CN211343531U - 一种泵阀联合控制的电动静液作动器 - Google Patents

Abstract

一种泵阀联合控制的电动静液作动器包括旋转直接驱动式电液压力伺服阀、控制器、功率驱动单元、无刷直流电动机、液压泵、单向阀、蓄能器、过滤器、旁通阻尼阀、安全阀、开关阀、液控单向阀、作动筒、压力传感器、电流传感器、位移传感器、转速传感器等元件。其集泵控和阀控的优点于一体，兼顾效率与频响，有效解决了电动静液作动器电动机换向时转子的惯性问题；同时有效解决了现有技术中电动静液作动器O型中位机能来锁紧回路时的泄露问题。该专利既能提高***可靠性，又能保证***响应快速性。

Description

一种泵阀联合控制的电动静液作动器

技术领域

本发明涉及作动器，属于飞机航空机电液伺服控制技术。

背景技术

飞机飞行时由舵面控制，而飞机舵面由作动器控制。作动器是飞机实施振动主动控制的关键部件，主要作用是按照确定的控制规律对飞机施加控制力，是主动控制***的重要环节。

传统的机载作动***通过液压传动方式将功率由动力源传递至作动筒，即所谓的功率液传PBH(Power-By-Hydraulic)。功率液传***响应快、功率大、并且具有优良的自润滑性，但是由于液压油在高温高压下易燃易爆，并且质量较大，极大影响了飞机性能。

70年代后期，新材料以及新技术的出现促进了功率电传PBW(Power-By-Wire)作动***的发展。功率电传是指通过电导线将功率由飞机第二能源***传递至作动***各执行机构。功率电传形式的作动***具有改善飞机的可维修性、***布局灵活性大、减少液压油燃烧的可能性以及提高飞机受损后的生存能力等优点。

目前，功率电传（PBW）作动器向电动静液作动器（EHA)和机电作动器（EMA）方向发展，而本发明涉及电动静液作动器（EHA)。

典型的EHA***如附图1所示，为变转速定排量型，即通过改变无刷直流电动机的转速和方向来控制液压泵的输出流量与流向，从而产生负载压力驱动舵面偏转。无刷直流电动机对于作动筒的响应速度起着决定性作用。但无刷直流电动机的转子具有较大的转动惯量，因此，换向不能及时且准确完成，使得飞机的飞行性能受到影响。

目前普通的电液压力伺服阀普遍采用两级伺服阀结构，第一级实现电液转换和功率放大，第二级都为滑阀功率放大部分。第一级液压放大部分一般采用喷嘴-挡板结构，少数采用射流管式。喷嘴-挡板式压力伺服阀虽性能优良，但使用条件苛刻，抗污染能力较弱；射流管式压力伺服阀抗污染能力较强，但其内漏大，力矩马达焊接数太多，抗振动零漂能力差。本发明所采用的旋转直接驱动电液压力伺服阀，市面已有样品，如原佳阳、訚耀保、陆亮、方向、郭生荣，发表于2018年第54卷第16期《机械工程学报》的论文“旋转直接驱动式电液压力伺服阀机理及特性分析”，以及原佳阳、訚耀保、陆亮、方向、夏飞燕发表于2018年第46卷第2期《同济大学学报(自然科学版)》的论文“旋转直接驱动电液压力伺服阀稳定性分析”都提到了该阀。该阀具有高可靠性、高抗污染能力和高动态响应等优点，克服了普通电液压力伺服阀的以上缺点。

目前电动静液作动器普遍采用O型中位机能来锁紧回路，密闭性差。O 型中位机能使得执行元件的进出油口处于封闭状态，因而此类换向阀可实现锁紧功能。但这类换向阀多为滑阀结构，不可避免地存在泄漏，停止时间较长时，可能产生松动使得液压缸活塞发生少量漂移，锁紧效果较差，影响飞机的飞行性能，因此此类回路多适用于锁紧精度要求不高、锁紧时间较短的场合。

发明内容

本专利的目的是解决现有技术中电动静液作动器电动机换向时转子的惯性问题，提出一种集泵控和阀控的优点于一体，兼顾效率与频响；同时有效解决了现有技术中电动静液作动器O型中位机能来锁紧回路时的泄露问题，既提高了***可靠性，又保证了***响应快速性。

为实现上述目的，本专利一种泵阀联合控制的电动静液作动器***具有三种工作模式：

①泵主控模式

无论旋转直接驱动式电液压力伺服阀处于上位还是下位，电动静液作动器作动筒的运动由双向液压泵与新型液压锁结合进行控制，通过电动机转子的速度和方向来控制双向液压泵进油、回油方向从而控制作动筒的运动方向以及运动速度快慢；当作动筒运动到位后，开关阀接受控制器信号开启，作动筒进回油路短路，新型液压锁控制油路因无压力而关闭，此时液压锁锁紧回路；

②阀主控模式

该工况下，电动静液作动器作动筒的运动由旋转直接驱动式电液压力伺服阀与新型液压锁结合控制。无论液压泵进出油口的油液方向如何，实际工作中液压泵输出液压油流量的大小和方向不变，作动筒的运动方向通过旋转直接驱动式电液压力伺服阀换向即可进行控制；作动筒的位移由伺服阀的阀口开口度大小进行控制；当作动筒运动到位后，控制器控制开关阀开启，作动筒进回油路短路，新型液压锁控制油路因无压力而关闭，此时液压锁锁紧回路；

③泵阀协调控制模式

该模式为以上两种模式的结合，电动静液作动器作动筒的运动由液压泵和旋转直接驱动式电液压力伺服阀协调控制，并用新型液压锁锁定作动筒位置。作动筒的运动速度由液压泵的输出流量控制，作动筒的运动方向通过伺服阀换向进行控制；当作动筒运动到位后，控制器控制开关阀开启，作动筒进回油路短路，新型液压锁控制油路因无压力而关闭，此时液压锁锁紧回路。

本发明带来的有益效果：

本发明可由定量双向液压泵和旋转直接驱动式电液压力伺服阀联合控制***输出流量，进而控制作动筒的运动速度，以满足飞机的不同飞行状态。本发明可大大克服采用无刷直流电动机进行作动器换向时的惯性，降低了直流电动机的损耗，提高了***与作动器动作响应速度。

本发明具有3种可选工作模式，控制余度大；采用二位四通旋转直接驱动式电液压力伺服阀替代原三位四通伺服阀控制作动器，降低了***复杂性，降低了***成本以及定位时液压油泄露导致的作动筒松动，提高了作动筒定位时的精度；结构简单，控制更方便;

相比现有***，整体的控制余度增加，作动筒定位更精准稳定，增强了***的安全性。

附图说明

图1是典型EHA的原理图；

图2是本发明泵阀联合控制的电动静液作动***的原理图。

图中， 1、直流电动机 2、液压泵 3、单向阀 4、蓄能器 5、过滤器 6、安全阀7、电液压力伺服阀 8、开关阀 9、阻尼旁通阀 10、作动筒 11、控制器 12、功率驱动单元 13、电流传感器 14、阀芯位移传感器 15、压力传感器 16、作动筒位移传感器 17、转速传感器 18、液压缸、19、液控单向阀。

具体实施方式

如图2所示一种泵阀联合控制的电动静液作动器，该***包括直流电动机1、液压泵2、单向阀3、蓄能器4、过滤器5、安全阀6、电液压力伺服阀7、开关阀8、阻尼旁通阀 9、作动筒10、控制器11、功率驱动单元 12、电流传感器 13、阀芯位移传感器14、压力传感器 15、作动筒位移传感器16、转速传感器 17、液压缸18、液控单向阀19等；其中：所述的电液压力伺服阀7为两位四通阀，驱动方式为旋转直接驱动式；所述的开关阀8为常开式高速开关阀且为两位两通阀，连接在作动筒10进回油口两端；高速开关阀8通过控制器11来控制新型液压锁控制油路压力的有无，以此实现控制新型液压锁的启闭，进而控制作动筒10的启停。所述的新型液压锁包含两个液控单向阀19以及两条控制油路K，并与高速开关阀8相配合。当液压缸18不需要锁紧时，高速开关8阀处于断开状态，液控单向阀19的控制油路K有压力，液控单向阀19打开，液压油可双向流动；当液压缸18需要锁紧时，高速开关阀8闭合，作动筒10两端进回油口短路，此时液控单向阀19的控制油路K没有压力，液压油不能反向流动，液压缸10被锁紧。

图2所示的工作原理，EHA的进出油口与作动筒10相连，实现对作动筒10的输出位置和速度进行调节的目的；控制器11接收上级飞控计算机的控制指令，通过控制算法计算出输出信号传递给功率驱动单元12；功率驱动单元12依照输入信号给直流电动机1输出相应电功率，调节直流电动机1的转速和转向，直流电动机1进而带动双向液压泵2旋转；同时功率驱动单元12输入信号给旋转直接驱动式电液压力伺服阀7，调节旋转直接驱动式电液压力伺服阀7工作位置的切换以及阀口节流口面积的大小，以调节***内流量；油液进入作动筒10的容腔，最终实现了对作动筒10输出位置和速度的调节。由于EHA属于闭式液压***，***内油液需保持平衡，通过设置单向阀5和蓄能器4来控制***的泄油和补油，避免***出现气穴；阻尼旁通阀9用于隔离作动筒10与EHA的连接，以保证该通道EHA能顺利与作动筒10脱离，使作动筒10能够进入随动状态；安全阀6用于过压保护，避免异常状态下***压力过高造成的危害；新型液压锁包含两个液控单向阀19以及两条控制油路K，并与高速开关阀8相配合，可在作动筒10需要定位时，锁定作动筒10。转速传感器17用于反馈直流电动机1的转速和方向，供控制器11进行实时控制和状态监测；电流传感器13用于反馈直流电动机1的工作电流，供控制器11进行实时控制和状态监测；阀芯位移传感器14用于反馈旋转直接驱动式电液压力伺服阀7的工作位移，供控制器11进行实时控制和状态监测；压力传感器15用于反馈作动筒10相应容腔内的工作压力，供控制器11进行实时控制和状态监测；作动筒位移传感器16用于反馈作动筒10的工作位移，供控制器11进行实时控制和状态监测。

结合飞机在空中飞行时的实际工作情况描述如下:

把飞机在空中飞行时划分为三个阶段：正常飞行阶段、高机动飞行阶段、起飞与着陆阶段；现逐一对该三种情形进行阐述：

1 正常飞行阶段

在飞机处于滑行与一般巡航阶段时，对于舵面作动响应要求较低，控制器11接受飞行控制计算机指令，使旋转直接驱动式电液压力伺服阀7处于上位，并不再换向，EHA工作于泵控状态。传感器检测得到的作动筒位移、无刷直流电动机的转速和电流以及双腔压力信号传送到控制器11，控制器11根据以上信号综合生成控制信号来调节直流电动机1的转速以及转向，此时双向液压泵2在直流电动机1的带动下输出压力油送至作动筒10，从而控制作动筒10位移;

旋转直接驱动式电液压力伺服阀7接受控制器11输出的控制信号处于上位，并不再换向。当液压缸18的活塞杆需要伸出时，直流电动机1接受控制器11输出的控制信号顺时针转动，其活塞杆移动速度的快慢由直流电动机1转子的转速决定，当转子转速越快，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要缩回时，直流电动机1接受控制器11输出的控制信号逆时针转动，其活塞杆移动速度的快慢由直流电动机1转子的转速决定，当转子转速越快，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要定位时，作动筒位移信号以及双腔压力信号会反馈到控制器，控制器11发出信号给开关阀，使高速开关阀8闭合，***油路短路，液控单向阀19因控制油路K的压力立即消失而关闭，液压缸18也因两腔油路被封闭而被双向锁紧，此时液压锁起到锁紧回路的作用。

2 高机动飞行阶段

在飞机处于高机动巡航与战斗阶段时，飞行控制***对舵面的操纵频繁，首要目的是完成飞行任务，对作动效率要求较低。此时控制器11接受指令使直流电动机1以最高转速单方向旋转，双向液压泵2相当于液压油源；通过旋转直接驱动式电液压力伺服阀7的阀芯移动来控制油液的流量和流向，使EHA 工作于阀控状态，此时***具有较高的响应速度，但效率较低。

具体而言，直流电动机1接受控制器11输出的控制信号以最高速度顺时针旋转。当液压缸18的活塞杆需要伸出时，旋转直接驱动式电液压力伺服阀7接受控制器11输出的控制信号处于上位，并不再换向，其活塞杆移动速度的快慢由阀芯位移决定，阀芯位移越大，阀口通流截面积越大，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要缩回时，旋转直接驱动式电液压力伺服阀7接受控制器11输出的控制信号处于下位，并不再换向，其活塞杆移动速度的快慢由阀芯位移决定，阀芯位移越大，阀口通流截面积越大，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要定位时，作动筒位移信号以及双腔压力信号会反馈到控制器11，控制器11发出信号给高速开关阀8，使高速开关阀8闭合，***油路短路，液控单向阀19因控制油路的压力立即消失而关闭，液压缸18也因两腔油路被封闭而被双向锁紧，此时液压锁起到锁紧回路的作用。

3 起飞与着陆阶段

在飞机处于起飞与着陆阶段时，要求作动***有较高的稳定性与精确度，同时具有一定的响应速度。DSP 控制器11接受指令使 EHA 工作于泵阀协调控制状态。此时直流电动机1只调节转速大小来满足负载流量的需求，通过控制旋转直接驱动式电液压力伺服阀7的正负向位移改变液压油的流向。这样既避免了无刷直流电动机1换向时的大惯量，又不会产生过高的节流与泄漏损失，兼顾频响与效率。

具体而言，当液压缸18的活塞杆需要伸出时，旋转直接驱动式电液压力伺服阀7接受控制器11输出的控制信号处于上位，并不再换向，其活塞杆移动速度的快慢由直流电动机1转子的转速决定，当转子转速越快，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要缩回时，旋转直接驱动式电液压力伺服阀7接受控制器11输出的控制信号处于下位，并不再换向，其活塞杆移动速度的快慢由直流电动机1转子的转速决定，当转子转速越快，活塞杆移动速度越快，反之越慢。当液压缸18活塞杆需要定位时，作动筒位移信号以及双腔压力信号会反馈到控制器11，控制器11发出信号给高速开关阀8，使高速开关阀8闭合，***油路短路，液控单向阀19因控制油路K的压力立即消失而关闭，液压缸18也因两腔油路被封闭而被双向锁紧，此时液压锁起到锁紧回路的作用。

Claims (4)

1.一种泵阀联合控制的电动静液作动器，其特征在于：包括旋转直接驱动式电液压力伺服阀、控制器、功率驱动单元、无刷直流电动机、液压泵、单向阀、蓄能器、过滤器、旁通阻尼阀、安全阀、开关阀、液控单向阀、作动筒、压力传感器、电流传感器、位移传感器、转速传感器；

旋转直接驱动式电液压力伺服阀：包括电子控制器、有限转角力矩电机、偏心驱动机构、功率滑阀副和相关传感器组成；

该阀通过偏心驱动机构将力矩电机旋转运动转化为功率阀芯的直线运动，改变进回油节流面积比，进而确定伺服阀的输出压力；

控制器：可接收上级飞控计算机的控制指令，通过控制算法计算出输出信号传递给功率驱动单元；

功率驱动单元：按照输入信号给无刷直流电动机输出相应电功率，调节无刷直流电动机的转速和转向；

无刷直流电动机：根据功率驱动单元的指示，调节不同的转速以及转向，进而控制双向液压泵输出流量的大小以及液压油流动的方向；

液压泵：为定量双向柱塞泵，由无刷直流电动机带动，根据各种飞行条件的不同，输出液压油的流量和方向也不同；

单向阀：只允许液压油单向流动；

蓄能器：与单向阀相配合，为整个控制***补油以及泄油，防止控制***出现空穴；

过滤器：过滤掉控制***液压油中的杂质，使***的油液保持一定的清洁度，从而保证液压元件以及液压***安全可靠的工作；

安全阀：利用阀口的溢流，使所述***压力维持恒定，在***压力过高时，可实现调压、限压和稳压，因电机可正反转，故***有两个安全阀；

旁通阻尼阀：当***发生故障时打开，将液压油返回到吸油口，起到短路的作用；

开关阀：与两个液控单向阀相配合，组成新型液压锁；

新型液压锁：包含两个液控单向阀以及两条控制油路，并与开关阀相配合组成新型液压锁；

作动筒：所述作动筒为电动静液作动器的执行机构；

其内部含一个对称的液压缸，该液压缸为平衡缸，它的输入和输出流量相等；

压力传感器：检测作动筒压力，并实时反馈给控制器，供控制器进行检测和控制；

位移传感器：检测作动筒位移以及旋转直接驱动式电液伺服阀的阀芯位移，并实时反馈给控制器，供控制器进行检测和控制；

电流传感器：检测无刷直流电动机的工作电流，并实时反馈给控制器，供控制器进行检测和控制；

转速传感器：检测无刷直流电动机的工作转速，并实时反馈给控制器，供控制器进行检测和控制。

2.如权利要求1所述的泵阀联合控制的电动静液作动器，其特征在于：所述的***控制方式有以下三种：

①泵主控方式

电动静液作动器作动筒的位移完全由液压泵进行控制，作动筒位移的快慢由液压泵输出流量的大小进行调控，作动筒位移的方向由液压泵正反转控制；

②阀主控模式

电动静液作动器作动筒的位移完全由旋转直接驱动式电液压力伺服阀进行控制，作动筒位移的快慢由旋转直接驱动式电液压力伺服阀的阀口通流面积进行调控，作动筒位移的方向由旋转直接驱动式电液压力伺服阀的工作位控制；

③泵阀协调控制方式

电动静液作动器作动筒的位移由液压泵和旋转直接驱动式电液压力伺服阀协调进行控制，作动筒位移的快慢由液压泵输出流量的大小进行调控，作动筒位移的方向由旋转直接驱动式电液压力伺服阀的两个工作位控制。

3.如权利要求1所述的泵阀联合控制的电动静液作动器，其特征在于：所述的新型液压锁由两个液控单向阀、两条控制油路以及开关阀组成；

所述泵阀联合控制的电动静液作动器中的新型液压锁的作用为：当作动筒需要定位时，由液压锁锁定作动筒油路，保持活塞杆位置不变；

且其密封性好，液压油泄露少，使控制***更精确；

其控制方式如下：

当作动筒不需要定位时，开关阀处于关闭状态，控制油路因有压力使液控单向阀打开，液压油可双向流动，此时液压锁不起锁紧回路作用；

当作动筒需要定位时，控制器发出信号给开关阀，使开关阀工作位换向，***油路短路，液控单向阀因控制油路压力的消失而关闭，液压缸也因两腔油路被封闭而被双向锁紧，此时液压锁起到锁紧回路的作用。

4.如权利要求1所述的泵阀联合控制的电动静液作动器，其特征在于：所属的旋转直接驱动式电液压力伺服阀为二位四通阀，其通过偏心驱动机构将力矩电机旋转运动转化为功率阀芯的直线运动，改变进回油节流面积比，进而确定伺服阀的输出压力；

该阀具有高可靠性、高抗污染能力和高动态响应的优点，克服了普通电液压力伺服阀的内漏大、抗污染能力差、抗振动零漂能力差的缺点。

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