一种电动变量泵初步设计的建模与仿真方法

Summary

开发了一种专门支持电动变量泵（EVDP）初步设计的仿真模型，并通过实验进行了部分验证。控制性能、寿命、可靠性等都可以使用所提出的模型进行评估，该模型涵盖了EVDP初步设计任务下的主要性能要求。

Abstract

静电静液压执行器（EHAs）在学术界得到了广泛的研究，它们在各个工业领域的应用正在扩大。变速EHA现在已经优先于可变排量EHA，但其驱动电机和相关电子设备在应用于高功率应用时会遇到问题:低动态，高散热，高价格等。因此，已经考虑了配备电动可变排量泵（EVDP）的可变排量EHA。EVDP本身是一个机电一体化系统，集成了柱塞泵，滚珠丝杠，变速箱和永磁同步电机（PMSM）。因此，需要对EVDP进行调查，以确保其在EHA中应用时的系统级性能。除了之前对EVDP技术参数的研究外，还需要专门的设计方法，以进一步降低EVDP的使用成本并探索其性能潜力。本文采用基于仿真的EVDP初步设计方法设计37 kW EVDP。首先，通过改进参数生成（包括EVDP寿命、可靠性、控制模型等）来扩展先前提出的EVDP多学科模型。其次，使用小型原型对所提出的模型进行了部分验证。第三，在所提出的模型的支持下，在系统级对EVDP进行仿真。EVDP 性能根据指定的设计要求进行评估。EVDP的温度、带宽和精度、可靠性和使用寿命等都是预测的。仿真结果验证了EVDP在可变位移EHA中的适用性。所提出的建模和仿真方法可用于评估各种EVDP性能并响应一般设计要求。该方法还可以在有限的信息和鲁棒性方面支持解决初步设计挑战。因此，所提方法适用于实现基于仿真的EVDP初步设计方法。

Introduction

电动静液压执行器（EHAs）由于结合了电动执行器和液压执行器的优势，因此在工业压力机，大型移动机械，起重机机械手和初级飞机控制等应用中越来越受到关注¹.可以确定两种基本类型的EHAs:变速EHAs和可变排量EHAs²。目前，变速EHA由于其更高的效率和简单性而比可变排量EHA更受欢迎。然而，随着重型运载火箭³ 和潜艇⁴等重型车辆所需的EHA的更高功率水平，变速EHA的驱动电机和相关电子设备也存在与低动态，高散热，高价格等相关的问题。因此，对于这些高功率应用（>30 kW），可变排量EHA正在重新考虑，因为其控制是通过调节泵排量的低功耗器件实现的。

防止可变排量EHA成为优先事项的一个主要问题是其笨重的泵排量控制单元，它本身就是一个完整的阀门控制的液压系统。电动变量泵（EVDP）通过使用紧凑型电动排量控制单元来解决这个问题。这种设计提高了可变位移EHA的紧凑性，效率等，在一定程度上解决了以前的弱点。因此，通过使用新提出的EVDP，可以促进在高功率应用中使用可变位移EHAs。然而，与传统的液压控制可变排量泵相比，EVDP的复杂性要高得多，因为它集成了来自多个新学科的组件。因此，出现了基于EVDP的具体研究活动。我们的研究小组开始了EVDP研究⁵....

Protocol

注意:Matlab 和 Simcenter Amesim（以下简称系统仿真平台）用于此协议，并列在 材料表中。然而，所提出的协议并不局限于在这两个软件应用中实现。

1. 选择 EVDP 设计参数并对其进行分类（图 2 中的步骤 1）。

1. 将 图 1 中 EVDP 的架构拆解为柱塞泵单元、滚珠丝杠、变速箱、PMSM 和控制器。检查 EVDP 的性能要求。
   注:特别是在本文中，要求包括功率容量、控制性能、热性能、使用寿命、可靠性、效率和重量。
2. 总结 EVDP 组件的尺寸参数和规格。分析参数和规格，并选择与指定的 EVDP 性能要求相关的参数和规格。
   注:所选元件参数和规格是EVDP初步设计中的设计参数，如 表1所示。 表 1 还包括通过步骤 1.3 获得的参数分类结果。
3. 将设计参数分为活动类、驱动类和经验类²¹，如 表 1²⁰ 中所列。
   1. 将每个元件最能代表的独立参数或规范分配给活动类....

Results

本节介绍从执行所有协议步骤中获得的结果，这些步骤构成了步骤1，步骤2的所有步骤以及 图2中EVDP初步设计方法的所有步骤5的一部分。协议中的输入信息包括 图1中的EVDP原理图、图 2步骤4中EVDP的优化有源参数（在步骤5.1.1中阐明），以及与EVDP设计要求相关的EVDP性能仿真任务。该协议的结果是EVDP的最终初步设计结果，包括EVDP设计参数的值以及这些设计参数下的预测EVDP性能。特别是，协议步骤1和步骤2中内置的参数估计模型产生设计参数的结果。协议步骤 3 和步骤 4 生成用于 EVDP 最终检查的仿真模型。协议步骤 5 预测特定设计参数下的 EVDP 性能。下文将详细阐明这些内容。

参数估计基于步骤5.1.1中的活动参数。如 表 2 所示。这些参数足以运行步骤 3 中提出的仿真模型。此外，它们将被分发给组件制造商，以用作组件要求。随后，通过将单独的组分重量.......

Discussion

EVDP的概念和其他技术组成部分已在以前的出版物^6，31中提出，展示了EVDP的适用性和优势。本文没有研究EVDP本身，而是继续研究与未来实际应用需求相关的设计方法。对于这种类型的高度集成和多学科耦合产品，需要特定的设计方法，这需要微妙的性能权衡和优化。本文提出并说明了EVDP建模与仿真的初步设计完整过程。该过程从该任务的总体和实践角度开始，涉及多域耦合分析和多学科要求。此外，通过各种参数估计模型解决了有关获取仿真参数的困难。因此，该方法有助于对EVDP进行高效和最佳的初步设计。值得注意的是，仿真是EVDP初步设计的最后验证步骤。该过程旨在以高保真度验证先前优化（ 图 2 中的步骤 3 和 4）中设计的 EVDP 性能。也就是说，在进行本文的仿真过程之前，EVDP性能（例如，控制性能和重量）已经得到了优化。

设计参数分析（步骤1）取决于设计人员的专业知识。需要良好的知识水平才能将组件性能与EVDP性能联系起.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
滚珠丝杠	NSK	PSS
EVDP 原型	精密机电一体化与控制研究所	定制	7.4 mL/rev，7000 rpm，21 Mpa
EVDP 测试台	北京精密机电一体化与控制研究所	定制	参见图 7，可根据个人需求进行调整。包括 Power PMAC 控制器、ELMO Whistle Driver 等。
齿轮箱	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet 磁同步电机	Maxon	393023
活塞泵	博世力士乐	A10VZO
Simcenter Amesim	西门子	2021.1	系统仿真平台