基于EHA的鱼雷舵机伺服系统的设计与研究

徐宝林1， 王俊杰， 陈英龙

(1.江门职业技术学院 机电技术系， 广东 江门 529090； 2.大连海事大学 机械工程， 辽宁 大连 116000)

引言

鱼雷是现代海军作战所配备的先进性武器，能在水面或水下隐蔽，在航行过程中具有距离远、航速快的特性，同时在战术上用以打击水中的战舰目标，有破坏性大、命中效果好的优势，是一种能够自动控制、自主前进的重要航行设备[1]。如图1所示，鱼雷入水后有两种运动模式：其一在下潜的非控制阶段，舵角通常为0或预先设定值，鱼雷伺服系统基本不工作；其二是鱼雷导引追踪时，根据目标运动和鱼雷运动两种信息由舵机系统调整舵面角度。

图1 鱼雷运动模式

目前鱼雷通常是通过调整舵机舵面来实现运动方向改变的，舵面由系统中的液压缸直接控制，采用电液伺服阀[2]实现。如图2所示：以传统的正开口喷嘴挡板阀为例，假设没有电气信号输入，力矩马达的衔铁通常在平衡位置，挡板两侧所受液压油的作用力相等，此时油液自泵源进入，经流进油口，进而通过过滤器在阀芯处分4路油液流出。倘若有信号输入，则鱼雷系统中的马达衔铁带动反馈杆偏转， 使挡板发生移动(向左移动)，左侧油路压力升高，阀芯向右移动。这样阀芯的左侧接通，使油液高压部分与液压缸的进油路相连，阀芯的右侧阀孔打开，此时油液与液压缸的回油腔相连，最终通过电液伺服阀实现活塞运动，使鱼雷舵机舵面偏转。

1.导磁体 2.永久磁铁 3.控制线圈 4. 衔铁 5.弹簧管 6.挡板 7.喷嘴 8.溢流腔 9.反馈杆 10.阀芯 11.阀套12.回油节流孔 13.固定节流孔 14.油滤 15.作动筒壳体16.活塞杆 17.活塞 18.铁芯 19.线圈 20.位移传感器图2 传统鱼雷舵机系统结构图

经典电液伺服系统的驱动力较大、频率响应速度很快，但其同样存在问题：

(1) 采用发动机提供泵源动力，发动机转速不稳会造成液压系统供油压力脉动；

(2) 电液伺服驱动系统工作效率较低(约为30%～40%)，造成供油功率上升；

(3) 系统中液压元件较多，结构回路布置复杂，集中供油导致可靠性下降。

相比于传统的鱼雷电液伺服阀控制，采用电动静液作动器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)为基础的鱼雷舵机伺服系统，可以大幅度的解决大型柴油机噪声大、流量脉动大、能量效率低等问题，同时舵机控制系统的质量、体积均减小。EHA是把伺服电机、液压泵、小型油箱、液压缸、液压集成阀组、压力测量检测元件和控制器统一整合后集成化，使该微型集成于一体化的执行机构具有质量轻、结构体积灵巧、效率高等的突出优点，克服了以往液压系统中存在的固有缺陷,具有较强的实际性能，也验证了其理论性的意义[3]。

除此之外，EHA在国内的航空航天领域也存在广泛应用与研究，在火箭、飞机和汽车上都有所涉及。日本某电气株式会社所研究EHA技术最具代表，在船用车用舵机、工业锻压机、液压成型机等装置均有应用,即把伺服电机、中间联轴器、液压泵在轴向上依次串接，并将液压缸置于径向的另一侧，保证整个构型结构紧凑，体积窄小。美国NASA在 F-18 SRA飞机上装备EHA，并就其性能评估，测试结果中飞机的EHA的操作感良好，并与传统装置相抗衡[4]。

齐海涛[5]将电动静液作动器应用于提高飞机性能，按照EHA系统组成和工作原理对重要飞行控制的部分改进，加强作动系统的推进性能，同时用AMESim仿真软件对所研究的飞行系统进行分析,所设计的飞机系统指标均达到要求；赵进宝[6]将EHA另辟蹊径，应用于火箭舵机，探究转速、排量等参数复合调节对电动静液作动器的影响，证明了EHA中转速和排量复合调节优于普通的定排量控制，对后续EHA的设计与创新有重要指导意义；于凤辉[7]将直驱式容积控制电液伺服系统运用在列车上，运用ADAMS软件进行列车受力分析，并用 AMESim展开液压和力学联合仿真，在理论上完成摆式列车倾摆系统的研究。

本研究提出了一种基于电动静液作动器的鱼雷舵机系统，采用交流伺服电机通过联轴器驱动微型液压泵，控制微型定量泵的旋转速度,改变进入整个鱼雷舵机的流量,最终实现舵面作动器的精确运动，能够有效地减小系统脉动，并提高系统效率至70%以上；同时采用AMESim进行仿真，建立鱼雷舵机的模型，计算相关元件参数并进行选型，在考虑舵机末端的水动力负载的前提下，保证了鱼雷舵机系统的快速响应。

1 鱼雷舵机液压伺服系统

1.1 液压系统工作原理

1) 结合鱼雷舵机的运动模式，考虑给定的技术条件和参数指标，其液压原理图如图3所示。

1.交流伺服电机 2.微型定量泵 3、4.单向过滤器 5.增压油箱 6、7.单向阀 8、9.安全阀 10.对称缸11、12.压力传感器 13.位移传感器 14.转速传感器图3 EHA鱼雷舵机系统的液压原理图

EHA鱼雷舵机是闭式的新型液压系统。系统主要由伺服控制器、交流伺服电机、微型定量泵、增压油箱、双作用对称缸、单向过滤器、集成阀块以及压力、位移、转速测量装置等组成。与传统液压系统相比,该系统是通过改变交流伺服电机的旋转速度,通过联轴器推动微型定量泵运转, 改变进入整个鱼雷舵机的流量，最终控制鱼雷作动筒活塞的位移运动，实现舵面的角度调节。本研究所设计的EHA鱼雷舵机液压系统特点如下：

(1) 为了提高鱼雷EHA的频率响应，本系统舍弃了传统电动静液作动器中的液控单向阀元件，采用普通单向阀自动给回路补油；

(2) 为了保证鱼雷系统平稳的吸油能力，将增压油箱经由2个单向阀并联，这样舵机低压腔调定压力会一直高于大气压力,防止油液发生气穴现象，影响工作寿命。同时由于鱼雷舵机系统的运行时间短、效率较高，因溢流损失所造成的液压油发热影响较小，所需增压油箱较小；

(3) 为了保证安全，将2个溢流阀并联于液压系统中，假设某一侧的系统压力发生过载，可以打开回路使液压缸2腔沟通，起安全阀的作用。

2) 鱼雷舵机系统是鱼雷的一个辅助系统，在整个系统中所占据空间要尽可能小。本研究所要求的系统整体外形尺寸为200 mm×90 mm×50 mm，质量不大于3 kg。根据《GJB 6436-2008鱼雷液压舵机通用》，供油压力为5.1 MPa时，舵杆在运动行程内拉力、推力均应大于2500 N，作动缸在承受外载荷的前提下运动全行程(24 mm)所需时间不大于0.25 s。鱼雷舵机EHA系统控制电路的固有频率在6 Hz以上，且对应该频率的输出与输入量相比，幅值应衰减-3 dB，相位应滞后90°。

如图4所示，定量泵和伺服电机一定是串联布局的，两者以联轴器相连，而集成阀块和增压油箱不一定要串联，可以跟定量泵并排，以此满足长度尺寸要求。为了减小鱼雷舵机系统的体积，在满足负载力输出前提下，应提高系统压力，选用微量泵和小功率伺服电机。

1.伺服电机 2.联轴器 3.增压油箱 4. 定量泵 5.集成阀块 6.作动筒 7.EHA壳体图4 鱼雷舵机系统的整体示意图

1.2 主要元件选型[8]

1) 电机的计算与选择

EHA工作效率受油液黏度、系统流量、工作压力等多个因素的影响，其总效率大约为70%～85%。根据拉力、推力特性均应不小于2500 N(250 kg)，运动全行程平均速度0.1m/s，则伺服电机功率为：

(1)

式中，P—— 电机的功率，W

F—— 舵机末端推拉力，N

v—— 液压缸运动平均速度，m/s

η总—— EHA的总效率，取75%

选用电机限定功率为340 W,质量约1.3 kg,外形尺寸约110 mm×52 mm×52 mm，其他参数如表1所示。

表1 伺服电机主要参数

2) 液压泵的计算与选择

根据所选定的电机型号，此时液压泵通过联轴器与电机输出轴连接，故输入功率为340 W，额定转矩1.08 N·m，液压泵的规格计算为：

(2)

式中，Vg—— 液压泵的排量，mL/r

p—— 系统压力，MPa

ηv—— 液压泵的容积效率，取90%

根据液压泵所需排量，查阅液压手册选用HYC-MP1F微型液压泵，质量约0.45 kg, 外形尺寸约93 mm×40 mm×40 mm，其相关技术参数如表2所示。

表2 液压泵主要参数

根据上述选型确定系统压力：

3) 液压缸的计算与选择

液压缸的参数选择主要与负载和控制性能有关，目前作动筒直接驱动负载,故可直接确定液压缸的有效面积Ap为：

(3)

式中，F—— 作动器输出力，N

Ap—— 液压缸的有效面积，m2

pL—— 液压缸工作压力，取系统额定压力6.5 MPa

现确定液压缸活塞直径及活塞杆直径,由于：

(4)

式中,D—— 液压缸缸筒内径，m

d—— 活塞杆外径，m

由式(4)得：D≈0.0228 m，按GB/T 2348—2018液压缸缸内径和活塞杆直径系列的要求，并留出一定的安全裕量，选择液压缸缸筒内径D为25 mm，活塞杆外径d为10 mm，此时的液压缸有效面积Ap为412.3 mm2。

出于标准化考虑，按照GB/T 2349—1980选择液压缸行程为25 mm。

2 系统仿真分析

2.1 液压系统建模

在目前所有液压仿真软件中，AMESim因其模块化优势被广泛采用，尤其是液压系统的设计[9]。本研究以鱼雷舵机性能参数为基础，如图5所示，在AMESim仿真软件中建立鱼雷舵机伺服系统模型。

图5 鱼雷舵机伺服系统的建模

2.2 水动力负载模型

转舵机构由鱼雷舵机EHA中的液压缸推动，进而由液压缸带动舵叶转动。舵面在发生角度调整时，并非受到一个恒定的外负载力，也会在水中受到粘滞力。通常当舵叶转到一定角度时，作用在舵面上的铰链力矩[10]可用ML表示为：

ML=Kδ·δ

(5)

式中，Kδ—— 舵面铰链力矩系数

δ—— 舵面转动角度

由式(5)可知，舵面铰链力矩系数和舵面转动角度分别为力矩计算的两个输入值，其中舵面铰链力矩系数与舵叶处的水流速度相关，以常数值K带入；转动角度也可通过位移传感器反馈，且角度改变值与力矩大小为一一对应关系。最终在负载模型中功能函数f(x,y)以恒定水流速度的输入x和舵面转动角度的反馈数值y表达。

2.3 系统参数设置

据于凤辉[7]等研究，液压泵的排量和转动惯量对EHA系统快速性影响较大。伺服电机的动态特性受电磁、机械两部分的影响，而主要影响为机械部分的转子转动惯量，故将液压泵、电机的影响统一计算到模型的转动惯量J中，即：

J总=J电机+J泵+J其他

(6)

式中，J电机—— 伺服电机的转动惯量，参照选型取1.16×10-5kg·m2

J泵—— 微型定量泵的转动惯量，参照选型取0.8×10-5kg·m2

J其他—— 缸和舵叶对转动惯量的影响，设缸和舵叶的重量为1 kg，则:

如表3所示，鱼雷舵机系统的参数设置如下。

表3 参数设置

2.4 系统仿真结果及分析

设仿真时间设置为1.0 s，以0.001 s为一个采样值，在时间域运行仿真。在0.1 s处给定一个阶跃输入信号值0.024 m，鱼雷舵机作动筒末端位移曲线如图6所示，作动筒末端速度曲线如图7所示，鱼雷舵机作动筒频率响应曲线，如图8所示。

(1) 结合图6、图7可知，在模拟计算的工况下，在0.1 s输入信号作用下鱼雷舵机作动筒末端开始克服负载力动作，迅速运动到行程终点。液压缸最大速度为1.6 m/s，当运动到液压缸行程末端时，速度降为0。EHA运动速度满足仿真需求，符合系统设计要求;

图6 鱼雷舵机作动筒末端位移曲线

图7 鱼雷舵机作动筒末端速度曲线

(3) 运用AMESim绘制闭环系统伯德图，将control值设定为位移输入信号,而活塞杆的末端位移设置为observer值, 如图8所示，点击仿真得出频率响应结果。

从幅频特性曲线中可以看出，在带载条件下，幅值衰减-3 dB时幅频特性为16 Hz，相位滞后90°时相频特性为41 Hz，均满足大于6 Hz的要求，保证了鱼雷舵机系统的快速响应，符合系统设计要求。

图8 鱼雷舵机作动筒频率响应曲线

在水动力负载模型中，施加不同铰链力矩系数K值，设置仿真时间为0.5 s，每0.001 s做一次采样，仿真结果如下所示。

从图9、10看出，当舵叶处的水流速度发生变化时，铰链力矩系数以不同常数值K带入，鱼雷舵机作动筒末端位移、速度也随之变化。但通过合理的PID校正环节，其对舵机系统的稳态精度影响基本一致。

图9 不同负载下鱼雷舵机末端位移曲线

图10 不同负载下鱼雷舵机末端速度曲线

3 结论

(1) 对鱼雷舵机的两种工作模式进行研究分析，基于EHA设计了液压伺服系统，并将鱼雷系统中重要组成元件进行计算与选型；

(2) EHA通过调节交流伺服电机的旋转速度,通过联轴器推动微型定量泵运转, 改变进入整个鱼雷舵机的流量，最终控制液压缸活塞的位移或速度运动，实现鱼雷舵面的角度调节,系统结构简单、效率高；

(3) 采用AMESim进行仿真，当作动缸末端位移量在0.021 m趋于平稳时，此时EHA舵机系统受力均大于2500 N，调整时间为0.2 s，且幅频特性为16 Hz，相频特性为41 Hz，均满足大于6 Hz的要求，保证了鱼雷舵机系统的快速响应，对鱼雷舵机的研发有重大理论指导意义。