DDA作动筒抖动现象的研究

DDA作动筒抖动现象的研究
胡嘉琨;胡庆刚;刘斌;刘辉
【摘要】以某型直接驱动式作动器(DDA)为研究平台,针对其试验过程中作动筒出现的抖动现象进行分析并探究原因,同时提出相应的改进措施以解决抖动问题.经过理论分析与AMESim仿真分析,得出作动筒抖动的原因是DDV含有非线性环节.主要在提升电动机输出力、改变配流阀开口方式、提高线圈电阻并增大电气前向增益方面提出改进措施,试验结果表明作动筒无抖动现象.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2019(048)003
【总页数】3页(P229-231)
【关键词】DDA;作动筒;抖动;非线性环节
【作者】胡嘉琨;胡庆刚;刘斌;刘辉
【作者单位】南京机电液压工程研究中心液压与作动系统部,江苏南京211106;航空机电系统综合航空科技重点实验室,江苏南京211106;南京机电液压工程研究中心液压与作动系统部,江苏南京211106;航空机电系统综合航空科技重点实验室,江苏南京211106;南京机电液压工程研究中心液压与作动系统部,江苏南京211106;航空机电系统综合航空科技重点实验室,江苏南京211106;南京机电液压工程研究中心液压与作动系统部,江苏南京211106;航空机电系统综合航空科技重点实验室,江苏南京211106
【正文语种】中文
【中图分类】TH164
0 引言
直接驱动式作动器(以下简称DDA)属于电液伺服作动器范畴，主要包含直接驱动阀(以下简称DDV)、作动筒以及位移传感器，其中DDV主要是由直线电机以及分配滑阀组成。

DDA接收上级系统控制指令，由电机直接驱动滑阀产生位移并分配流量，以驱动作动筒运动，同时由传感器检测并传递阀芯与作动筒的位移信号，形成误差控制。

由于DDV的工作原理以及独特的结构，DDA与传统电液伺服作动器相比具有抗污染能力强、结构简单、体积质量小等优势[1-2]，同时又能够在飞行控制系统中对其进行无差别替代。

作动筒作为DDA的输出级驱动舵面偏转，在DDA验证试验中，出现了作动筒低频抖动的现象，且作动筒抖动会影响作动器的输出性能，进而对飞机产生影响。

因此对此抖动现象进行研究分析并提出相应的改进方案。

1 抖动现象分析
1.1 抖动现象
在半物理仿真试验环境下，通过Simulink搭建控制模型，使用软件进行图形监测来确定作动筒的状态[3]。

图形监测中，线1为作动筒位移信号，并在闭环控制下出现作动筒低频小幅值抖动现象，如图1所示。

图1 作动筒抖动现象
1.2 现象初步分析
作动筒作为DDA的输出机构，抖动会影响作动器的输出性能，因此以“作动筒抖动”作为顶事件，对其进行故障树分析，如图2所示。

作动筒抖动意味着流量波动，而流量波动的原因可能是存在非线性环节或者伺服参数不匹配；非线性环节又可以分为DDV非线性环节和传感器死区。

因此，根据故障树分析结果，作动筒抖
动现象可能由伺服参数不匹配、DDV非线性环节、传感器死区任意一个方面引起。

图2 故障树分析
1.3 原因分析
1) 伺服参数不匹配
DDA伺服回路主要由PID电流环、阀芯位置环以及作动筒位置环组成[4-5]，在AMESim环境下搭建DDA模型，并对模型进行仿真，以确保DDA模型合理正确且伺服参数匹配，具体模型如图3所示。

仿真模型中输入小幅值阶跃指令信号时，作动筒反馈信号如图4所示。

仿真结果表明作动筒位移并未发生抖动，因此排除
伺服参数不匹配的因素。

图3 DDA传递函数模型
图4 DDA模型仿真结果
2) DDV非线性环节
DDV非线性环节包含了死区、滞环等非线性因素，将图3中阀芯二阶环节进行等价转化，以便于对DDV阀芯在二阶振荡环节中存在较大非线性环节的问题进行分析，具体模型如图5所示。

当电机产生的推力小于摩擦力时，阀芯不会产生运动，这是DDV非线性环节产生的原因之一。

因此在加速度积分前增加力死区环节，并将带有非线性环节的主阀二阶振荡环节加入仿真回路。

仿真中，摩擦力非线性参数为±20 N，得到仿真结果曲线如图6所示。

通过比较可以发现仿真结果中作动筒
反馈信号也存在小幅值振荡，振荡时间约为3～4s，与试验中抖动现象相吻合。

图5 DDV非线性环节模型
图6 作动筒抖动仿真结果1
3) 传感器死区
使用AMESim对阀芯位移传感器模型进行仿真。

将传感器死区添加在位置闭环反
馈增益前，同时把带有死区环节的主阀二阶振荡环节加入仿真回路，仿真模型如图
7所示。

得到的仿真结果曲线如图8所示,结果表明作动筒位移信号存在30mV左右大小的振荡，且抖动频率较高，与试验现象并不是完全符合。

因此阀芯位移传感器死区并不是导致作动筒抖动低频小幅值抖动的原因。

图7 传感器死区环节模型
图8 作动筒抖动仿真结果2
通过抖动试验现象以及上述仿真结果对比分析，可以初步认为造成作动筒低频抖动主要原因是DDV存在非线性环节。

2 改进措施
根据上述分析，围绕减小DDV非线性环节或者减轻非线性环节对系统造成的影响这两方面进行改进，具体措施如下：
1) 提高电机输出力
直线电机中铁芯受到电流力、磁钢力、弹簧力、摩擦力、液动力的综合作用，从电机固有特性考虑，提高电机线圈安匝比可以提高电流力，能够减小DDV非线性特性[6-7]。

使用Ansoft软件分别对单线圈250匝、300匝进行在电机极限位置处进行仿真，仿真模型以及仿真结果如图9所示，曲线1为250匝线圈仿真结果，曲线2为300匝线圈仿真结果。

仿真结果表明，250匝线圈电流力梯度比300匝的值要小，250匝线圈线性度在-1.5A～0.9A较好，而300匝线圈线性度仅在-
1A～0.7A之间较好。

一方面，在线性度较好的区间内表示并未到达磁饱和，此区间内电机工作不会出现发热、控制性能下降等现象；另一方面，电机输入额定电流为±0.5A，皆属于两种线圈线性度较好的区间内。

因此当单线圈为300匝时，能够在磁饱和限定条件允许的范围内，提升电流力，即提升电机的输出力，减小DDV的非线性特性。

图9 仿真模型及结果
2) 改变主阀开口形式
从减小DDV非线性环节对于作动器影响的角度考虑，将DDV主阀由零开口更改
为负开口，即阀芯凸肩宽L1大于阀套上方孔宽度L2，有重叠量，则阀芯对阀套方孔的遮盖量为正值，如图10所示。

使用负开口主阀能够减小甚至移除阀芯抖动对作动筒的影响，即使主阀出现小幅值抖动也不会影响下游作动筒流量波动，进而改善作动器的性能。

图10 主阀负开口形式
3) 提高线圈电阻、增大前向电气增益
从作动器伺服控制的角度考虑，适当提高DDV线圈电阻，可以提高DDV线圈电
流环频带，提高系统响应速度[8]；同时增大前向电气增益，能够保证在小误差信
号下，仍可得到较大电流，以克服DDV的非线性。

3 试验验证
通过以上三方面措施进行改进，最终对DDA进行试验验证。

试验结果如图11所示，其中指令信号如线1所示，作动筒采集电压由线2所示。

试验结果表明作动
筒信号在有指令输入后，能够快速跟随指令稳定输出且在此过程中未出现抖动现象。

图11 试验验证
4 结语
在DDA试验中出现了作动筒抖动的现象，经过对此现象理论分析和仿真探究，得出抖动原因为DDV存在非线性环节因素，并针对性地通过提高电机安匝比以提升电机输出力、改变主阀开口方式、提高线圈电阻并重新配置伺服参数的方法进行改进，并进行试验验证，结果表明作动筒不再发生抖动现象，改进措施有效。

参考文献:
【相关文献】
[1] 邱献双. 先进的作动器技术研究[J]. 航空科学技术,2009(4): 6-8.
[2] 姚建庚. 直接驱动式电液伺服阀[J]. 液压与气动,1999(4): 36-38.
[3] 张兵，邓子龙. 基于Simulink的比例阀控液压缸的建模与仿真[J]. 机械制造与自动
化,2016,45(3): 105-108.
[4] 周玉虎,白志红,熊光煜. 直动式电液伺服阀控制系统的建模与仿真研究[J]. 机床与液压,2006(11): 141-142.
[5] 夏立群，张新国. 直接驱动阀式伺服作动器研究 [J]. 西北工业大学学报,2006(3): 308-312.
[6] 叶云岳. 直线电机的原理和运用[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[7] 徐礼林. 直接驱动舵机用直线力电机的驱动力设计分析[J]. 机床与液压,2016(5): 83-86.
[8] 邹伯敏.自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社，2002.。