Elektro-Değişken Deplasmanlı Pompanın Ön Tasarımı için Bir Modelleme ve Simülasyon Yöntemi
Summary
Özellikle bir elektro-değişken deplasmanlı pompanın (EVDP) ön tasarımını destekleyen bir simülasyon modeli geliştirilmiş ve deneylerle kısmen doğrulanmıştır. Kontrol performansı, ömrü, güvenilirliği vb., EVDP ön tasarım görevi kapsamındaki ana performans gereksinimlerini kapsayan önerilen model kullanılarak değerlendirilebilir.
Abstract
Elektro-hidrostatik aktüatörler (EHA’lar) akademide önemli ölçüde araştırılmıştır ve çeşitli endüstriyel alanlardaki uygulamaları genişlemektedir. Değişken hızlı EHA artık değişken deplasmanlı EHA’ya göre öncelik kazanmıştır, ancak tahrik motoru ve ilgili elektronikleri yüksek güçlü uygulamalarda uygulandığında sorunlarla karşılaşmaktadır: düşük dinamikler, yüksek termal dağılım, yüksek fiyat, vb. Bu nedenle, elektro-değişken deplasmanlı pompa (EVDP) ile donatılmış değişken deplasmanlı bir EHA düşünülmüştür. EVDP’nin kendisi, bir pistonlu pompayı, bir vidalı milleri, bir dişli kutusunu ve bir sabit mıknatıslı senkron motoru (PMSM) entegre eden mekatronik bir sistemdir. Sonuç olarak, EVDP’nin bir EHA’da uygulandığında sistem düzeyinde performansını sağlamak için araştırılması gerekir. EVDP’nin teknik parametreleri üzerine yapılan önceki araştırmalara ek olarak, EVDP’yi kullanma maliyetini daha da azaltmak ve performans potansiyelini keşfetmek için özel bir tasarım yöntemi gereklidir. Burada, 37 kW’lık bir EVDP tasarlamak için simülasyon tabanlı bir EVDP ön tasarım yöntemi seçilmiştir. İlk olarak, EVDP’nin daha önce önerilen multidisipliner bir modeli, EVDP ömrü, güvenilirliği, kontrol modelleri vb. dahil olmak üzere parametre üretimini geliştirerek genişletilir. İkincisi, önerilen model küçültülmüş bir prototip kullanılarak kısmen doğrulanır. Üçüncü olarak, EVDP, önerilen model tarafından desteklenen bir sistem düzeyinde simüle edilir. EVDP performansı, belirtilen tasarım gereksinimlerine göre değerlendirilir. Sıcaklık, bant genişliği ve doğruluk, güvenilirlik ve kullanım ömrü vb. EVDP için tahmin edilmektedir. Simülasyon sonuçları, EVDP’nin değişken deplasmanlı EHA’da uygulanabilirliğini göstermektedir. Önerilen modelleme ve simülasyon yöntemi, çeşitli EVDP performansını değerlendirmek ve genel tasarım gereksinimlerine cevap vermek için kullanılabilir. Yöntem aynı zamanda ön tasarım zorluklarının sınırlı bilgi ve sağlamlık açısından çözülmesini de destekleyebilir. Bu nedenle önerilen yöntem, simülasyon tabanlı EVDP ön tasarım yönteminin gerçekleştirilmesi için uygundur.
Introduction
Elektro-hidrostatik aktüatörler (EHA’lar), hem elektrikli aktüatörlerin hem de hidrolik aktüatörlerin avantajlarının birleşimi nedeniyle endüstriyel presler, büyük mobil makineler, vinç manipülatörleri ve birincil uçak kontrolü gibi uygulamalar için artan ilgi görmektedir1. İki temel EHA türü tanımlanabilir: değişken hızlı EHA’lar ve değişken deplasmanlı EHA’lar2. Şu anda, değişken hızlı EHA, daha yüksek verimliliği ve basitliği nedeniyle değişken deplasmanlı EHA’dan daha popülerdir. Bununla birlikte, ağır fırlatma araçları3 ve denizaltılar4 gibi ağır vasıtalarda ihtiyaç duyulan EHA’nın daha yüksek güç seviyesi ile birlikte, değişken hızlı EHA’nın tahrik motoru ve ilgili elektronikleri düşük dinamikler, yüksek termal dağılım, yüksek fiyat vb. İle ilgili sorunlara sahiptir. Bu nedenle, değişken deplasmanlı EHA, bu yüksek güçlü uygulamalar (>30 kW) için yeniden değerlendirilmektedir, çünkü kontrolü pompa değişimini düzenleyen düşük güçlü bir cihaz aracılığıyla gerçekleştirilmektedir.
Değişken deplasmanlı EHA’nın öncelik olarak alınmasını önleyen en büyük endişelerden biri, kendisi de tam bir valf kontrollü hidrolik sistem olan hantal pompa yer değiştirme kontrol ünitesidir. Elektro-değişken deplasmanlı pompa (EVDP), kompakt bir elektrikli deplasman kontrol ünitesi kullanarak bu sorunu çözmek için önerilmiştir. Bu tasarım, önceki zayıflığı belirli bir dereceye kadar çözen değişken deplasmanlı EHA’nın kompaktlığını, verimliliğini vb. Geliştirir. Bu nedenle, yüksek güçlü uygulamalar için değişken deplasmanlı EHA’ların kullanımı, yeni önerilen EVDP kullanılarak kolaylaştırılabilir. Bununla birlikte, EVDP’nin karmaşıklığı, çeşitli yeni disiplinlerden bileşenleri entegre ettiği için geleneksel hidrolik olarak kontrol edilen değişken deplasmanlı pompaya kıyasla önemli ölçüde daha fazladır. Sonuç olarak, EVDP’ye dayalı spesifik araştırma faaliyetleri ortaya çıkmıştır. Araştırma grubumuz EVDP araştırma5’i başlattı ve geliştirmeye devam etti6. Liu, EHA uygulamaları için EVDP’yi geliştirdi ve deneysel testlergerçekleştirdi 7. Bazı hidrolik şirketleri de EVDP ürünleri sunmaktadır. EVDP’nin teknik bileşenleri ile ilgili araştırmalara ek olarak, gerçek başvuru gereksinimlerine cevap vermek için tasarım yöntemi, EVDP’leri kullanma maliyetini daha da azaltarak ve performans potansiyellerini keşfederek EVDP’nin yeterliliğini artırmak için de önemlidir. Bu nedenle, birleştirilmiş disiplinlerini analiz ederek sistem düzeyindeki performansındaki ödünleşimleri optimize etmek için belirli bir EVDP ön tasarım yöntemi gereklidir. Simülasyon tabanlı ön tasarım, mekatronik ürünlerin bu tip multidisipliner kuplajları için ilgi çekicidir8.
Yeni önerilen bir konsept olması nedeniyle EVDP ön tasarımı için belirli bir simülasyon modeli önerilmemiş olsa da, ilgili mekatronik ürünlere çok fazla araştırma yapılmıştır. Ön tasarım9’daki ağırlığı, verimliliği ve kontrol performansını optimize etmek için dinamik bir EHA modeli oluşturulmuştur, ancak ön tasarımda dikkate alınması gereken temel performans endeksleri olan kullanım ömrü, güvenilirlik, termal özellikler vb. Dahil edilmemiştir. Maliyet, verimlilik ve kontrol performansı10’u optimize etmek için başka bir dinamik EHA modeli de kullanılmış ve daha sonra optimize edilmiş EHA11’in termal özelliklerini değerlendirmek için bir termal model geliştirilmiştir, ancak güvenilirlik ve kullanım ömrü dikkate alınmamıştır. Kapsamlı bir elektro-mekanik aktüatör (EMA) ön tasarım yöntemi sunulmuştur12. Bu yöntem için farklı özellikleri analiz edebilen farklı fonksiyonlara sahip özel modeller önerilmiş, güvenilirlik ve ömür boyu modeller de geliştirilmiştir13. Mekanik dayanım, güç kapasitesi, termal performans vb. burada değerlendirilebilir, ancak kontrol performansı söz konusu değildir. Başka bir EMA ön tasarım yöntemi, dinamik bir EMA modeli ve ilgili bileşen boyutlandırma modellerikullandı 14. Maliyet, ağırlık, yorulma ömrü, güç kapasitesi, fiziksel kısıtlamalar vb. simülasyon analizine dahil edildi, ancak güvenilirlik ve kontrol performansı dahil edilmedi. Hidrolik hibrit aktarma organı15’in optimizasyon tasarımı için dinamik bir model önerildi. Güç kapasitesi, verimlilik, kontrol vb. simüle edilebilir, ancak güvenilirlik ve yaşam dikkate alınmadı. EHA tabanlı bir uçuş kontrol çalıştırma sistemini analiz etmek için basit güç iletim denklemlerinin ve ağırlık fonksiyonlarının kullanıldığı modeller önerilmiştir16. Modellerin araç seviyesi ve görev seviyesi analizleri için kullanıldığı göz önüne alındığında, modellerin sınırlı nitelik kapsamı uygundu. EHA’nın önemli bir bileşeni olarak, servo motorlar modelleme ve tasarım konusunda ayrı dikkat çekmiştir ve sonuçlar EHA model geliştirme için de öğreticidir. Termal ağlar, ağırlık modelleri vb. EHA modellemesi17,18,19 için de düşünülebilir. Gözden geçirilen literatür, EVDP ile ilgili ürünlerden elde edilen sonuçlar göz önüne alındığında bile, geliştirilen modellerin ön tasarım için ürünlerin tüm etkili performans özelliklerini analiz etmediğini göstermektedir. Kontrol performansı, termal performans, güvenilirlik ve kullanım ömrü, modellerin yapımında en çok ihmal edilen özelliklerdir. Bu nedenle, bu makale EVDP ön tasarımı için en etkili performans özelliklerini analiz edebilen bir model paketi önermektedir. Model fonksiyonlarını daha iyi göstermek için simülasyon analizi de sunulmaktadır. Bu makale, parametre oluşturmayı geliştirdiği, yaşam boyu modeli, güvenilirlik modelini ve kontrol modelini içerdiği, hesaplama maliyetini optimize ettiği, modeli doğruladığı ve derinlemesine simülasyon analizi yaptığı için önceki bir yayın20’nin bir uzantısıdır.
Değişken deplasmanlı pistonlu bir pompanın geleneksel hidrolik kontrol ünitesi, Şekil 1’de gösterildiği gibi kompaktlığı artırmak ve ısı dağılımını azaltmak için elektrikli bir aktüatör ile değiştirilir. Elektrikli aktüatör bir vidalı mil, bir dişli kutusu ve bir sabit mıknatıslı senkron motordan (PMSM) oluşur. Elektrikli aktüatör, pompa yer değiştirmesini düzenlemek için eğik plakayı bir çubuk üzerinden bağlar. EHA’larda uygulandığında, EVDP eğik plaka dönme konumu, PMSM’yi modüle ederek kapalı döngü olarak kontrol edilir. Elektrikli aktüatör, entegre bir bileşen oluşturmak için karşılıklı bir durumda pistonlu pompa ile entegre edilmiştir. Bu tasarım, elektrikli aktüatörü çalışma sıvısına batırır ve böylece çok alanlı bağlantı etkilerini güçlendirir.
EVDP tipik bir çok alanlı mekatronik ürün olduğundan, ön tasarımı, sistem düzeyindeki performansında ödünleşimleri optimize etmede ve bileşen tasarım gereksinimlerini özetlemede önemli bir rol oynamaktadır. Süreç, simülasyon tabanlı tasarım şeması10,12’ye dayanarak Şekil 2’de gösterilmiştir. Adım 1, öncelikle Şekil 1’de olduğu gibi seçilen EVDP mimarisini analiz eder ve belirtilen performans gereksinimlerine göre tasarım parametrelerini sonuçlandırır. Daha sonra, tasarım görevi genellikle EVDP’nin performans optimizasyonunu keşfetmek için bir optimizasyon problemine dönüştürülür. Bu, tasarım parametrelerini optimizasyon değişkenlerine dönüştürerek ve performans gereksinimlerini hedeflere ve kısıtlamalara dönüştürerek gerçekleştirilir. Tasarım parametrelerinin aktif, güdümlü ve ampirik kategorilere ayrılması gerektiğine dikkat etmek önemlidir. Yalnızca etkin parametreler, bağımsızlık özellikleri nedeniyle optimizasyon değişkenleri olarak kullanılır. Diğer iki kategori, etkin parametrelerden yapılan tahminlerle otomatik olarak oluşturulur. Bu nedenle, Adım 2, güdümlü ve ampirik parametrelerin tahmin modellerini geliştirir. Bu tahmin araçları, optimizasyonun her yinelemesinde ve gerekli tüm simülasyon parametrelerini formüle etmek için Adım 5’te kullanılır. Adım 3, gerekli performansı yansıtan her optimizasyon hedefi veya kısıtlaması için hesaplama modelleri oluşturur. Bu modeller hesaplama açısından verimli olmalıdır; aksi takdirde, optimizasyon hesaplama maliyeti kabul edilemez. Adım 4, genellikle çok amaçlı ve çok disiplinli olan optimizasyon hesaplamasını gerçekleştirir. Ayrıca ön tasarım aşamasındaki parametre belirsizlikleri ile de ilgilenir. Adım 5, tasarlanan EVDP’nin genel bir modelini oluşturur ve EVDP’yi tipik görev döngüleri altında simüle ederek optimizasyon sonuçlarını doğrulamak için kullanır. Bu model, ön tasarım sonuçlarını değerlendirmek için nihai bir araçtır. Bu nedenle, bu model en yüksek sadakate sahip olmalı ve tüm etkili özellikleri sıkı bir bağlantı tarzında içermelidir. Son olarak, ön tasarım performans sonuçları ve sistem düzeyinde boyutlandırma sonuçları elde edilir.
Bu makale, Adım 1’deki parametre analizinin yapılmasını ve Adım 2 ve 5’in tamamlanmasını içeren EVDP’nin sistem modelleme ve simülasyon yöntemine odaklanmaktadır. İlk olarak, tasarım parametreleri EVDP mimarisine ve tasarım gereksinimlerine göre türetilir ve üç alt kategoriye ayrılır. İkincisi, aktif olmayan parametreler için tahmin modelleri, ölçekleme yasalarına, bileşen kataloglarına, ampirik fonksiyonlara vb. Dayanarak geliştirilmiştir. Üçüncü olarak, EVDP’nin genel modeli, multidisipliner bağlantı denklemleri ve ek ömür ve güvenilirlik alt modelleri kullanılarak oluşturulmuştur ve model deneylerle kısmen doğrulanmıştır. Son olarak, önceki boyutlandırma sonuçları, tipik görev döngüleri altında simülasyon analizi gerçekleştirmek için oluşturulmuş modele aktarılır. Sistem seviyesindeki performans, simülasyon sonuçlarına dayanarak çıkarılır. Parametre hassasiyeti ve tasarımın sağlamlığı da değerlendirilir. Sonuç olarak, bu makale EVDP ön tasarımı için özel bir modelleme ve simülasyon yöntemi geliştirmektedir. EVDP’nin EHA’daki uygulama performansı kapsamlı bir şekilde tahmin edilmektedir. Önerilen yöntem, yüksek güçlü uygulamalar için EVDP’ler ve değişken deplasmanlı EHA’lar geliştirmek için pratik bir araç olarak durmaktadır. Yöntem, diğer mekatronik ürün türleri için simülasyon araçları geliştirmek için de kullanılabilir. Bu makaledeki EVDP, elektro-mekanik olarak kontrol edilen değişken deplasmanlı pompaya atıfta bulunmaktadır, ancak elektro-hidrolik olarak kontrol edilen değişken deplasmanlı pompa bu makalenin kapsamı dışındadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
EVDP’nin kavramı ve diğer teknik bileşenleri, EVDP’nin uygulanabilirliğini ve avantajlarını gösteren önceki yayınlarda 6,31 olarak sunulmuştur. EVDP’nin kendisini incelemek yerine, bu makale gelecekteki gerçek uygulama ihtiyaçları ile ilgili tasarım yöntemini incelemeye devam etti. Hassas performans ödünleşimleri ve optimizasyonu gerektiren bu tür yüksek derecede entegre ve çok disiplinli bağlantı ürünü için özel bir tasarım yöntemi …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Pekin Hassas Mekatronik ve Kontrol Enstitüsü’nü bu araştırmayı desteklediği için kabul ediyor.
Materials
| Ball screw | NSK | PSS | |
| EVDP prototype | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | 7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa |
| EVDP testrig | Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls | customized | Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc. |
| Gearhead | Maxon | GP | |
| Matlab | Mathworks | R2020a | |
| Permannet magnet synchronous motor | Maxon | 393023 | |
| Piston pump | Bosch Rexroth | A10VZO | |
| Simcenter Amesim | Siemens | 2021.1 | system simulation platform |
References
- Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives. Energies. 12 (7), 1293 (2019).
- Alle, N., Hiremath, S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. Review on electro hydrostatic actuator for flight control. International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).
- Garrison, M., Steffan, S. Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2006).
- Smith, S., Irving, J. Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles. Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , (2006).
- Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).
- Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator. The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering. 459, 2563-2573 (2018).
- Liu, E. . The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system. , (2015).
- Jean-Charles, M. Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems. Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).
- Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators. Processes. 7, 274 (2019).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems. 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887 (1998).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).
- Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. Optimal preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).
- Liscouët, J., Budinger, M., Mare, J. C. Design for reliability of electromechanical actuators. 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 174-182 (2010).
- Arriola, D., et al. A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators. 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , 166-174 (2016).
- Baer, K., Ericson, L., Krus, P. Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle. International Journal of Fluid Power. , (2018).
- Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio. Energies. 11 (5), 1173 (2018).
- Sun, X., et al. Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications. IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).
- Gerada, D., et al. Holistic electrical machine optimization for system integration. IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).
- Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).
- Han, X., et al. Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump. Scandinavian International Conference on Fluid Power. , 362-374 (2019).
- Liscouët, J., Budinger, M., Maré, J. C., Orieux, S. Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions. Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).
- Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).
- Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Maré, J. C. Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).
- Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. Applicability of pump models for varying operational conditions. ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).
- Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. . Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , (2011).
- Whitaker, S. Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles. AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).
- Li, C., Jiao, Z. Calculation method for thermal-hydraulic system simulation. Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).
- Li, C., Jiao, Z. Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump. Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).
- Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).
- Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).
- Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator. Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. , 612-620 (2022).
- De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems. AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).
- Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties. 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, 136-142 (2014).
- Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems. Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).
