基于AMESim直升机电磁阻尼器建模与仿真.pdf

-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期航空航天传递到飞行员处，其特点是操纵力小、系统增益高、响应灵敏。但是一方面操纵力偏小会一定程度上导致飞行员过快操纵，另一方面直升机机体的振动可能传递到操纵装置上，从而影响飞行安全和飞行员驾驶舒适度。飞行操纵系统中的阻尼器可以提供与操纵运动速率成正比的阻尼反馈力，对直升机操纵线系的运动速度提供一定的阻尼，从而起到限制人工操纵时驾驶员的过猛操纵或自动驾驶仪工作时舵机接受过高电压导致的过速运动，并且对振动的传递起到一定的减缓和阻隔作用，提升了直升机操纵系统的操纵稳定性，保障飞行安全。目前，阻尼器主要有液压阻尼器、电磁阻尼器和摩擦阻尼器，其中前两种阻尼器在直升机上应用较多。与电磁阻尼器相比，飞行员操纵装置中所用的液压阻尼器的操纵力感不够真实，即液压阻尼器所提供的阻尼力基本保持恒定，几乎与速度无关，而真实的操纵感觉是操纵越快、越猛，提供的阻尼力越大。在此方面，电磁阻尼器输出阻尼力大小与输入轴的转速呈线性关系，在力的趋势上较液压阻尼器更为接近真实情况。电磁阻尼器在工作中不需要供电，不需要外部控制，自身形成电磁回路，结构和工作机制简单，运行可靠，日常维护成本低，与液压阻尼器相比有较大优势。电磁阻尼器包含机械、电机和控制元件，可以随操纵速度的不同产生不同的阻尼系数和阻尼力，而且电磁阻尼器的动态特性一定程度上影响整个操纵系统的动态性能，需要在操纵系统设计初期确定电磁阻尼器的方案。仿真模拟作为一种重要的手段可以构建电磁阻尼器的模型，可以直观地观察其原理的可行性并计算分析各个备选方案的阻尼特性和动态特性等关键指标，辅助设计人员确定最优方案和电磁阻尼器零部件的选型。本文基于 AMESIM 软件提出一种直升机操纵系统电磁阻尼器的建模与仿真方法，根据电磁阻尼器的部件组成和工作原理对其阻尼和动态特性等关键设计指标进行仿真分析。电磁阻尼器组成及工作原理电磁阻尼器利用转子相对定子转动时产生的感应电流从而产生阻尼力矩的原理，旋转速度越大，阻尼力矩越大。电磁阻尼器主要由输入轴、剪切销、齿轮组件和电机组件组成。电机是提供阻尼力的主要来源，电机由定子和转子两部分组成。电机的转子随电磁阻尼器输入轴转动，转子绕组切割定子的磁场，绕组产生出感应电流，并且由感应电流激发感应磁场，此磁场阻碍转子绕组与定子磁场间的相对运动，产生出阻尼力矩，此时电机处于发电机的工作状态。另外，可以通过绕组相间的短接电阻调节感应电流的大小，调节了阻尼力的大小。调节电阻大小的功能来自控制电路，控制电路通过解算后的转速信号判断速度限制的时机，并通过减小绕组的短接电阻从而增加感应电流，最终达到增大阻尼力的行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于 AMESim 直升机电磁阻尼器建模与仿真刘 学刘 学中国直升机设计研究所随着直升机技术的不断发展，其安全性和稳定性受到了广泛的关注。直升机操纵系统的设计和性能直接影响到直升机的飞行安全和稳定性。在直升机的设计和制造过程中，操纵系统的设计是至关重要的，需要综合考虑直升机的飞行特性、机载设备和飞行员的操纵需求，以确保直升机具有优秀的飞行性能和安全可靠的飞行操纵系统。直升机飞行操纵系统的动态特性对飞行品质和飞行员的操纵特性有较大影响，操纵系统动态特性的主要指标是带宽和阻尼比。随着直升机操纵系统技术的发展，电传飞行操纵系统已逐渐取代传统的机械飞行操纵方式。与机械操纵系统相比，电传操纵系统中减少了机械杆系，通过杆位移传感器采集飞行员的操纵信号来控制直升机的姿态。因此直升机驾驶舱操纵装置与舵面无机械连接，舵面受到的气动载荷不会中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-36-航空航天目的。电机产生的电磁转矩 Mmech可由式（1）计算：Mmech=KadIa （1）其中 Ka表示电机绕组常数、d表示磁通量，Ia表示转子切割磁感线产生的感应电流。Ia可由式（2）计算：=+aadmaaaEKIRRRR （2）其中 Ra表示线圈电阻，R 表示负载电阻，m表示转子转动速度。因此，电磁转矩 Mmech可以表示为：（3）k 即为阻尼系数。电磁阻尼器的阻尼系数并不一定是固定不变的，可以随操纵速度的不同发生变化，以实现软制动的功能，即操纵速度达到某一临界值时，阻尼力矩会突增的功能。从式（3）可以看到，电磁阻尼器的阻尼系统和电机的固有特性（包括线圈的绕组常数和磁通量等参数）和负载电阻有关，电机的固有特性在电机型号确定后即保持不变。因此通过调节负载电阻的大小来改变电磁阻尼器的阻尼系数。基于 AMESim电磁阻尼器模型构建AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulations of engineering systems）是一种图形化、模块化、多学科工程系统高级建模和仿真平台软件，可以用于建立和模拟液压、气动、电气和机械等多领域系统。AMESim 基于参数和物理元件数学模型，在整个仿真过程中，仿真模型由多个物理元件模型组合而成，每个物理元件模型用形象的图标符号表示且完全参数化。这些图标符号包括工程领域的标准图标，例如液压元件的标准化图标、控制系统的方框图标。在没有这种规范的图形标志的情况下，将采用易于识别的图形标志来描述系统模型。在 AMESim软件平台可以进行仿真模型的稳态性能分析、动态响应分析和频率响应分析，可以获得不同设计参数下电磁阻尼器阻尼系数和动态性能参数。AMESim 仿真平台包含四种模式，分别是草图模式、子模型模式、参数模式和仿真模式，通过上述四种模式的设置可以完成从模型构建到仿真结果分析的全部工作。AMESim的仿真建模过程主要包括下列步骤。定义系统模型：根据目标系统的物理特性和功能要求，选择合适的模型库中的组件和模型进行模型搭建。搭建的模块可以使用 AMESim 自带的模型库，也可以自行编写功能模块进行建模。连接仿真模型组件：将仿真模型包含的各个组件按照系统设计要求连接起来，形成系统的功能拓扑结构。通过连线和端口的连接来实现仿真模型各组件之间的数据传递。设置仿真参数：根据系统的功能原理和实际情况设置仿真模型各组件的详细参数，参数与实际越接近，仿真结果越准确。根据仿真的精度和速度要求，设置仿真时间、仿真步长、求解器类型等参数。运行仿真模型：运行仿真程序，对系统进行仿真计算。在仿真过程中，会根据模型和参数进行计算，得到系统在不同时间点的状态和输出结果。分析仿真结果：根据仿真结果，对系统的功能和性能进行分析和评估。可以通过绘制曲线图、动态图和数据分析等方式，对系统的动态响应、频率响应、稳态性能等指标参数进行分析。优化系统设计：根据仿真结果，对系统的设计进行迭代优化和调整。通过修改模型参数、调整组件连接方式、改进控制策略等方式，改善系统的性能和特性，以满足实际的工作需要。基于 AMESim 的电磁阻尼器模型主要由 5 部分组成（见图 1），分别是速度信号、齿轮组（增速器）、电机组件、负载电阻和剪切销。速度信号模块为操纵机构传递到电磁阻尼器处的运动速度，即电磁阻尼器输入摇臂的转动速度，单位为/s。齿轮组模块起到增速器的作用，由于阻尼器的输入速度一般很小，需要一定的传动比增加电机转子的转动速度来获得合适的阻尼力矩。电机模块是电磁阻尼器仿真模型的核心模块，通过电机转子切割磁场产生阻尼力矩。负载电阻模块根据速度信号切换不同的电机负载电阻，从而根据需要产生不同的阻尼系数。剪切销的功能是防止阻尼器卡滞导致的飞行安全问题，当阻尼器的产生的阻尼力矩超过设计安全值时，剪切销切断，阻尼器与操纵线系的连接断开，阻尼力矩将归零。为了实现电磁阻尼器软制动的功能，在仿真模型的负载电阻模块中设计了电阻转换功能，在速度信号（转动速度）小于 12/s 时电机的负载电阻值为 50 欧姆，大于 12/s时电机负载电阻值切换为 14 欧姆。仿真模型的其余参数设置见下表。仿真参数设置序号名称设置值1转动速度0 18/s2齿轮传动比1863电机转速常数0.207 5Vs/rad4剪切力矩21Nm对于电磁阻尼器阻尼特性仿真分析，模型的输入信号即电磁阻尼器输入轴的转动速度设置为一个斜坡信号，从 0/s 开始，最终增加到 18/s。对于电磁阻尼器阶跃特性仿真分析，模型的输入信号设置为一个阶跃信号。对于电磁阻尼器频域特性仿真分析，采用 AMESim 仿真平台的线性分析功能对仿真模型进行分析，得到并绘制仿真模型的伯德图，从而获得电磁阻尼器的频域特性参数。最后在仿真模式中设置参数，仿真参数主要包括仿真时间和步长。仿真时间设置为 10s，仿真步长设置为 0.01。模型全部参数设置完成后提交计算，可以通过仿真结果分析电输入轴剪切销齿轮组件电机组件图 1 电磁阻尼器结构示意图-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期航空航天1 速度信号2 齿轮组3 电机4 负载电阻5 剪切销图 2 电磁阻尼器 AMESIM 模型使直升机的飞行品质和人机工效满足要求。电磁阻尼器的阻尼特性仿真结果如图 3 所示。电磁阻尼器输入的转动速度小于 12/s 时，阻尼力矩随转动速度的增加成线性上升，阻尼系数是 0.452 1Nm/（/s），在转动速度达到 12/s 时，软制动功能起效，在短时间（0.01s）内，阻尼力矩从 5.4Nm 突增到 14.5Nm，阻尼力矩的突升能够对飞行员的过快操纵起到提示和限制作用。当阻尼力矩大于设定的临界力矩 21Nm 时，剪切销剪断，电磁阻尼器的输入转轴与电机部件脱开，阻尼力矩下降到 0Nm，不再对直升机的飞行操纵起阻尼作用。通过仿真得到阻尼特性曲线可以看到，该电磁阻尼器的设计原理能够满足直升机操纵系统电磁阻尼器的功能需要。动态性能除了阻尼特性，动态特性参数也是电磁阻尼器的关键设计指标。电磁阻尼器的动态性能是指阻尼器对操纵速度响应的能力和响应速度。根据直升机飞行品质规范，为了满足直升机操纵系统的动态特性要求，电磁阻尼器应在阶跃特性和频域特性两方面满足相关指标。阶跃特性是指在系统输入发生突变时，系统输出也会发生突变的性质，对系统的稳定性和性能有着深远的影响。对于阶跃特性，主要评估电磁阻尼器的响应时间、超调量和震荡次数等指标。响应时间是指电磁阻尼器从收到输入速度信号到达稳态所需的时间，超调量是指电磁阻尼器在响应过程中超出目标值的最大偏差。根据直升机飞行品质规范对操纵系统的要求和操纵系统对电磁阻尼器的指标分配，电磁阻尼器应满足稳定时间小于 0.1s，超调量小于 10%，震荡次数不超过 1 次。通过给电磁阻尼器仿真模型一个阶跃速度信号输入可以得到图 4的电磁阻尼器阶跃特性曲线。通过节约特性曲线可以看到，电磁阻尼器的稳定时间 0.007s，无超调和震荡，能够满足直升机操纵系统对于电磁阻尼器的阶跃特性要求。电磁阻尼器的频域特性描述了电磁阻尼器在频率域内的响应特性，即电磁阻尼器对不同频率的输入信号的响应情况。频率特性主要分析的指标是相位带宽和幅值带宽。电磁阻尼器的动态特性指标定义是相位带宽表示相位滞后 45时的频率，幅值带宽表示幅值衰减 3dB 时的频率。通过 AMESim 仿真平台中的线性分析功能可以得到图 5 的仿真结果。通过仿真结果可以看出，电磁阻尼器的相位带宽和幅值带宽均远远大于操纵系统要求的 10Hz，因此阻尼器的频域特性同样能满足要求。结语本文提出了一种基于 AMESim 仿真平台分析计算直升机电磁阻尼器阻尼特性和动态性能的方法。首先根据电磁阻尼器的工作原理和系统组成，应用 AMESim 仿真平台的相关功能模块构建电磁阻尼器的仿真模型，对电磁阻尼器仿真模型包含的各功能组件的详细参数进行设置，对电磁阻尼器仿真模型进行了分析计算，得到并绘制了电磁阻尼器阻尼特性曲线和动态性能曲线，将仿真结果与设计要求进行对比，验证电磁阻尼器设计方案是否满足设计需求和相关技术规范。基于 AMESim直升机电磁阻尼器的建模与仿真有助于设计人员分析不同参数下电磁阻尼器的功能和性能，以确定电磁阻尼器的关键参数、选型电磁阻尼器的系统部件，并验证电磁阻尼器设计方案的可行性，有助于电磁阻尼器设计方案的优化迭代。图 3 阻尼特性曲线图 5 频域特性曲线图 4 阶跃特性曲线磁阻尼器的阻尼特性和动态性能等指标。仿真结果与分析阻尼特性阻尼特性是电磁阻尼器的关键参数，描述了阻尼器的输入速度和输出阻尼力矩的关系。合适的阻尼特性既能限制飞行员的操纵速度保障飞行安全，也能够给飞行员提供合适的操纵力感，并能减缓直升机机体振动对操纵系统的不良影响，