， ， ， (北京航空航天大學 流體傳動與控制技術研發(fā)中心， 北京　100191)

引言

液壓是現(xiàn)役飛機各種作動功能的主要能源形式，軍民領域都有非常豐富的設計制造使用維護經(jīng)驗。傳統(tǒng)的飛機液壓能源系統(tǒng)為集中式供油系統(tǒng)，為安全起見，飛機上一般都裝有兩套(或多套)相互獨立的主液壓系統(tǒng)，對一些重要操縱部位則安裝有應急泵源系統(tǒng)，采用相似余度(2、3、4余度)作動器來提高飛機的故障安全能力。飛機液壓能源的泵有作為主液壓能源的發(fā)動機驅(qū)動泵(EDP)、作為應急液壓能源的電動泵(EMP)和沖壓空氣渦輪驅(qū)動泵(RAT)，以及作為備份泵的輔助動力裝置驅(qū)動泵。一般在兩個主液壓系統(tǒng)的管路之間，還設有液壓動力轉(zhuǎn)換組件(PTU)，互為余度并相互隔離。先進的飛機液壓能源系統(tǒng)以B787F35和空客A380A400M為代表，它們均采用了35 MPa的壓力等級，與21 MPa相比液壓系統(tǒng)重量有大幅度降低。A380A400M軍用運輸機采用兩套主液壓系統(tǒng)，每套系統(tǒng)中又分別包括兩個EDP和一個EMP，通過加大EMP功率減少EDP功率來提高飛機發(fā)動機的綜合效率，并通過使用EBHA來提高余度可靠性。F35的主飛控作動系統(tǒng)全部采用了功率電傳作動器，而剎車系統(tǒng)采用了全電方案。

多電飛機采用電力系統(tǒng)部分取代原來的液壓、氣壓和機械驅(qū)動系統(tǒng)，力圖使飛機的次級功率系統(tǒng)盡可能多地用電的形式進行分配，如圖1所示。

圖1　多電飛機架構(gòu)圖

目前，功率電傳集成作動系統(tǒng)已成為航空航天航海領域研究的熱點之一，它通過電導線以電能量的方式完成二次能源系統(tǒng)到各執(zhí)行機構(gòu)之間的功率傳輸，它是飛機艦船火箭導彈等運載器多電化的重要標志。機電液控集成一體化是當前液壓系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。集成電動靜液作動器EHA已經(jīng)在A380、 A400M、B787、F35等飛機上得到初步應用，產(chǎn)生了巨大反響和經(jīng)濟效益，為航天運載火箭、輪船艦艇及冶金自動化生產(chǎn)線等領域的應用指明了方向。與傳統(tǒng)液壓作動系統(tǒng)[1]相比，安全性好、效率高、更加可靠和易于維護。采用功率電傳伺服作動系統(tǒng)，可以提高飛機的戰(zhàn)場生存能力，提高飛機的可靠性以及可維護性，是下一代戰(zhàn)斗機和干線飛機主要作動系統(tǒng)形式[2，3]。本研究以航空航天航海等運載器上迫切應用的功率電傳集成電動靜液作動系統(tǒng)的理論和技術為主線，介紹系統(tǒng)原理、闡述所涉及的主要理論和面臨技術挑戰(zhàn)。

1　飛機作動系統(tǒng)

1.1　 飛機作動系統(tǒng)現(xiàn)狀

飛機作動系統(tǒng)包括飛機姿態(tài)控制作動系統(tǒng)，如主/次飛控作動系統(tǒng)、擾流板作動系統(tǒng)、減速板作動系統(tǒng)、前后緣作動系統(tǒng)等；飛機起降系統(tǒng)，如起落架收放作動系統(tǒng)、艙門啟閉支護作動系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎伺服作動系統(tǒng)、剎車伺服作動系統(tǒng)等；以及武器艙門啟閉作動系統(tǒng)、發(fā)動機反推作動系統(tǒng)等等。目前，在絕大多數(shù)飛機上應用的是液壓作動系統(tǒng)，主/次飛控作動、前輪轉(zhuǎn)彎、剎車基本上是電傳操縱的電液伺服作動系統(tǒng)，某些次飛控作動、起落架收放、艙門啟閉支護作動等采用電磁開關閥控制液壓傳動系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟。由于傳統(tǒng)節(jié)流控制電液伺服作動系統(tǒng)核心元件“電液伺服閥”故障率較高、效率較低、使用維護成本很高，且需要通過較長液壓管路傳輸液壓能，導致飛機戰(zhàn)傷生存率較低，振動脈動引起的次生災難可能性大。因此歐美為了克服上述缺點通過若干專項計劃，如20世紀90年代初美國國防部的電力作動器設計計劃EPAD(Electrically Powered Actuation Design)，英國的完全集成多電系統(tǒng)TIMES(Totally Integrated More Electric System)計劃等，研制成功了功率電傳電動靜液作動器(EHA)和機電作動器(EMA)，已在多款軍用飛機和民用飛機上進行了大量飛行實驗，并在空客A380、A400M、A350、波音787和美軍F-35等飛機上進行了實際應用，使用結(jié)果表明，可以有效提升飛機的整體性能[4～7]。

國外從20世紀60年代就開始功率電傳作動器的相關研究，主要包括：美國的Moog公司、Parker公司、Lookheed-Martin公司、TRW公司、MPC公司、美國空軍研究所等；歐洲的Goodrich公司、Liebherr公司、Lucas公司、Smith公司、德國Hamburg-Harburg大學、法國INSA-Toulouse大學、英國Sheffield大學、瑞典Link?ping大學、瑞典皇家理工學院(KTH)等以及加拿大、日本等國家的研究機構(gòu)。其中Moog、Parker、Goodrich和Liebherr等公司已形成EHA和EMA作動器系列產(chǎn)品。MOOG公司為聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機F35提供了起落架用EMA，Parker公司提供了主飛控舵面所有EHA，包括襟副翼、水平尾舵和方向舵，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機F-35與采用傳統(tǒng)集中液壓能源功率管傳的方案相比，F(xiàn)-35的飛控系統(tǒng)整體減重達40%，減輕大約320 kg，項目的壽命期成本可降低2%～3%，表現(xiàn)出了非常優(yōu)良的減負增載特性。“HEAT”項目，在直升機上首次提供了包括EMA的全電主飛行控制系統(tǒng)，使直升機上去掉了主/輔液壓系統(tǒng)、副齒輪箱和機械飛行控制系統(tǒng)的很大部分，簡化了飛機構(gòu)型，降低了重量和成本，提高了可靠性、生存性和安全性[7，8]。國內(nèi)方面，從20世紀80年代末開始，北京航空航天大學流體傳動與控制技術研發(fā)中心先后進行了集成電動靜液作動器和集成直驅(qū)式機電作動器原理、理論、關鍵技術、原理樣機和工程樣機的研制，并對其關鍵元部件——高效高壓大功率直流無刷電機及其控制器、融合式電液泵、電動伺服變量泵等進行了攻關，取得了豐碩成果。由于功率電傳技術的巨大優(yōu)勢，國內(nèi)其他院校及研究所也在積極開展這方面的研究。

1.2　作動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

(1) 高度集成化飛機作動系統(tǒng)將沿著兩個主線方向繼續(xù)向前發(fā)展，第一條主線是在現(xiàn)有集中供油體系下，伺服作動系統(tǒng)向非相似余度結(jié)構(gòu)、直驅(qū)式伺服閥控制、使用復合材料減重、伺服閥及其伺服控制器與作動筒高度集成等趨勢發(fā)展；第二條主線是沿著多電化功率電傳作動技術方向發(fā)展，EHA高度集成化將成為未來趨勢；將伺服放大控制器集成于伺服閥內(nèi)且具有總線接口、位移傳感器集成于液壓作動筒內(nèi)甚至融合設計為檢測做功雙功能一體化的作動器、伺服閥與液壓缸一體化集成融合設計。

(2) 少余度非相似結(jié)構(gòu)采用直驅(qū)式噴嘴擋板伺服閥和耐污染的射流管伺服閥，伺服放大控制器內(nèi)也采用非相似余度技術，這樣可以用較少余度，如將原來的4余度作動器改成3余度，3余度改成2余度，能夠有效避免共模故障；部分重要舵面采用SHA/EHA/EMA構(gòu)成非相似三余度作動器。

(3) 輕量化采用碳纖維復合材料制造液壓作動筒可以大大減輕作動筒重量；采用高壓可以縮小液壓缸的有效作用面積進而縮小液壓作動筒的體積重量；采用高強復合材料纖維編織液壓軟管外層套，既提高了軟管的柔性，便于安裝連接又提高了強度，減輕了重量。

(4) 多電化功率電傳化未來飛機將大量采用功率電傳集成一體化作動器EHA/EMA[9]。

2　集成電液作動系統(tǒng)的組成原理、理論研究

2.1　集成電動靜液作動系統(tǒng)的組成原理

集成電動靜液作動系統(tǒng)兼具電力傳輸與液壓作動的雙重優(yōu)點；功率傳輸可以實現(xiàn)遠距離低損耗，輸出速比、輸出力比可以很大，且可以無級調(diào)速，自抗過載以及自潤滑。新型集成一體化電動靜液作動器是指采用功率電傳技術和容積調(diào)速原理，將作動系統(tǒng)能量源和輸出執(zhí)行機構(gòu)集成在一起的一種新型作動器，又稱為電動靜液作動器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)，有三種基本工作原理，如圖2所示。

圖2　EHA的三種工作原理

集成電動靜液作動系統(tǒng)由EHA控制器、電機驅(qū)動模塊、液壓泵、增壓油箱及輔助單向閥組、安全閥組、模式選擇閥、作動筒、管路閥塊等組成，系統(tǒng)接受上位機的控制指令，并接受檢測電流信號、轉(zhuǎn)速信號、液位信號、負載壓力信號、位移信號的反饋信號，電動機按照EHA控制器和伺服驅(qū)動模塊發(fā)出的驅(qū)動控制信號正反向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動液壓缸正反向運動，模式選擇閥按EHA控制器發(fā)出的開關信號進行動作，實現(xiàn)液壓缸與泵源部分的隔離。

盡管基本工作原理幾十年前已經(jīng)被提出，但是用于容積式位置伺服控制尤其是高性能的伺服控制還只是近十幾年才實現(xiàn)的，主要是基于不斷發(fā)展的液壓元部件、電動機技術、微型計算機軟硬件技術、控制理論和大功率電力電子技術等的不斷完善。這種典型的閉式容積調(diào)節(jié)電液位置伺服系統(tǒng)，電動機按照EHA伺服控制器發(fā)出的控制指令旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)是一個內(nèi)環(huán)；為了抑制電機電流并適應負載變化，還設置了電流環(huán)，是電機轉(zhuǎn)速控制的內(nèi)環(huán)；液壓缸位置控制屬于外環(huán)；為了適當補償負載變化，在位置環(huán)內(nèi)還設置了壓力補償環(huán)節(jié)。電動機轉(zhuǎn)動帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，輸出成比例流量的液壓油，然后控制液壓缸的速度，當液壓缸位移傳感器檢測出與給定指令接近時，EHA控制器調(diào)節(jié)后讓電動機轉(zhuǎn)速逐漸降低，直到達到控制誤差范圍，與維持液壓缸要求位置的內(nèi)泄漏量相符合。增壓油箱除了足夠為系統(tǒng)補油外，還兼具冷卻作用，它與單向閥2和單向閥3配合給系統(tǒng)補油，任何時候系統(tǒng)內(nèi)不會出現(xiàn)低壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常運行，如圖3所示，單向閥1保證液壓泵泄油回到增壓油箱內(nèi)，而高壓油液不會倒灌入液壓泵殼體內(nèi)；兩個安全閥1和2負責抑制雙方向的最大壓力，負載導致管路系統(tǒng)壓力超過安全閥1或2的規(guī)定值時，安全閥1或2開啟，保證系統(tǒng)安全；在泵源出現(xiàn)故障時，模式選擇閥按照控制器的指令切換，使液壓缸處于阻尼旁通狀態(tài)。

2.2　集成電動靜液作動系統(tǒng)的理論研究

圖3所示系統(tǒng)涉及到系統(tǒng)的優(yōu)化設計理論方法、電動機的伺服控制理論方法、容積調(diào)節(jié)多環(huán)伺服控制理論和方法等。

1) EHA的多目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理論方法

根據(jù)EHA作動系統(tǒng)的實際構(gòu)成和性能特征，分析各部件之間的相互關聯(lián)關系，可以建立該系統(tǒng)的設計結(jié)構(gòu)矩陣，如表1所示[10,11]。飛機機體(A)將直接影響油缸的活塞面積(D)、泵尺寸(G)、電機尺寸(H)以及飛控計算機(M)。油缸的活塞行程(E)與控制舵面(B)、鉸鏈桿(C)、以及泵尺寸(G)、電機尺寸(H)有關。系統(tǒng)壓力與控制舵面(B)、活塞面積(D)、活塞行程(E)相關。泵尺寸(G)與控制舵面(B)、鉸鏈桿(C)、活塞面積(D)、活塞行程(E)以及電機尺寸(H)相關。而從系統(tǒng)參數(shù)角度分析，泵尺寸主要由泵的排量和系統(tǒng)壓力兩個因數(shù)決定。

因此，為了進行EHA作動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，必須綜合表1中的各種因素，選取合理的評價指標，進行綜合比較、決策。

2) 機載EHA作動系統(tǒng)的QFD方法及參數(shù)關系矩陣

DSM反映了系統(tǒng)各部件之間的結(jié)構(gòu)關聯(lián)關系，但是要進行綜合評價，必然涉及系統(tǒng)的特征參數(shù)(評價指標)，為此可以引入品質(zhì)功能部署(Quality Function Deployment，簡稱QFD，也稱為質(zhì)量功能展開)方法。QFD立足于顧客的實際需要，開展質(zhì)量策劃，確定設計指標體系，并提前揭示后續(xù)加工過程中存在的問題，采取相應對策。它從市場調(diào)查開始，經(jīng)過質(zhì)量、功能、裝置、零部件、成本、工藝方法、可靠性、工序和質(zhì)量職能等展開，從質(zhì)量、成本、可靠性全方位地對產(chǎn)品實施保證[12]。美國國防部和航天局已要求企業(yè)廣泛使用QFD，美國三大汽車公司制定的QS9000標準中，將QFD的應用正式納入其中。根據(jù)QFD方法，可以定義系統(tǒng)的參數(shù)關系矩陣 (Parameters Relation Matrix，PRM)，是指系統(tǒng)各部件與系統(tǒng)的特征參數(shù)之間的關聯(lián)程度。不同意義的特征參數(shù)對系統(tǒng)總的評價指標可以采用不同的加權系數(shù)予以表示。對于機載EHA，其主要的特征參數(shù)包括：重量、能源消耗、價值、外形尺寸、可控制性、可維修性、可靠性以及溫度等，經(jīng)過分析，并結(jié)合相關的專家知識，可以總結(jié)出EHA的系統(tǒng)參數(shù)關系矩陣如表2所示。

圖3　集成電動靜液作動系統(tǒng)的組成原理

分析表2，可以得到以下結(jié)論：

(1) EHA作動系統(tǒng)的主要特征參數(shù)中，可控制性、可維修性、可靠性以及溫度等的加權系數(shù)最高，在設計時，必須完全滿足。其次，系統(tǒng)的重量、可控制性以及外形尺寸的加權系數(shù)較大，這說明了EHA作動系統(tǒng)設計過程中要尤其重視這些指標。

(2) 對整個系統(tǒng)的重量直接影響較大的系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)有：系統(tǒng)壓力、泵尺寸、電機尺寸、活塞面積、活塞行程(油缸)以及電力控制監(jiān)視單元和電力變換單元。

表1　某機載EHA作動系統(tǒng)的設計結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)

表2　某機載EHA作動系統(tǒng)的參數(shù)關系矩陣(PRM)1,5

備注：表中的數(shù)值大小表示了系統(tǒng)特征與系統(tǒng)參數(shù)的相關程度，數(shù)值越大表示越相關。D表示必須充分滿足。

(3) 對整個系統(tǒng)的能源消耗直接影響較大的系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)有：電機尺寸、控制監(jiān)控單元、電力變換單元、泵尺寸以及油缸活塞面積、行程等。

(4) 對整個系統(tǒng)的價值直接影響較大的系統(tǒng)參數(shù)有：泵尺寸、電機尺寸、控制監(jiān)控單元、電力變換單元以及系統(tǒng)壓力、油缸活塞面積、行程等。

(5) 對整個系統(tǒng)的外形尺寸直接影響較大的系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)有：油缸活塞面積、行程、泵尺寸、電機尺寸、控制監(jiān)控單元、電力變換單元、以及系統(tǒng)壓力等。

(6) 對整個系統(tǒng)的可控制性直接影響較大的系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)有：控制舵面面積、油缸活塞面積行程、系統(tǒng)壓力、反饋增益、飛控計算機以及鉸鏈桿、電機尺寸、電力變換單元等[13～15]。

3) EHA作動系統(tǒng)的多目標函數(shù)最優(yōu)化設計

對于EHA作動系統(tǒng)，定義以下目標函數(shù)[13，15]，可以采用多目標函數(shù)的評價方法。

定理1：機載EHA作動系統(tǒng)的重量函數(shù)

fWeight=fw1(SPump)+fw2(SPiston)+fw3(SMotor)

其中,fw1，fw2，fw3為各部件一定尺寸大小相對的重量，而SPump、SPiston、SMotor為對應部件的尺寸。

假定部件的價值是與其尺寸成一定比例的則有

定理2：EHA作動系統(tǒng)的價值函數(shù)

fCost=fc1(SPump)+fc2(SPistion)+fc3(SMotor)

其中,fc1，fc2，fc3為各部件一定尺寸大小相對的價值。

由于EHA完全是電動的，其能源消耗可以用其消耗的電功率來計算。

定理3：EHA作動系統(tǒng)的能源消耗函數(shù)

其中,ia為無刷直流電動機BLDCM的電流；ua為電壓，t為工作時間。

系統(tǒng)的性能，包括控制誤差在內(nèi)，可以用下面的函數(shù)進行評價。

定理4：EHA作動系統(tǒng)的控制誤差評價函數(shù)

這樣，最小化fWeight、fCost、fEnergy、fError的設計問題，可以用一個統(tǒng)一的最小化極值函數(shù)來表示，即：

定理5：EHA作動系統(tǒng)的總目標函數(shù)F(X1,X2,…,XN)，其中Xi必須滿足以下條件：

Gi≤Xi≤Hi

其中，(i=1，2，…，M)。XN+1，…，XM都是X1，…，XN的函數(shù)。而Gi，Hi既是常值，又是X1，…，XN的函數(shù)。對于部件參數(shù)X1，…，XN而言，顯示的限制量Gi，Hi均為常值。

對于求函數(shù)f1，f2，…，fi最小值的目標函數(shù)F可以表示為：

式中，f10，f20，…，fi0為一個初始可接受系統(tǒng)獲得的函數(shù)值，γ1，γ2，…，γi則描述了不同目標函數(shù)的相對重要性，它們是PRM矩陣中加權系數(shù)wi的函數(shù)：

由于約束的情況，可以定義下述目標函數(shù)：

[(1+c1)α1+(1+c2)α2+…+(1+cj)αj)]

式中，cj為第j個約束條件的函數(shù)，αj顯示了第j個約束條件的影響程度。如果第j個約束條件毫無妨礙，那么cj=0。

這樣，就將EHA作動系統(tǒng)的最優(yōu)化設計問題，轉(zhuǎn)化為帶約束和不帶約束條件的求目標函數(shù)F最小值的數(shù)學問題。該方法不僅為EHA作動系統(tǒng)的最優(yōu)化設計提供了理論支持，而且也可以推廣到大多數(shù)機電一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設計過程中。

4) 高低速高性能伺服電動機的先進控制理論

集成電動靜液作動器對驅(qū)動電機提出了高功率、高動態(tài)響應及超寬調(diào)速范圍的新要求，原有電動機伺服控制理論已經(jīng)不能滿足控制需要，需要針對新的控制要求，研究適應的控制理論。首先針對高動態(tài)響應要求，首選快速性好電流滯環(huán)控制的PWM控制方法。傳統(tǒng)意義上的電流滯環(huán)控制器多由模擬器件(電壓比較器等)進行實現(xiàn)。隨著DSP等高性能數(shù)字邏輯器件的廣泛應用，電流滯環(huán)控制器早已數(shù)字化。其數(shù)字實現(xiàn)方法在很多文獻中被稱為增量式調(diào)制(Current Regulated Delta Modulation，CRDM)。這種方法解決了傳統(tǒng)電流滯環(huán)控制中的滯環(huán)特性(也可以看成是零誤差帶的滯環(huán)控制)，在每個采樣時刻輸出開關狀態(tài)。這樣，開關器件的最大開關頻率便由采樣頻率進行控制，可以避免開關頻率超出開關器件本身的容許值。在每一采樣時刻，每相電流的滯環(huán)控制器根據(jù)其相電流誤差的極性來決定開關狀態(tài)，以減小電流跟蹤誤差。開關狀態(tài)的確定方法可以表示為：

電流滯環(huán)控制具有瞬態(tài)響應快，容易實現(xiàn)，且對負載變化不明顯的優(yōu)點，而且在采用數(shù)字控制器實現(xiàn)后(也稱CRDM)，最大開關頻率很容易限制。但這種方法有很多內(nèi)在的缺陷，當電機運行于低速時，開關頻率很高，開關損耗增加，電流高頻分量增大；在高速時，由于反電勢的影響，開關頻率降低，高頻分量減少，但基波分量的跟蹤誤差顯著增大。我們對這種方法進行了完善，以便應用于電機全速度范圍內(nèi)的控制，并研究其對電機驅(qū)動性能的影響。

無論在低速還是高速，電流滯環(huán)控制的電流跟蹤均存在誤差，尤其是在電流的波峰和波谷兩個位置。而通過采用如圖4所示改進型CRDM，引進誤差校正技術，可使得相電流跟蹤誤差基本消除，特別是波峰和波谷位置的改進尤其明顯。同時通過引入弱磁控制及一種基于新型抗積分飽和技術的魯棒弱磁控制策略，來實現(xiàn)包括恒功率運行區(qū)在內(nèi)的最優(yōu)電流軌跡控制，使得在整個運行速度范圍內(nèi)，當電機有能力跟蹤力矩指令時(通常以交軸電流參考值的形式給出)，使電機的銅損降到最低、繞組發(fā)熱量最小，而當力矩指令超出電機的能力范圍時，自動修改電流指令，使電機的輸出力矩最大化，具備了提高動態(tài)性能的潛力，且大大減小了熱損耗[16]。

圖4　改進型CRDM控制

5) EHA多環(huán)控制理論

集成電靜液一體化作動器是一種新型容積控制直接驅(qū)動的電液位置伺服系統(tǒng)，集成緊湊，高功重比、高效率、高可靠性是其最明顯的優(yōu)點，但動態(tài)響應的快速性、穩(wěn)態(tài)跟蹤的高精度以及系統(tǒng)的魯棒性是該類電液傳動系統(tǒng)在高端應用必須滿足的性能指標。這些指標的獲得不僅需要系統(tǒng)硬件的高性能，更需要的是先進控制策略的應用。如圖5所示，無論伺服電機驅(qū)動定量泵還是伺服電機驅(qū)動變量泵，從控制理論上說它們都是多環(huán)控制系統(tǒng)，多環(huán)之間的合理匹配控制是該系統(tǒng)的理論突破所在。圖5中，圖5a系統(tǒng)配置了電流環(huán)、主電機速度環(huán)、負載位置環(huán)三環(huán)，圖5b配置了變量泵斜盤調(diào)節(jié)的電流環(huán)、驅(qū)動電機速度環(huán)、斜盤擺角位置環(huán)三內(nèi)環(huán)以及壓力校正和負載位置環(huán)兩外環(huán)。這些控制環(huán)除了控制環(huán)內(nèi)部控制要符合快速性和穩(wěn)定性要求， 還要滿足外部的飽和、 滯環(huán)非線性的控制需求。

圖5　兩種EHA原理的多控制環(huán)構(gòu)成框圖

經(jīng)過多年實踐，針對EHA應用特點， 我們突破了內(nèi)部電流環(huán)的實時控制難題，確保了控制系統(tǒng)尤其是功率電子部分運行安全的重要環(huán)節(jié)。在其他控制環(huán)節(jié)，研究探討了相應的控制策略和算法，并針對DSP控制器特點開發(fā)了相應的控制軟件，保證了集成電動靜液作動系統(tǒng)的實際需要。

3　集成電動靜液作動系統(tǒng)的關鍵技術

集成電動靜液作動系統(tǒng)是一種必須按安裝位置進行非標設計的集成一體化產(chǎn)品，涉及到機電一體化集成設計技術、加工制造技術、軟件編程技術、流場溫度場磁場耦合分析技術、電磁兼容技術、實驗技術等，本研究重點介紹高功重比集成技術。

集成電動靜液作動系統(tǒng)采用容積調(diào)節(jié)伺服原理，其靜動態(tài)性能較難滿足飛機等的高精度需要，液壓系統(tǒng)采用高壓力等級，而且要盡量降低調(diào)節(jié)部分的轉(zhuǎn)動慣量，并且電動機和液壓泵盡量采用高轉(zhuǎn)速來提高功重比，還有就是盡量采用高度的集成技術。為提高功重比，對于EHA需要解決電機、液壓泵、油箱、作動筒、傳感器、閥塊管路、檢測閥、油濾、釋放閥等的高度融合集成；液壓泵的轉(zhuǎn)速應超過10000 r/min，電機轉(zhuǎn)速應超過15000 r/min，對于這樣高速的液壓泵，其油箱需要采用自增壓技術；融合一體化結(jié)構(gòu)設計、電液泵、作動筒以及與閥塊管路與油箱的集成方式。下面介紹已經(jīng)突破的兩項集成技術，即電機液壓泵集成技術和檢測作動集成技術。

1) 電液泵技術

將電動機與液壓泵共轉(zhuǎn)子、共支撐和共殼體進行高度集成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、無外泄漏和低噪聲的優(yōu)點，能夠大大降低同等功率的電動機液壓泵的體積重量，符合液壓傳動發(fā)展趨勢，將其作為局部液壓能源和EHA核心部件，對于飛機液壓系統(tǒng)的多電化具有革命性發(fā)展，具有巨大的應用前景和研究價值。電液泵可有多種可能的集成型式、集成結(jié)構(gòu)、變量方式[17]。

經(jīng)過優(yōu)化后的某型軸向柱塞式電液泵如圖6所示。將斜盤式軸向柱塞泵與永磁同步電機(梯形波或者正弦波驅(qū)動)進行高度融合設計，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器。該電液泵的轉(zhuǎn)子外側(cè)安裝有永磁磁鋼，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較簡單。電磁轉(zhuǎn)矩的傳遞過程為：磁鋼→轉(zhuǎn)子→柱塞滑靴組和中心軸。中心軸除了承受彈簧預緊力之外，其上裝有磁鋼，配合與其相對的傳感器組件構(gòu)成電液泵的位置傳感系統(tǒng)。

作為新型高集成液壓源，除了控制性能外，電液泵的能量轉(zhuǎn)化效率也是業(yè)內(nèi)關注的一個重要指標。在效率方面，一方面電液泵省去了傳統(tǒng)電機的散熱風扇而由充滿殼體內(nèi)部的泄漏油液帶走熱量，故電液泵規(guī)避了電機風扇的損耗，同時共轉(zhuǎn)子還規(guī)避了傳統(tǒng)電機和聯(lián)軸器的機械損耗，另外由于取消了動密封，也降低了一部分機械摩擦損失，這些因素都有利于提高電液泵效率；另一方面，相對于傳統(tǒng)的液壓泵，電液泵轉(zhuǎn)子與定子間的間隙同時充當了電機的氣隙(該充油氣隙稱之為油隙)，為了保證電磁驅(qū)動的性能，油隙應該盡可能小，但是在電液泵轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時，該油隙產(chǎn)生的粘性阻尼便不能忽視，這是電液泵將電機與液壓泵融合后唯一增大的損耗。

圖6　軸向柱塞式電液泵

計算結(jié)果表明將電機與液壓泵合二為一的軸向柱塞式電液泵，額定工況下其能量轉(zhuǎn)化效率可達82%，明顯高于同等功率壓力級別傳統(tǒng)電機-泵組[18]。

2) 檢測作動集成技術

油缸位移傳感器與作動桿集成可以有效減小傳感器體積，提高檢測傳感的可靠性，且安裝維護簡便，具有很多優(yōu)勢。某公司研制開發(fā)的類磁柵結(jié)構(gòu)原理，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。該方式首先將活塞桿導磁基體加工成凹凸相間的結(jié)構(gòu)，在此基礎上，采用非導磁材料將凹槽填平，并加工保護層，使最終結(jié)構(gòu)滿足油缸活塞桿要求。隨后，在活塞桿的側(cè)面布置含有永磁體的探頭，活塞桿移動時， 凹凸相間的結(jié)構(gòu)會使敏感元件處的磁力線發(fā)生交替變化，從而實現(xiàn)位移測量。該類傳感器有很多優(yōu)點： ① 采用磁場交替變化原理，具有較快的響應速度； ② 屬于柵式結(jié)構(gòu)，可滿足不同距離測量的需求； ③ 集成度高，可適應油缸高集成度的發(fā)展。

圖7　類磁柵位移測量結(jié)構(gòu)原理

4　結(jié)論

飛機火箭艦船等運載器實現(xiàn)多電化全電化是必然趨勢,歐美等發(fā)達國家的技術和產(chǎn)品已經(jīng)證明了這種趨勢帶來的巨大效益，正在逐漸推廣應用。功率電傳作動器是多電飛機等的重要特征，集成電動靜液作動器作為一種功率電傳作動器且在飛機主飛控作動面上得到推廣應用的形式，可以使飛機作動系統(tǒng)在提高可靠性的前提下，體積重量有效減小，性能大幅度提高。這樣的系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)監(jiān)控能力差、管路布局難、漏油振動現(xiàn)象嚴重等困難。

本研究給出的三種電動靜液作動系統(tǒng)原理及其內(nèi)部組成原理，EHA的多目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理論方法、機載EHA作動系統(tǒng)的QFD方法及參數(shù)關系矩陣、EHA作動系統(tǒng)的多目標函數(shù)最優(yōu)化設計、高低速高性能伺服電動機的先進控制理論、EHA多環(huán)控制理論、電液泵技術、檢測作動集成技術等均經(jīng)作者檢驗過，可為EHA的研究開發(fā)人員提供理論和技術參考。

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