速,帶動高速雙向定量柱塞泵3工作,通過流量在單向閥5、旁通閥6、安全閥 7、液壓管路9及蓄能器4中傳遞能量,最終使得雙作用對稱液壓缸8運動,輸出位移。在雙作用對稱液壓缸8運動的過程中,會受到外作用力的影響,這些外作用力包括彈性力,摩擦力和阻尼力。按照電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分的學科特性,將直流無刷電機驅動器12和直流無刷電機2劃分為電氣子系統(tǒng);將高速雙向定量柱塞泵3、單向閥5、旁通閥6、安全閥7、 液壓管路9、蓄能器4以及雙作用對稱液壓缸8劃分為液壓子系統(tǒng);將直流無刷電機控制器 11及其使用的控制算法劃分為控制子系統(tǒng);將雙作動對稱液壓缸受到的外作用力劃分為機械子系統(tǒng)。步驟二、將劃分后的電氣子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)根據(jù)相互的耦合強弱程度劃分兩大類第一類為電氣控制類,包括電氣子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng),劃分依據(jù)是電動靜液作動系統(tǒng)的控制本質上是調節(jié)電氣子系統(tǒng)中直流無刷電機2的轉速來實現(xiàn)的,因此控制子系統(tǒng)同電氣子系統(tǒng)的聯(lián)系更為緊密,所以將這兩個子系統(tǒng)歸為一大類;第二類為液壓機械類,包括液壓子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng),劃分依據(jù)是電動靜液作動系統(tǒng)的輸出形式為雙作動對稱液壓缸8的位移和力,而工作環(huán)境中的外力也是通過雙作動對稱液壓缸8作用到整個電動靜液作動系統(tǒng)中的,因此將機械子系統(tǒng)和液壓子系統(tǒng)歸為一類。步驟三、在建模軟件MATLAB軟件中建立電氣控制類模型,針對電氣子系統(tǒng)中的直流無刷電機2及直流無刷電機驅動器12在MATLAB中建立其精確模型。電氣控制類模型包括電氣子系統(tǒng)模型和控制子系統(tǒng)模型,其中電氣子系統(tǒng)模型包括電機驅動器12和直流無刷電機2的模型,控制子系統(tǒng)模型指直流無刷電機控制器11的模型。在MATLAB軟件中搭建電機驅動器12和直流無刷電機2的精確模型過程如下首先,在MATLAB軟件中使用Simulink工具建立直流無刷電機2的電子換相過程模型。電子換相過程模型是直流無刷電機建模中最具關鍵性的一部分。直流無刷電機2同有刷電機的本質區(qū)別是使用電子換相取代了機械換相,其運行的原理是通過控制直流無刷電機2定子繞組中電流的通斷,產生旋轉的磁場,進而帶動具有永磁鐵的轉子的轉動。而定子繞組中電流的通斷是通過判斷直流無刷電機2的霍爾傳感器的信號,根據(jù)一定邏輯控制直流無刷電機驅動器12中的功率開關的通斷來實現(xiàn)的,這個過程稱為電子換相過程。在本實施例中直流無刷電機2的霍爾傳感器信號同直流無刷電機驅動器12功率開關的導通關系如表1所示,表1中ha,hb,h。代表霍爾傳感器的A,B, C三相信號輸出,具有兩個狀態(tài),1 代表高電平輸出,0代表低電平輸出。直流無刷電機驅動器12通常為三相全控橋方式,具有 6個功率開關器件,Q1 %分別代表上下橋臂的功率器件的開關信號,1為功率器件導通,0 為功率器件關斷,每兩個功率開關控制定子繞組中一相信號。表1中轉向代表電機旋轉的方向,分為有正轉和反轉兩個方向。表1本實施例無刷直流電機霍爾傳感器信號與直流無刷電機驅動器功率開關導通信號對應關系
權利要求
1.一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,包括以下步驟 步驟一、分析電動靜液作動系統(tǒng)的結構組成及信號流,將電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分按照學科特性劃分為四類電氣子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng);其中,電氣子系統(tǒng)包括直流無刷電機驅動器、直流無刷電機;液壓子系統(tǒng)包括高速雙向定量泵、單向閥、旁通閥、安全閥、液壓管路、蓄能器以及雙作用對稱液壓缸;控制子系統(tǒng)包括直流無刷電機控制器及其使用的控制算法;機械子系統(tǒng)包括雙作用對稱液壓缸受到的外力;步驟二、將步驟一中劃分的四類子系統(tǒng)根據(jù)相互之間耦合關系的強弱程度歸為兩大類第一類為電氣控制類,包括電氣子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng);第二類為液壓機械類,包括液壓子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng);步驟三、在建模軟件MATLAB軟件中建立電氣控制類模型,針對電氣子系統(tǒng)中的直流無刷電機驅動器和直流無刷電機在MATLAB中建立精確模型; 步驟四、在建模軟件AMESim軟件中建立液壓機械類模型; 步驟五、創(chuàng)建兩大類模型之間的接口模塊,完成電動靜液作動系統(tǒng)模型的搭建; 首先在AMESim中建立用于兩大類模型聯(lián)合和協(xié)同的接口模塊,然后建立該接口模塊同AMESim中建立的液壓子系統(tǒng)模型的連接,經過AMESim軟件編譯,在MATLAB軟件的 Simulink工具中以S函數(shù)的形式調用該接口模塊,建立該S函數(shù)同MATLAB中建立的子系統(tǒng)模型的連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,對步驟二中所述的四類子系統(tǒng)進行劃分的依據(jù)為(一)電氣控制類,依據(jù)電動靜液作動系統(tǒng)的控制本質上是調節(jié)電氣子系統(tǒng)中直流無刷電機的轉速來實現(xiàn)的來劃分;(二)液壓機械類,劃分依據(jù)電動靜液作動系統(tǒng)的輸出形式為雙作動對稱液壓缸的位移和力,而工作環(huán)境中的外力也是通過雙作動對稱液壓缸作用到整個電動靜液作動系統(tǒng)中。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,步驟三所述的直流無刷電機驅動器和直流無刷電機在MATLAB中建立精確模型的方法為(1)首先,在MATLAB軟件中使用Simulink工具建立直流無刷電機的電子換相過程模型,所述的直流無刷電機的電子換相過程模型,包括直流無刷電機正轉電子換相過程模型和反轉電子換相過程模型,電子換相過程模型的建立方法為第一步、建立霍爾傳感器信號同定子繞組中電流的對應關系模型;第二步、建立定子繞組電流同直流無刷電機驅動器的功率器件導通信號之間的對應關系模型;第三步,連接第一步和第二步的兩部分模型;使用MATLAB中Simulink工具中的用戶自定義模塊對所搭建的直流無刷電機電子換相過程模型進行封裝,電機旋轉方向信號輸入模塊輸入電機旋轉方向的信號給開關模塊,并通過開關模塊判斷直流無刷電機轉子的旋轉方向,根據(jù)判斷的結果選擇使用正轉電子換相過程模型還是反轉電子換相過程模型;(2)然后,使用MATLAB軟件的Simulink工具模擬電氣系統(tǒng)庫中的元件來搭建不包含直流無刷電機電子換相過程模型的直流無刷電機及其驅動部分模型,具體是直流無刷電機驅動器使用功率橋模塊搭建,該功率橋模塊的輸入為直流無刷電機電子換相過程模型輸出的直流無刷電機驅動器功率器件導通信號與經過電壓源模塊轉化的直流無刷電機轉速指令輸入信號;直流無刷電機模型使用永磁同步電機模塊搭建,永磁同步電機模塊的輸入為功率橋模塊輸出的三相電流信號以及一個使能信號,使能信號通過階躍信號模塊實現(xiàn),永磁同步電機模塊的輸出為霍爾傳感器信號以及直流無刷電機的轉速信號,其中轉速信號需要經過增益模塊將弧度變?yōu)檗D速;(3)最后,對不包含直流無刷電機電子換相過程模型的直流無刷電機及其驅動部分模型進行封裝與封裝后的直流無刷電機電子換相過程模型一起完成電動靜液作動系統(tǒng)的電氣控制類模型的搭建。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,所述的步驟三中建立電氣控制類模型,其中控制子系統(tǒng)模型的建立過程為直流無刷電機轉速指令給定模塊給定的直流無刷電機轉速指令信號分為兩路,一路作為直流無刷電機電子換相部分模型中的電機旋轉方向信號輸入模塊的輸入,一路同不包含直流無刷電機電子換相過程模型的直流無刷電機及其驅動部分模型中輸出的直流無刷電機轉速信號做比較得到系統(tǒng)誤差,所作比較的兩個信號都通過絕對值模塊轉換為正值來進行比較,所得到的系統(tǒng)誤差經過比例積分PI控制算法模塊,作為不包含直流無刷電機電子換相過程模型的直流無刷電機及其驅動部分模型中的直流無刷電機轉速指令信號。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,步驟四所述的在建模軟件AMESim軟件中建立液壓機械類模型,具體為高速雙向定量泵模型在搭建時單獨考慮自身的內泄漏和外泄漏影響;雙作用對稱液壓缸模型在搭建時綜合考慮液壓缸體質量、活塞質量以及活塞同液壓缸壁之間間隙和摩擦力的影響,通過使用AMESim軟件中分立的元件搭建;在雙作用對稱液壓缸受外作用力的影響模型在搭建時考慮機械結構受力以及受到空氣阻力的情況,在AMESim軟件中搭建的液壓機械類模型。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,其特征在于,步驟五中所述在AMESim中建立的接口模塊,它的輸入為雙作用對稱液壓缸兩腔壓力以及液壓缸作用端的位移,輸出為直流無刷電動機的轉速和旁通閥的控制信號。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于電動靜液作動系統(tǒng)的多學科建模方法,首先將電動靜液作動系統(tǒng)各組成部分按照學科特性劃分為電氣子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和液壓子系統(tǒng)4類,將前兩類歸為電氣控制類,將后兩類歸為液壓機械類,然后分別在MATLAB軟件中建立電氣控制類模型,在AMESim軟件中建立液壓機械類模型,最后創(chuàng)建兩大類模型之間的接口模塊,完成電動靜液作動系統(tǒng)模型的搭建。本發(fā)明選用MATLAB和AMESim分別搭建兩類模型,充分發(fā)揮兩個軟件在各自擅長領域內的建模優(yōu)勢,簡化了建模的過程,建立了精確的電機驅動及直流無刷電機模型,與使用傳統(tǒng)建模方法建立的模型相比,更加準確,更加符合實際系統(tǒng)的情況。
文檔編號G05B17/02GK102436187SQ20111038197
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權日2010年11月26日
發(fā)明者李凱, 王少萍 申請人:北京航空航天大學