Name: 一种电动变量泵初步设计的建模与仿真方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 4 s
Description: 了解电动变量泵初步设计的建模与仿真方法。本研究通过参数分类、自动参数生成和动态热建模，评估控制性能与可靠性，为重型系统电气化提供高效设计框架。

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作者感谢北京精密机电控制研究所对本研究的支持。

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<li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal-hydraulic+modeling+and+simulation+of+piston+pump%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).</li>
<li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+JFPS+International+Symposium+on+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).</li>
<li>Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitigation+of+fatigue+damage+and+vibration+severity+of+electric+drivetrains+by+systematic+selection+of+motion+profiles%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+Transactions+on+Mechatronics%22%5BJournal%5D)">Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles.</a> IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

EVDP 的概念及其他技术组件已在先前的出版物中有所阐述6,31，证明了 EVDP 的适用性及其优势。本文并未聚焦于 EVDP 本身的研究，而是进一步探讨了面向未来实际应用需求的设计方法。对于此类高度集成且涉及多学科耦合的产品，必须采用特定的设计方法，以实现精细的性能权衡与优化。本文提出并阐述了一套完整的 EVDP 建模与仿真流程，用于初步设计阶段。该流程从整体且实用的角度出发，涵盖多领域耦合分析及多学科需求。同时，通过多种参数估计模型解决了仿真参数获取方面的困难。因此，该方法有助于高效且优化地完成 EVDP 的初步设计。值得注意的是，仿真环节是 EVDP 初步设计的最终验证步骤。该流程旨在以高保真度验证此前优化阶段（见图2中的步骤3和步骤4）所设计的 EVDP 性能。也就是说，在本文所进行的仿真过程之前，EVDP 的性能（如控制性能和重量）已经过优化。
设计参数分析（步骤1）依赖于设计人员的专业知识。需要...

电静液作动器（EHAs）因其结合了电动作动器和液动作动器的优点，在工业压力机、大型移动机械、起重机操纵装置以及飞机主控系统等应用中正受到越来越多的关注1。目前可识别出两种基本类型的EHAs：变速式EHAs和变排量式EHAs2。当前，由于变速式EHA具有更高的效率和更简单的结构，其应用比变排量式EHA更为广泛。然而，随着重型车辆（如重型运载火箭3和潜艇4）对EHA功率等级要求的提高，变速式EHA的驱动电机及其相关电子设备面临动态响应低、热耗散高、成本高等问题。因此，对于这些高功率应用（&#62;30 kW），变排量式EHA正被重新考虑，因其控制可通过低功率装置调节泵的排量来实现。
阻碍变排量电液作动器（EHA）成为优先选择的一个主要问题是其笨重的泵排量控制单元，该单元本身就是一个完整的阀控液压系统。为解决这一问题，已提出采用紧凑型电动排量控制单元的电控变排量泵（EVDP）。该设计提升了变排量EHA的紧凑性、效率等性能，在一定程度上克服了以往的缺陷。因此，采用新提出的EVDP可能有助于推动变排量EHA在高功率场合的应用。然而，与传统的液压控制变排量泵相比，EVDP的复杂性显著增加，因其集成了多个新兴学科的组件。由此，针对EVDP的专门研究活动应运而生。我们的研究团队率先开展了EVDP的研究5，并持续推动其发展6。Liu针对EHA应用开发了EVDP并进行了实验测试7。一些液压公司也已提供EVDP产品。除了关于EVDP技术组件的研究外，面向实际应用需求的设计方法对于提升EVDP的竞争力同样重要，有助于进一步降低EVDP的使用成本并挖掘其性能潜力。因此，有必要建立一种针对EVDP的初步设计方法，通过分析其多学科耦合特性，优化系统层面性能的权衡。基于仿真的初步设计方法在这一类机电产品多学科耦合问题中具有重要意义8。
尽管由于电动可变位移泵（EVDP）是一个新提出的概念，目前尚未有针对其初步设计的特定仿真模型被提出，但相关机电产品的研究已投入大量工作。已有研究建立了动态电液伺服作动器（EHA）模型，用于在初步设计阶段优化重量、效率和控制性能9，但未涉及寿命、可靠性、热特性等关键性能指标，而这些指标在初步设计中应予以考虑。另一项研究也采用动态EHA模型对成本、效率和控制性能进行优化10，并进一步开发了热模型以评估优化后EHA的热特性11，但仍未考虑可靠性和寿命。已有研究提出了一种综合性的电动机械作动器（EMA）初步设计方法12，该方法提出了具有不同功能的特定模型，可用于分析不同特性，并已开发出可靠性与寿命模型13，从而能够评估机械强度、功率能力、热性能等，但未包含控制性能的分析。另一种EMA初步设计方法采用了动态EMA模型及相关的部件尺寸模型14，仿真分析中考虑了成本、重量、疲劳寿命、功率容量、物理约束等因素，但未包含可靠性和控制性能。有研究为液压混合动力传动系统优化设计提出了动态模型15，可对功率容量、效率、控制等进行仿真，但未考虑可靠性和寿命。针对基于EHA的飞行控制作动系统的分析模型也已被提出，其中使用了简化的功率传递方程和重量函数16。考虑到这些模型用于整车级和任务级分析，其性能属性覆盖范围有限是合理的。作为EHA的主要组成部分，伺服电机在建模与设计方面受到了独立关注，其研究成果对EHA模型的开发也具有指导意义。此外，热网络模型、重量模型等也可用于EHA建模17,18,19。综上所述，即使参考与EVDP相关的产品研究成果，现有模型在初步设计阶段仍未能全面分析产品所有关键性能属性。其中，控制性能、热性能、可靠性与寿命是建模过程中最常被忽略的方面。因此，本文提出了一套能够分析EVDP初步设计中所有最重要性能属性的模型体系，并通过仿真分析更清晰地展示模型功能。本文是对前期发表成果20的扩展，改进了参数生成方法，引入了寿命模型、可靠性模型和控制模型，优化了计算成本，验证了模型准确性，并开展了深入的仿真分析等。
如图1所示，变量柱塞泵的传统液压控制单元被电动执行器取代，以提高紧凑性并减少散热。该电动执行器由滚珠丝杠、齿轮箱和永磁同步电机（PMSM）组成。电动执行器通过连杆与斜盘连接，以调节泵的排量。在电液作动器（EHA）中应用时，通过调节PMSM对EVDP斜盘的旋转位置进行闭环控制。电动执行器与柱塞泵集成于同一壳体内，构成一个整体部件。该设计使电动执行器浸没在工作流体中，从而增强了多物理场耦合效应。
由于电动驱动系统（EVDP）是一种典型的多领域机电一体化产品，其初步设计在优化系统级性能权衡以及明确部件设计需求方面起着至关重要的作用。该过程基于基于仿真的设计方法10,12，如图2所示。第一步首先分析所选定的EVDP架构（如图1所示），并根据规定的性能要求确定设计参数。随后，通常将设计任务转化为一个优化问题，以探索EVDP的性能优化。该转化通过将设计参数转为优化变量、将性能要求转为优化目标和约束条件来实现。值得注意的是，设计参数需分类为主动参数、从动参数和经验参数三类。由于主动参数具有独立性，仅将其作为优化变量；其余两类参数则通过主动参数估算自动生成。因此，第二步需建立从动参数和经验参数的估算模型。这些估算工具在每次优化迭代过程中使用，同时也在第五步中用于生成所有必要的仿真参数。第三步建立每个优化目标或约束的计算模型，以反映所需的性能指标。这些模型应具备较高的计算效率，否则优化计算成本将不可接受。第四步执行优化计算，通常为多目标、多学科优化，并需处理初步设计阶段中的参数不确定性。第五步构建所设计EVDP的总体模型，并通过在典型工况循环下仿真EVDP来验证优化结果。该模型是评估初步设计成果的最终工具，因此应具备最高的保真度，并以紧密耦合的方式包含所有影响性能的关键特性。最终，获得初步设计的性能结果及系统级参数定型结果。
本文重点研究电液数字泵（EVDP）的系统建模与仿真方法，该方法包括在步骤1中进行参数分析，并完成步骤2和步骤5。首先，根据EVDP的结构架构和设计需求确定设计参数，并将其划分为三个子类别。其次，基于尺度定律、元件目录、经验函数等建立非主动参数的估算模型。再次，利用多学科耦合方程以及附加的寿命和可靠性子模型构建EVDP的整体模型，并通过实验对模型进行部分验证。最后，将前述的尺寸设计结果导入所构建的模型中，以在典型工况循环下开展仿真分析。基于仿真结果推导出系统级性能表现，同时评估参数的敏感性与设计的鲁棒性。因此，本文提出了一种适用于EVDP初步设计的专用建模与仿真方法，全面预测了EVDP在电液作动器（EHA）应用中的性能表现。该方法可作为开发用于高功率应用的EVDP及变排量EHA的实用工具，也可为其他类型机电一体化产品的仿真工具开发提供参考。本文中的EVDP特指电-机械控制的变排量泵，而不包含电-液压控制的变排量泵。

<table><tbody><tr><td>滚珠丝杠</td><td>NSK</td><td>PSS</td><td></td></tr><tr><td>EVDP 原型机</td><td>北京精密机电控制研究所</td><td>定制</td><td>7.4 mL/rev，7000 rpm，21 MPa</td></tr><tr><td>EVDP 测试台架</td><td>北京精密机电控制研究所</td><td>定制</td><td>参见图7，可根据具体需求调整。包含 Power PMAC 控制器、ELMO Whistle 驱动器等</td></tr><tr><td>齿轮箱</td><td>Maxon</td><td>GP</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2020a</td><td></td></tr><tr><td>永磁同步电机</td><td>Maxon</td><td>393023</td><td></td></tr><tr><td>柱塞泵</td><td>Bosch Rexroth</td><td>A10VZO</td><td></td></tr><tr><td>Simcenter Amesim</td><td>Siemens</td><td>2021.1</td><td>系统仿真平台</td></tr></tbody></table>

一种用于电控变量泵初步设计的建模与仿真方法

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

电静液作动器（EHAs）在学术界已得到广泛研究，其在各个工业领域的应用也在不断扩展。目前，变速电静液作动器已逐渐优先于变排量电静液作动器，但在高功率应用中，其驱动电机及相关电子设备仍面临动态响应低、热耗散高、成本高等问题。因此，研究人员考虑采用配备电控变排量泵（EVDP）的变排量电静液作动器。EVDP本身是一种机电一体化系统，集成了柱塞泵、滚珠丝杠、齿轮箱和永磁同步电机（PMSM）。因此，有必要对EVDP进行研究，以确保其在电静液作动器中应用时的系统级性能。除了对EVDP技术参数的已有研究外，还需建立专门的设计方法，以进一步降低EVDP的使用成本并挖掘其性能潜力。本文选用基于仿真的EVDP初步设计方法，用于设计一台37 kW的EVDP。首先，通过改进参数生成方法（包括EVDP寿命、可靠性、控制模型等），对先前提出的EVDP多学科模型进行扩展。其次，利用一台缩比样机对所提出的模型进行部分验证。然后，在该模型支持下，对EVDP进行系统级仿真，并根据既定的设计要求评估其性能。对EVDP的温度、带宽与精度、可靠性与寿命等指标均进行了预测。仿真结果表明，EVDP适用于变排量电静液作动器。所提出的建模与仿真方法可用于评估多种EVDP性能，并满足通用设计需求。该方法还可支持解决初步设计过程中信息有限和鲁棒性不足等挑战。因此，该方法适用于实现基于仿真的EVDP初步设计方法。

本节展示了执行所有实验方案步骤所获得的结果，这些步骤构成了EVDP初步设计方法中步骤1的部分内容、步骤2的全部内容以及步骤5的全部内容。 图2. 本方案中的输入信息包括EVDP示意图 图1，第4步中EVDP的优化活性参数（在步骤5.1.1中说明） 图2以及与EVDP设计需求相关的EVDP性能仿真任务。该方案的结果为EVDP的最终初步设计方案，包括EVDP设计参数的取值，以及在这些设计参数下的EVDP性能预测结果。特别地，方案步骤1和步骤2中建立的参数估计模型用于输出设计参数的结果；方案步骤3和步骤4生成用于EVDP最终验证的仿真模型；方案步骤5则预测在特定设计参数下的EVDP性能。以下将对上述内容进行详细说明。
基于第5.1.1步中的活性参数得到的参数估计结果如表2所示。这些参数足以用于运行第3步中提出的仿真模型，同时也将被分发给各部件制造商，作为部件设计要求。随后，通过...

开发了一种专门用于电控变量泵（EVDP）初步设计的仿真模型，并通过实验对其进行了部分验证。该模型可用于评估控制性能、寿命、可靠性等，涵盖了EVDP初步设计任务中的主要性能要求。

电静液作动器（EHAs）在学术界已得到广泛研究，其在多个工业领域的应用正在不断拓展。

电静液作动器为重型系统的电气化提供了支持。为了实现更低的能耗，我们的方法专注于系统中电控变量泵的优化利用。我们的建模与仿真方法可支持初步设计。我们的电控变量泵应选择完整的性能预测、自动参数生成以及设计鲁棒性。首先对参数进行分类，以设计电控变量泵（EVDP）。将代表各个组件的独立参数分配至主动类别，而将由主动参数推导出的参数分配至从动类别。然后，使用经验函数将计算得到的参数归入经验类别。为建立估算模型，依据主动参数，利用相似性定律估算泵和电机的从动参数。利用部件目录，根据主动参数估算齿轮箱和滚珠丝杠的从动参数。通过经验函数评估泵、齿轮箱和滚珠丝杠的效率，并基于热力学理论中经验函数建立的热网络模型估算热阻。在MATLAB中通过累加各部件重量构建电动车辆驱动泵（EVDP）的重量模型，随后在系统仿真平台中进行EVDP的动态集总参数建模。接着，在系统仿真平台中通过为EVDP设置热网络，开展EVDP的热建模。在寿命与可靠性建模中，采用滚珠的疲劳寿命和柱塞泵组件的磨损寿命作为其使用寿命。使用相关方程对滚珠丝杠和柱塞泵组件的寿命进行建模。假设滚珠丝杠和泵在其使用寿命对应的可靠性为0.90，并定义该可靠性为工作50,000小时时的计算值。然后利用该方程对滚珠丝杠和活塞泵单元的可靠性进行建模。通过将每个节点的所有方程组合在一起，构建每个节点的模型模块，完成模型的组装。最后确定每个节点的输入变量和输出变量。定义整体EVDP模型的输入和输出，并对所有节点进行因果关系分析。必要时添加额外节点，以确保所有节点均具有因果关联。随后连接所有节点，构建完整的EVDP模型。EVDP 模型建立后，使用 EVDP 原型和试验台验证建模方法。具体操作为：将 EVDP 安装至试验台上，该试验台由加载部分和控制部分组成；随后将 EVDP 的三个端口连接至加载部分的液压回路，并将 EVDP 的电缆连接至控制部分。通过按下控制面板上的启动按钮并启动辅助液压动力来开展原型测试。在使用面板上的按钮使模式阀失能后，在用户界面的文本框中向EVDP设置扫频位移指令。记录EVDP的位移响应，并提取其幅值和相位特性。为了分析实验结果，将EVDP原型的活动参数设置为先前构建的模型。该模型将自动生 成其他所需的仿真参数。将环境温度和EVDP初始温度均设为40摄氏度，并在与EVDP原型测试相同的条件下运行仿真模型，以记录仿真结果。为了检查模型的准确性，将每种条件组的实验结果和模拟结果绘制在同一张图中。要对 EVDP 设计进行模拟分析，请单击参数模式选项卡并选择 TFFD31 选项，以设置动态和热力学模型。然后进入简单流体特性数据的文件名选项卡，导入油品物性文件。在参数模式下使用 THGCV01 或 THGCV02 模块。根据文稿中所述，将环境温度设置为输入参数估计模型的活动参数。然后单击编辑器选项卡下的运行按钮，以运行脚本生成所有仿真参数。在 MATLAB 中，使用编辑器选项卡下的运行按钮来运行脚本，以计算重量并根据仿真参数激活动态和热模型。仿真结果将由脚本自动获取。再次使用编辑器选项卡下的运行按钮，运行脚本以从保存的仿真结果中计算 EVDP 的寿命和可靠性性能。进入系统仿真平台的仿真模式以查看结果，然后根据这些时域仿真结果推导出其他EVDP性能结果。如需设置仿真参数，请查看参数模式。然后，使用编辑器选项卡下的运行按钮执行脚本，以激活动态和热模型。随后，按下仿真模式选项卡，以查看敏感性与不确定性分析结果。此处显示了不同EDVP部件的温度动态变化。代表性分析展示了电动车辆驱动系统（EVDP）在满负荷工作周期下的效率。在满载工况下，EVDP 实现了约 80% 的总效率。随后，随着效率下降，EVDP 的绝对损耗也随之降低。通过扫频频率响应测试，评估了 EVDP 的动态性能。在对电控变量泵（EVDP）的预期性能进行评估时，预测其控制精度良好，误差仅为0.09度，而泵的寿命和可靠性则被确定为最薄弱环节。在建立所提出的模型后，可进一步完成完整的初步设计方法。该方法有助于提升电控变量泵及其相关电静压驱动装置的适用性。该方法解决了设计阶段的常见难题，例如参数确定性和多学科仿真问题，从而实现了对电液静力作动器泵更可靠的初步设计。

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一种电动变量泵初步设计的建模与仿真方法

在油水乳液体系中进行剪切应力研究时，液滴在实验过程中会发生破碎。为了在泵送过程中统计液滴尺寸，本方案成功验证了在线内窥镜技术的适用性。...

一种经济可靠的方法用于预测一次性泵和标准泵中的机械应力

本文介绍了一种用于构建变循环发动机部件级数学模型的实验方案。...

一种用于变循环发动机建模的快速方法

我们构建了一个仿真模型，用于评估电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的泵流量特性与性能，并通过实验研究该电机-泵组件在多种工况下的整体效率。...

电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的建模与实验分析

本文介绍了一种基于归一化最小均方（NLMS）算法的自适应滤波器和一种转速估计方法，用于检测电静液作动器（EHA）的电气与液压故障。通过仿真和实验验证了上述方法的有效性与可行性。...

基于自适应滤波与转速估计的电静液作动器故障检测方法设计与应用

本研究结合数值分析软件与响应面法（RSM），系统探讨湿式摩擦离合器摩擦片的优化设计方法。...

液粘离合器摩擦片的参数化优化设计方法

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太赫兹超材料吸收体的仿真、制备与表征

本文介绍了一种基于新型纳米柱分裂环谐振器（SRR）的设计与制备方案。...

基于纳米柱结构开口环谐振器的制备及其在太赫兹超材料位移电流介导谐振中的应用

通过实验研究了虹吸断裂现象，并提出了一个理论模型。基于该理论模型开发了模拟程序，将模拟程序的结果与实验结果进行了比较。结果表明，模拟程序的结果与实验结果吻合良好。...

研究反应堆虹吸断流实验与模拟研究

我们提出了一种智能机器人模块化设计与制造的方案，旨在帮助科研与技术人员根据个人需求及个性化设计，开发适用于特定生产任务的智能机器人。...

基于闭环控制策略的智能机器人模块化设计与制作

本方案描述了水桥的设计与制备，以及将其激活为水纤维的过程。该实验表明，水纤维的毛细共振可调制其光学透射特性。...

设计与制备由水构成的光纤

了解电动变量泵初步设计的建模与仿真方法。本研究通过参数分类、自动参数生成和动态热建模，评估控制性能与可靠性，为重型系统电气化提供高效设计框架。

一种用于电控变量泵初步设计的建模与仿真方法

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