關(guān) 莉，廉晚祥

(空裝駐西安地區(qū)第五軍事代表室，陜西 西安 710000)

20世紀(jì)80年代歐美地區(qū)的一些國(guó)家進(jìn)行了大量電靜液作動(dòng)器(Electro-Hydrostaic Actuator,EHA)作動(dòng)系統(tǒng)原理樣機(jī)試飛驗(yàn)證，表明EHA作動(dòng)方案具有一系列優(yōu)點(diǎn)。目前，EHA作動(dòng)技術(shù)已成功應(yīng)用于美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)與空客A380客機(jī)主控舵面的控制中[1]。與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)技術(shù)相比，EHA作動(dòng)技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

① EHA供電系統(tǒng)與中央計(jì)算機(jī)連接，供電系統(tǒng)發(fā)生故障后能立即重新布局，具有容錯(cuò)能力，有用電少、發(fā)熱少、部件磨損小、可靠性高等工作特點(diǎn)。

② 由于簡(jiǎn)化了外部供油回路，使用EHA作動(dòng)系統(tǒng)，在機(jī)身和機(jī)翼中無(wú)需設(shè)置復(fù)雜的高壓液壓管道，不存在液壓油泄漏、污染等問(wèn)題，飛機(jī)局部受損后生存力更強(qiáng)。

③ EHA作動(dòng)系統(tǒng)中微處理器具有很強(qiáng)的機(jī)內(nèi)檢測(cè)能力，降低了對(duì)地面設(shè)備和維護(hù)人員的要求，可以減輕甚至取消傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)必需的諸如更換油濾、重新加注液壓油、液壓系統(tǒng)排氣等外場(chǎng)定期維護(hù)工作。

④ EHA作動(dòng)系統(tǒng)按需用電，舵面負(fù)載輕時(shí)很少甚至不從機(jī)載發(fā)電機(jī)取電，減輕了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和燃油消耗，極大地節(jié)省了燃油消耗，減輕起飛質(zhì)量和飛機(jī)的冷卻負(fù)擔(dān)。采用EHA作動(dòng)系統(tǒng)后，無(wú)需從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，使得相同推力需求的發(fā)動(dòng)機(jī)體積更小、質(zhì)量更輕，同時(shí)飛行控制、剎車、冷卻功能均得到改善。EHA作動(dòng)系統(tǒng)效率高，飛機(jī)的出動(dòng)架次率高，所需裝備的飛機(jī)數(shù)量可減少，飛機(jī)的生產(chǎn)費(fèi)用、發(fā)展費(fèi)用和壽命期費(fèi)用也將降低[2-3]。

可見(jiàn)，EHA電傳作動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用可以徹底取消傳統(tǒng)飛機(jī)上的液壓系統(tǒng)，徹底根除飛機(jī)液壓系統(tǒng)的“跑冒滴漏”問(wèn)題，從而提升飛機(jī)整機(jī)的可靠性。同時(shí)與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)系統(tǒng)相比，采用EHA驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制主舵面可以有效地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整機(jī)的能量管理，因此高性能電作動(dòng)技術(shù)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化資源配置，提高能源利用效率、功重比、可靠性、測(cè)試性和維護(hù)性，降低全壽命成本。另外，EHA作動(dòng)技術(shù)本身具有電傳作動(dòng)能力，符合未來(lái)多電/全電戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展需求，因此其已成為未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 電靜液作動(dòng)器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

空中客車公司相繼推出了A380、A350XWB多電客機(jī)，而波音公司也研制了B787多電客機(jī)與之抗衡，這些飛機(jī)均采用了目前世界多電飛機(jī)技術(shù)研制成果，以多電、混合飛控作動(dòng)功率源分布，傳統(tǒng)FBW液壓伺服控制和以EHA為主的電力作動(dòng)器并存為特點(diǎn)，瞄準(zhǔn)了寬體客機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，得益于電磁技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、大功率伺服技術(shù)的進(jìn)步，電靜液作動(dòng)系統(tǒng)迎來(lái)了工程樣機(jī)研制和試飛的高峰。國(guó)外EHA作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了技術(shù)研究探索、工程樣機(jī)研制和型號(hào)服役裝備3個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 國(guó)外EHA作動(dòng)技術(shù)發(fā)展概況

1996年，盧卡斯公司在愛(ài)德華美國(guó)空軍基地用IAP取代C-141飛機(jī)副翼上傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)器，完成20 h的試飛，并進(jìn)行了可靠性飛行驗(yàn)證。1998年，盧卡斯公司又設(shè)計(jì)了EHA在C-141副翼上完成近1000 h的飛行試驗(yàn)(該集成作動(dòng)器模塊如圖2所示)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)EHA己接近實(shí)際應(yīng)用水平。1991年12月，Parker公司研制的EHA作動(dòng)器在C-130飛機(jī)上完成了空中試飛并取得滿意效果。

圖2 盧卡斯公司C-141上試飛的集成作動(dòng)器模塊

試飛驗(yàn)證的成功證明了以EHA為代表的電作動(dòng)系統(tǒng)已能滿足現(xiàn)代型號(hào)主控舵面電作動(dòng)的應(yīng)用需求，對(duì)EHA作動(dòng)系統(tǒng)在現(xiàn)代飛機(jī)上進(jìn)行大量研制和裝備的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器研制廠商紛紛加入EHA的研制行列，美國(guó)的Parker、Moog公司，歐洲的Lucas、Liebherr、Goodrich研制了不同的EHA并在飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了試飛驗(yàn)證，并提高自身EHA技術(shù)成熟度，為型號(hào)大批量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Parker公司承擔(dān)了JSF飛機(jī)的方向舵、襟副翼EHA的研制任務(wù)，采用電氣三余度、機(jī)械液壓雙余度配置，使用正弦波直流無(wú)刷電機(jī)和定量泵驅(qū)動(dòng)雙腔串列作動(dòng)筒的技術(shù)方案，作動(dòng)器最大輸出力15.5 t;Parker公司最終承擔(dān)了F-35主飛行控制舵面EHA的研制任務(wù)。Moog公司先后在F-15飛機(jī)平尾、F-18飛機(jī)平尾裝備其研制的EHA進(jìn)行試飛，也使用了正弦波電機(jī)+定量泵的EHA方案;試飛的成功提升了Moog公司的技術(shù)成熟度，使Moog公司與Parker公司共同承擔(dān)了F-35飛機(jī)主控舵面EHA的研制工作。歐洲的Liebherr公司在2001年就自行研制了大飛機(jī)用EHA樣機(jī)，并最終在歐洲主導(dǎo)研制的A380飛機(jī)、A400M飛機(jī)上承擔(dān)了EHA的研制任務(wù)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，空客公司率先推出了A380多電客機(jī)，采用EHA與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器共同驅(qū)動(dòng)飛控主控舵面，在A380技術(shù)基礎(chǔ)上，相繼推出了A400M軍用運(yùn)輸機(jī)、A350XWB多電寬體客機(jī)，投入裝備運(yùn)營(yíng)。

1.1 空客A380 EHA作動(dòng)系統(tǒng)

A380飛機(jī)采用了一種雙體系結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)，即把用于備份系統(tǒng)的EHA作動(dòng)器與主動(dòng)控制的常規(guī)電傳液壓伺服作動(dòng)器結(jié)合起來(lái)，形成4套獨(dú)立的主飛行控制系統(tǒng)。其中2套系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的以液壓為動(dòng)力的作動(dòng)系統(tǒng)，另外2套以電為動(dòng)力，裝備用于操縱面的EHA作動(dòng)系統(tǒng)。這是經(jīng)典的2H/2E飛控能源配置結(jié)構(gòu)，理論上這4套系統(tǒng)中的任何一套都可以用來(lái)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制，這使A380飛機(jī)的飛行控制在系統(tǒng)獨(dú)立性和余度上都達(dá)到了前所未有的水平。

A380飛機(jī)在副翼使用4臺(tái)EHA，升降舵使用4臺(tái)EHA與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器構(gòu)成非相似余度。方向舵、擾流板分別使用4臺(tái)電備份液壓作動(dòng)器(EBHA)驅(qū)動(dòng)，使用電作動(dòng)構(gòu)成應(yīng)急備份操縱。縫翼、水平安定面利用電驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)與液壓驅(qū)動(dòng)的液壓馬達(dá)綜合后驅(qū)動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)。A380兩側(cè)的水平安定面上各有2個(gè)獨(dú)立的升降舵。各升降舵都有1個(gè)液壓作動(dòng)器和1個(gè)EHA。同樣地，還有2個(gè)獨(dú)立的方向舵，每個(gè)方向舵使用2個(gè)EBHA?？湛虯380升降舵EHA與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器如圖3所示。EBHA在正常模式下是以液壓為動(dòng)力，在備份模式下以電力為動(dòng)力。A380每個(gè)機(jī)翼有3個(gè)副翼，各副翼通過(guò)2個(gè)作動(dòng)器來(lái)偏轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)和中間的副翼采用1個(gè)液壓作動(dòng)器和1個(gè)EHA作動(dòng)器，而外側(cè)副翼采用2個(gè)液壓作動(dòng)器。擾流板(每個(gè)機(jī)翼有8個(gè))作動(dòng)器是以液壓為動(dòng)力的。然而，各側(cè)機(jī)翼上均有2個(gè)擾流板作動(dòng)器，均是以電力作為備份動(dòng)力的EBHA。

圖3 A380升降舵EHA與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器

空客A380 裝備的EHA主要性能指標(biāo)如表1所示，副翼EHA、升降舵EHA與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器主要性能指標(biāo)一致，方向舵、擾流板EBHA除速度外，其他指標(biāo)與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器一致。

表1 A380飛機(jī)裝備的EHA主要性能指標(biāo)

電靜液作動(dòng)器中2個(gè)背對(duì)背單向閥允許蓄能器補(bǔ)充液壓管路中的液流損失。2個(gè)減壓安全閥保護(hù)作動(dòng)筒、安裝結(jié)構(gòu)、舵面等，避免因異常而產(chǎn)生過(guò)壓或變形。模態(tài)轉(zhuǎn)換閥可隔離作動(dòng)筒與泵的連接，在系統(tǒng)故障時(shí)，可將作動(dòng)器切換至阻尼旁通工作模式。作動(dòng)筒內(nèi)部安裝LVDT傳感器，測(cè)量作動(dòng)筒位移。電機(jī)內(nèi)部裝有RVDT，測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移和速度。電機(jī)繞組內(nèi)部集成溫度傳感器，對(duì)電機(jī)繞組工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。EHA集成作動(dòng)筒兩腔壓差傳感器，對(duì)作動(dòng)器工作壓力進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)計(jì)補(bǔ)油電磁閥通過(guò)機(jī)載液壓系統(tǒng)對(duì)EHA內(nèi)部封閉的液壓油進(jìn)行補(bǔ)充，滿足民機(jī)超長(zhǎng)服役期對(duì)EHA液壓泄漏的苛刻要求。模態(tài)轉(zhuǎn)換閥直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，同時(shí)集成LVDT對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，確保作動(dòng)器工作模態(tài)切換。

當(dāng)作動(dòng)器正常工作時(shí)，模態(tài)轉(zhuǎn)換電磁閥(Solenoid Value,SOV)通電，推動(dòng)模態(tài)選擇閥至正常工作模態(tài)。飛控計(jì)算機(jī)的舵機(jī)控制信號(hào)經(jīng)大功率控制器伺服放大，驅(qū)動(dòng)正弦波直流無(wú)刷伺服電機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵分配負(fù)載流量，經(jīng)過(guò)模態(tài)選擇閥，作用于作動(dòng)筒的兩腔，推動(dòng)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)。在伺服電機(jī)及作動(dòng)筒上分別裝有旋轉(zhuǎn)變壓器、LVDT，形成內(nèi)外回路的閉環(huán)控制。

當(dāng)EHA作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，SOV斷電，模態(tài)選擇閥將進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得作動(dòng)器在阻尼旁通模態(tài)下工作[4]。

EBHA正常工作時(shí)與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器完全相同。機(jī)載油源提供的液壓油通過(guò)電液伺服閥(EHSV)控制后，經(jīng)過(guò)液壓模態(tài)轉(zhuǎn)換閥驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)故障后，EBHA切換至EHA工作模態(tài)，伺服電機(jī)通電工作，帶動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓泵輸出的高壓油經(jīng)由電氣模態(tài)轉(zhuǎn)換閥分配至液壓作動(dòng)筒[5]。與其他舵面驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器相同，EBHA也可在阻尼旁通模態(tài)下工作[6]。

空客在飛控作動(dòng)系統(tǒng)中堅(jiān)持主動(dòng)/備用作動(dòng)器布局為基礎(chǔ)的原則，A380選擇的多電結(jié)構(gòu)使用EHA作為備用作動(dòng)器，主動(dòng)作動(dòng)器仍然采用常規(guī)的液壓伺服控制。這種布局方式使A380飛機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 非相似功率源提供舵面動(dòng)力。② 提高了任務(wù)可靠性(生存力)，有4個(gè)動(dòng)力供給系統(tǒng)，而不是3個(gè)；從3個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)副翼和升降舵供電，對(duì)每個(gè)EBHA獨(dú)立供電，當(dāng)發(fā)生液壓系統(tǒng)故障時(shí)不會(huì)造成全部失效。③ 整機(jī)能耗降低。④ 簡(jiǎn)化機(jī)上能源布局。但與普通電液伺服作動(dòng)器(EHSA)相比，EHA、EBHA作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

1.2 空客A350XWB EHA作動(dòng)系統(tǒng)

A350XWB飛機(jī)沿用傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器與電靜液作動(dòng)器匯合應(yīng)用的組合形式，在升降舵使用2臺(tái)EHSA、2臺(tái)EHA，方向舵使用2臺(tái)EHSA、1臺(tái)EHA，擾流板使用8臺(tái)EHSA、4臺(tái)EBHA，內(nèi)側(cè)副翼使用2臺(tái)EHSA、2臺(tái)EHA，外側(cè)副翼使用4臺(tái)EHSA，裝備電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水平安定面作動(dòng)器。縫翼采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，翼尖采用減速板電驅(qū)動(dòng)。多電架構(gòu)的采用，使A350XWB飛控系統(tǒng)減輕了質(zhì)量，獲得了高可靠性和低維護(hù)成本，競(jìng)爭(zhēng)力明顯提升。

1.3 波音787機(jī)載電作動(dòng)系統(tǒng)

波音公司2004年啟動(dòng)了波音787飛機(jī)的研制,首次使用機(jī)電作動(dòng)器(Elect-Mechanical Actuator,EMA)進(jìn)行飛行控制，使飛機(jī)獲得了空前的性能。

波音787作動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器與機(jī)電作動(dòng)器組合驅(qū)動(dòng)，包括用于副翼、襟副翼，內(nèi)、外阻流板，升降舵和方向舵的帶遠(yuǎn)程閉環(huán)電子設(shè)備的傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器，水平安定面、中間擾流板采用的機(jī)電伺服作動(dòng)器。波音787在DC±270 V電源轉(zhuǎn)換部件、EMA伺服電機(jī)控制器中使用液冷進(jìn)行散熱，提高了作動(dòng)器的功率重量比。

1.4 國(guó)外飛控電作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

空客A380、A350XWB和波音787是世界多電客機(jī)的代表，其技術(shù)水平引領(lǐng)了世界多電客機(jī)及其采用的飛控電作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，具有以下發(fā)展趨勢(shì)。

多電客機(jī)技術(shù)成熟，多電飛機(jī)研制普遍化。實(shí)際上20世紀(jì)90年代歐美在軍機(jī)、民機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展的多輪飛控電作動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證，為其應(yīng)用積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，解決了制約飛控電作動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的高效發(fā)電、配電網(wǎng)絡(luò)，EHA/EMA高速伺服電機(jī)、高可靠大功率控制器設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，提高了關(guān)鍵部件的技術(shù)成熟度，帶來(lái)了新世紀(jì)國(guó)外多電飛機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用，從軍機(jī)到民機(jī)的大量應(yīng)用也證明了目前飛控電作動(dòng)技術(shù)已能滿足飛控系統(tǒng)的苛刻要求，電作動(dòng)系統(tǒng)大量裝機(jī)應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

EHA/EMA在飛控系統(tǒng)中的占比越來(lái)越大。目前A380、A350XWB使用的EHA、EBHA完成了一半的飛控舵面操縱任務(wù)，軍機(jī)F-35更是全部主控舵面使用EHA完成操縱，賽峰集團(tuán)提出了Electric Wing的驗(yàn)證計(jì)劃，完成A320飛機(jī)全部主控舵面EMA操縱的飛行驗(yàn)證。在飛控作動(dòng)領(lǐng)域，目前正處在傳統(tǒng)液壓作動(dòng)被電作動(dòng)匯合應(yīng)用逐步替代的階段，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)及使用經(jīng)驗(yàn)的積累，EHA/EMA全部替換掉傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器的時(shí)機(jī)即將到來(lái)。

機(jī)載電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)體系已完成升級(jí)換代。機(jī)載電源系統(tǒng)已從傳統(tǒng)的115 V/400 Hz定頻發(fā)電過(guò)渡到了230 V變頻發(fā)電，取消了傳動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部件，提高了電源系統(tǒng)的功率重量比，發(fā)電功率更是從A380飛機(jī)的600 kW提高到了B787的1 MW；液壓系統(tǒng)普遍采用35 MPa的壓力體系，摒棄了21 MPa、28 MPa的傳統(tǒng)液壓供壓體系。

飛控電作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案基本確定。EHA配置在副翼、升降舵、方向舵等主控制舵面，與傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器配合共同驅(qū)動(dòng)飛機(jī)氣動(dòng)舵面。EMA大多配置在襟翼、縫翼、擾流板等輔助操縱舵面和起落架收放、推力矢量控制、剎車制動(dòng)器等短時(shí)工作的機(jī)載操縱部件上。EHA具體實(shí)現(xiàn)方案基本固化，紛紛使用伺服電機(jī)+定量泵的技術(shù)方案，利用伺服電機(jī)的速度控制實(shí)現(xiàn)液壓作動(dòng)筒的速度控制，伺服電機(jī)的換向?qū)崿F(xiàn)液壓作動(dòng)筒的換向，電機(jī)采用反電勢(shì)為正弦波的永磁同步電機(jī)，液壓泵多采用高速微型定量柱塞泵[7]。

2 電靜液作動(dòng)器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)機(jī)載電作動(dòng)系統(tǒng)理論研究方面以北京航空航天大學(xué)最為活躍，其在電作動(dòng)器的方案分析、控制理論研究、余度設(shè)計(jì)、直流無(wú)刷電機(jī)和電機(jī)控制器設(shè)計(jì)等方面做了很多理論及初步試驗(yàn)工作。工程技術(shù)實(shí)踐方面，西安飛行自動(dòng)控制研究所、南京液壓機(jī)電中心、西安慶安集團(tuán)有限公司和航天運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第18研究所都進(jìn)行了大量的原理研制及實(shí)驗(yàn)工作。

北航的沙南生等[8]根據(jù)文獻(xiàn)并結(jié)合自身研究現(xiàn)狀提出了電作動(dòng)系統(tǒng)的研究目標(biāo)：對(duì)飛行控制舵面，戰(zhàn)斗機(jī)的每個(gè)作動(dòng)器最大功率為35～50 kW，民用飛機(jī)舵面的典型功率為3 kW。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)高達(dá)10000 r/min，其輸出力矩應(yīng)滿足在1000 r/min時(shí)為50 N·m；若采用電靜液作動(dòng)器，液壓泵轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到10000 r/min，其排量為1～10 mL/r，電源為DC 270 V。就動(dòng)態(tài)指標(biāo)而言，電作動(dòng)器應(yīng)滿足負(fù)載為0.5%～5%時(shí)，響應(yīng)頻率為5～30 Hz，另外空載速度、負(fù)載速度等指標(biāo)必須滿足當(dāng)前液壓作動(dòng)系統(tǒng)作動(dòng)筒能達(dá)到的指標(biāo)[8]。

西安飛行自動(dòng)控制研究所實(shí)現(xiàn)了大功率EHA/EMA從無(wú)到有，從試驗(yàn)研究到工程試飛的突破，取得了較快的發(fā)展。經(jīng)歷了技術(shù)探索階段、原理樣機(jī)研制階段、工程樣機(jī)研制階段。2005年完成了首臺(tái)EHA原理樣機(jī)的研制，實(shí)現(xiàn)了EHA工程樣機(jī)從無(wú)到有；2008年研制了首臺(tái)EBHA工程樣機(jī)，驗(yàn)證了EBHA控制方法；2009年進(jìn)行了首臺(tái)機(jī)械液壓雙余度EHA原理樣機(jī)的研制，積累了余度EHA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；2013年完成了某項(xiàng)目EHA伺服作動(dòng)系統(tǒng)的研制，并隨載機(jī)首飛成功；2014年完成了電氣四余度EHA原理樣機(jī)的研制，積累了EHA余度管理設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；同年研制出28 kW大功率EHA原理樣機(jī)。經(jīng)過(guò)十多年的不斷探索，形成從單通道到雙余度、四余度，從定量泵到自適應(yīng)變量泵，從EHA到EBHA較為完整的產(chǎn)品譜系，可提供電靜液伺服作動(dòng)系統(tǒng)整套解決方案，并處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。

2015年西安飛行自動(dòng)控制研究所針對(duì)大型民機(jī)飛控系統(tǒng)電功率作動(dòng)的需求，開(kāi)展大功率電靜液作動(dòng)器研究，完成副翼電作動(dòng)器原型樣機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試工作，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制單元、電機(jī)控制器和電功率作動(dòng)器的集成，完成大型民機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)權(quán)衡研究，為EHA作動(dòng)技術(shù)在大型民機(jī)型號(hào)上的應(yīng)用提供支撐。大型民機(jī)副翼EHA作動(dòng)器如圖4所示。

圖4 西安飛行自動(dòng)控制研究所研制的大型民機(jī)副翼EHA作動(dòng)器

受長(zhǎng)期測(cè)繪仿制、體制機(jī)制、工業(yè)基礎(chǔ)等多方面因素影響制約，國(guó)內(nèi)的電作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)一直在低水平徘徊，許多關(guān)鍵技術(shù)尚未完全掌握。我國(guó)關(guān)于EHA作動(dòng)器的研制，雖在前期進(jìn)行了大量工作，但僅在個(gè)別問(wèn)題上有所突破，還沒(méi)有形成完整多電飛機(jī)所需的EHA作動(dòng)系統(tǒng)工程解決方案和工程產(chǎn)品，無(wú)法滿足目前啟動(dòng)的多電寬體客機(jī)、多電中型四代機(jī)等型號(hào)的研制需求，以EHA作動(dòng)技術(shù)為代表的電作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)已成為制約我國(guó)多電飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

3 EHA功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

電作動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)是繼直接驅(qū)動(dòng)閥式作動(dòng)技術(shù)之后的關(guān)鍵作動(dòng)技術(shù)[9]。然而，第五代戰(zhàn)機(jī)隱身、高速等特征要求機(jī)載系統(tǒng)具有更強(qiáng)的散熱能力，定向能武器的采用要求機(jī)載系統(tǒng)能夠提供更高的能量。遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī)、無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)飛機(jī)和高超聲速飛行器對(duì)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)的功重比提出了更高的要求。長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī)要求機(jī)載系統(tǒng)可靠性大幅度提升。大型運(yùn)輸機(jī)對(duì)機(jī)載系統(tǒng)安全性、通用性和可靠性等提出了跨越式要求。同時(shí)，這些裝備共同的要求還包括機(jī)載系統(tǒng)具有更高的系統(tǒng)效率和更強(qiáng)的維護(hù)保障能力。以上裝備性能需求均對(duì)EHA作動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提出了更高要求，因此需進(jìn)一步改進(jìn)EHA作動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提升其可靠性、功重比、運(yùn)動(dòng)精度、效能、溫控性能以及故障容錯(cuò)能力，成為制約EHA作動(dòng)技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)。而圍繞上述技術(shù)瓶頸，EHA功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

3.1 高效大功率伺服控制器技術(shù)

3.1.1 寬溫度范圍下，高壓大功率驅(qū)動(dòng)電路的工程實(shí)現(xiàn)

目前，大功率電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本都采用三相逆變橋，可用于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率元件大概有兩大類：驅(qū)動(dòng)芯片+逆變橋、智能功率模塊IPM。前者硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)略為復(fù)雜，硬件開(kāi)銷大，而且布局布線對(duì)信號(hào)質(zhì)量及驅(qū)動(dòng)性能有較大影響；后者集成度高、可靠性高，但溫度范圍為-25～85 ℃，不能進(jìn)行工程化應(yīng)用。且兩類拓?fù)浼軜?gòu)的元器件都需要借助國(guó)外元器件廠商，國(guó)內(nèi)暫無(wú)廠家能提供滿足要求的元器件。

三相逆變橋拓?fù)涞墓β黍?qū)動(dòng)電路如何工程化實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行高可靠的工作[10]，是目前需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。而實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍下高壓大功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，需重點(diǎn)突破如下內(nèi)容。

(1)高性能驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

EHA作動(dòng)系統(tǒng)在全工況、大負(fù)載作用情況下，需實(shí)現(xiàn)正向電動(dòng)、正向制動(dòng)、反向電動(dòng)和反向制動(dòng)4個(gè)狀態(tài)。在制動(dòng)狀態(tài)下，大功率電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，疊加在直流母線上，會(huì)對(duì)直流母線側(cè)的元器件造成高壓損壞的威脅，同時(shí)有可能污染電網(wǎng)。將泵升能量快速有效地通過(guò)泄放通道泄放掉是提升驅(qū)動(dòng)電路性能的關(guān)鍵，應(yīng)在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮。

(2)高可靠大功率驅(qū)動(dòng)逆變技術(shù)。

逆變技術(shù)就是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，逆變電路分為無(wú)源逆變和有源逆變兩類。將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，直接向非電源?fù)載供電的逆變電路稱為無(wú)源逆變電路；將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，向交流電源反饋能量的逆變電路稱為有源逆變電路。無(wú)源逆變電路和有源逆變電路的根本區(qū)別在于其進(jìn)行DC/AC變換的目的不同，無(wú)源逆變電路的變換目的是給負(fù)載提供交流電源，有源逆變電路的變換目的是將直流電源的能量反饋至交流電源。而為了給大功率電機(jī)供電，應(yīng)重點(diǎn)突破基于無(wú)源逆變電路的高可靠大功率驅(qū)動(dòng)逆變技術(shù)。

(3)大功率控制器熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

控制器在驅(qū)動(dòng)大功率作動(dòng)器工作時(shí)，自身的熱損耗也比較嚴(yán)重，將引起控制器內(nèi)部溫度上升。由于高溫對(duì)大多數(shù)電子元器件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，會(huì)導(dǎo)致電子元器件失效，進(jìn)而引起整個(gè)設(shè)備的失效[11]。過(guò)應(yīng)力(即電、熱或機(jī)械應(yīng)力)容易使元器件過(guò)早失效。因此，需基于熱分析、熱計(jì)算手段，實(shí)現(xiàn)控制器元器件選用，完成機(jī)上冷板傳導(dǎo)散熱、箱體散熱、導(dǎo)熱板傳熱等散熱方案設(shè)計(jì)。

3.1.2 伺服控制器的小型化和散熱設(shè)計(jì)技術(shù)

對(duì)于越來(lái)越多的分布式大功率伺服控制器和作動(dòng)器遠(yuǎn)程控制架構(gòu)，需要對(duì)伺服控制器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。但針對(duì)大功率EHA控制，較大的工作電流和發(fā)熱損耗將帶來(lái)散熱要求和小型化設(shè)計(jì)的矛盾。需研究如何提高控制器的工作效率和散熱能力，實(shí)現(xiàn)一定程度上的小型化設(shè)計(jì)。

3.1.3 高壓大功率工況下的強(qiáng)弱電電磁兼容問(wèn)題

DC 270 V的高工作電壓和不低于50 kW的輸出功率必將產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾。在這種環(huán)境下，數(shù)字伺服控制電路容易受到電磁干擾而出現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、不可靠的情況[12]，同時(shí)對(duì)強(qiáng)電信號(hào)也需要通過(guò)隔離檢測(cè)、采集后進(jìn)行閉環(huán)反饋。

3.2 高速大功率高功重比電機(jī)技術(shù)

大功率、高功率/重量比電機(jī)是電作動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件，電機(jī)的功率重量比以及輸出特性直接影響電作動(dòng)系統(tǒng)的整體效能[13]。因此大功率高重量比直流無(wú)刷電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，高性能繞組成型方案，高性能新材料的利用，電磁和流體的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)熱場(chǎng)的分析，電機(jī)鐵耗、機(jī)損、磁鋼內(nèi)渦流損耗分析和低電感驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)都是研究重點(diǎn)。

3.2.1 高功重比電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

高功重比電機(jī)高性能的體現(xiàn)在于電磁、流體、熱以及性能、體積、質(zhì)量等綜合權(quán)衡后所需要達(dá)到的最優(yōu)結(jié)果[14]，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行以下5個(gè)方面的技術(shù)研究。

(1)高性能材料應(yīng)用研究。

進(jìn)行更高磁能積的硬磁材料應(yīng)用以及更低損耗的軟磁材料應(yīng)用研究，以提高電機(jī)整體性能、降低損耗、提升效率和功重比[12]。

(2)電磁架構(gòu)技術(shù)研究。

研究基于Halbach電磁架構(gòu)下電機(jī)理論和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。這種構(gòu)型無(wú)法從現(xiàn)有商業(yè)化設(shè)計(jì)軟件中找尋，需要從最基本的麥克斯韋電磁場(chǎng)理論出發(fā)，推導(dǎo)出新型電磁結(jié)構(gòu)下性能的解析計(jì)算方法。

(3)電磁性能與損耗的仿真計(jì)算。

在奠定電機(jī)理論計(jì)算模型后，需要進(jìn)行電磁仿真以驗(yàn)證電機(jī)理論計(jì)算的正確性。而對(duì)于該磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，無(wú)法進(jìn)行平面化仿真，因此要進(jìn)行精確的模擬仿真，必須要構(gòu)建正確的立體場(chǎng)仿真模型。在此模型下，進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)的模擬仿真，驗(yàn)證解析計(jì)算的正確性，同時(shí)進(jìn)一步指導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(4)暫態(tài)流體、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)綜合分析技術(shù)研究。

通過(guò)分析影響機(jī)械功率輸出的敏感因素，并進(jìn)行優(yōu)化分析，完成全數(shù)學(xué)電磁、熱、流體綜合建模[15]。

(5)電機(jī)磁、熱、機(jī)械結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電機(jī)磁、熱、機(jī)械結(jié)構(gòu)一體化電機(jī)設(shè)計(jì)研究。高功率密度電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)能量密度很高，電機(jī)漏磁、齒槽效應(yīng)、磁滯渦流效應(yīng)、飽和效應(yīng)、溫升問(wèn)題等尤其突出,而且隨著中頻逆變電源的采用,逆變器輸出諧波分量的存在使得電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布更加復(fù)雜,這些因素都影響著電機(jī)的性能品質(zhì)[16]。因此必須關(guān)注熱產(chǎn)生機(jī)理，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究其分析方法，最終指導(dǎo)電磁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外對(duì)機(jī)械功能輸出影響因素進(jìn)行分析，論證電感電阻等電氣指標(biāo)、磁密分布的電磁指標(biāo)、磁結(jié)構(gòu)尺寸指標(biāo)等，避免出現(xiàn)大功率電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性偏軟的現(xiàn)象[17]，最終達(dá)到高性能、小體積、小質(zhì)量的目標(biāo)。

3.2.2 高功重比電機(jī)工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù)

對(duì)有限空間內(nèi)承受更高電負(fù)荷的繞線方式進(jìn)行探索。為了使電負(fù)荷達(dá)到高效能，繞組所能占用的空間十分有限，特別是需要參與電磁感應(yīng)的有效繞組部分，其體積大小更是受到嚴(yán)格限制，而在這狹小的空間內(nèi)，需要探索最佳的繞線排布方式使得其能承受的電負(fù)荷最大，同時(shí)使得其產(chǎn)熱分布更加均勻，避免熱累積。

對(duì)繞組定型灌封材料和工藝的研究。在繞組成型工藝完成后，繞組的定型至關(guān)重要[18]。繞組在承受各種類型電磁力的同時(shí)還需要承受熱量的沖擊，因此灌封材料必須兼具良導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、強(qiáng)絕緣等特性，這對(duì)材料提出了較高的要求。為此，需要對(duì)繞組定型材料和工藝進(jìn)行摸索研究，為未來(lái)電機(jī)功率密度的進(jìn)一步提高提供支撐。

3.3 大功率高精度電機(jī)控制策略

功率電傳作動(dòng)器需要具備高動(dòng)態(tài)、高功重比、高空載速度等特點(diǎn)[8]，為了最大限度地提高電作動(dòng)器的性能，控制策略方面將重點(diǎn)研究永磁同步電機(jī)電流環(huán)無(wú)差拍控制技術(shù)、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略和弱磁增速控制策略。為了滿足功率電傳作動(dòng)器的高可靠需求，對(duì)永磁同步電機(jī)重要信息進(jìn)行故障監(jiān)控與容錯(cuò)控制策略研究[19]。

3.3.1 永磁同步電機(jī)電流環(huán)無(wú)差拍控制策略

在永磁同步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，電流控制環(huán)的主要作用是在確保穩(wěn)定的前提下，提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，使電機(jī)的實(shí)際電流矢量能夠跟隨參考電流矢量[20]。與傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器生成參考電壓的方式不同，基于電流預(yù)測(cè)控制的主要思想為：在第k個(gè)載波周期[kTs,(k+1)Ts]開(kāi)始時(shí)刻kTs，根據(jù)采樣得到的實(shí)際電流矢量I(k)，得到電流偏差矢量預(yù)測(cè)值ΔI(k)，根據(jù)ΔI(k)和參考電壓輸出U*(k)，計(jì)算得到需要的參考電壓矢量U(k)，然后運(yùn)用SVPWM方法合成這一輸出電壓矢量，使得在(k+1)Ts時(shí)刻的實(shí)際電流矢量能夠跟蹤參考電流矢量，即ΔI(k+1)=0。

無(wú)差拍控制可以最大限度地提高永磁同步電機(jī)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能[21]，然而該方法提高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)卻犧牲了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，因此采用無(wú)差拍控制策略后，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的分析勢(shì)在必行。通過(guò)改進(jìn)無(wú)差拍控制的策略，尋找一種新型的無(wú)差拍控制方法，犧牲控制系統(tǒng)的少許動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，進(jìn)而使伺服系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)性能要求和穩(wěn)定裕度指標(biāo)。電機(jī)電阻會(huì)隨電機(jī)工作溫度的變化而變化，電機(jī)定子電感會(huì)隨電機(jī)繞組電流的變化而變化。而無(wú)差拍控制是一種基于模型的控制方法，參數(shù)的變化勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重影響，研究一種消除參數(shù)變化對(duì)無(wú)差拍控制策略的影響的方法勢(shì)在必行。查找表法是一種簡(jiǎn)單、有效的辦法，然而如何準(zhǔn)確獲得電機(jī)電阻隨溫度的變化曲線，定子dq軸電感隨dq軸電流變化的曲線，即電機(jī)離線參數(shù)測(cè)量也是研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

3.3.2 永磁同步電機(jī)弱磁增速控制策略

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)端電壓達(dá)到逆變器所提供的極限電壓，電機(jī)將無(wú)法繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速。為進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，只有通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加直軸電流分量，同時(shí)減小交軸電流分量來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁升速[22]。為最大限度地利用逆變器容量，在弱磁區(qū)控制電流矢量時(shí)需沿著電流極限圓逆時(shí)針向下旋轉(zhuǎn)。弱磁控制技術(shù)可以充分利用控制器和電機(jī)的容量，拓寬電機(jī)空載和輕載時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍，為滿足電作動(dòng)器最大空載速度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求提供有力支撐。

弱磁控制算法主要分為以下幾類：公式計(jì)算法弱磁控制、查表法弱磁控制、梯度下降法弱磁控制和負(fù)直軸電流補(bǔ)償法弱磁控制等。公式計(jì)算法原理簡(jiǎn)單，但該方法是一種基于模型的弱磁控制算法，因此其對(duì)電機(jī)參數(shù)變化較為敏感，電機(jī)參數(shù)的變化可能會(huì)導(dǎo)致電流環(huán)控制器積分飽和，從而使電機(jī)控制失控；而且弱磁控制的最大電壓不能超過(guò)逆變器輸出正六邊形電壓邊界內(nèi)切圓，因此逆變器的直流母線電壓沒(méi)有被充分利用。直軸負(fù)電流補(bǔ)償法是在最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略的基礎(chǔ)上增加電壓閉環(huán)，最大電壓矢量和逆變器指令電壓矢量的差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流矢量角補(bǔ)償量，通過(guò)調(diào)整電流矢量角實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁控制。該方法利用MTPA控制的策略得到電流矢量角，在一定程度上減弱了電機(jī)參數(shù)的變化對(duì)弱磁控制的影響，然而最大電壓也只能設(shè)置在逆變器輸出電壓邊界正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)，與公式計(jì)算法相比，直流電壓利用率并沒(méi)有得到提高。該方法存在電壓外環(huán)，不會(huì)出現(xiàn)電流環(huán)控制器積分飽和導(dǎo)致電機(jī)失控的現(xiàn)象，因此其穩(wěn)定裕度較高。梯度下降法弱磁控制同樣是在MTPA控制的基礎(chǔ)上將逆變器實(shí)際輸出電壓與逆變器實(shí)際電壓作差[23]，然后將該差值按照最速梯度下降的原則求解電流矢量角的補(bǔ)償量，通過(guò)調(diào)整電流矢量角實(shí)現(xiàn)電機(jī)的弱磁控制。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可充分利用逆變器的直流母線電壓，然而需要額外設(shè)置電壓傳感器以檢測(cè)逆變器的輸出電壓值。不同的弱磁控制方法具備不同的優(yōu)勢(shì)[24]，如何根據(jù)該項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一種既簡(jiǎn)單又便于實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，穩(wěn)定裕度大，同時(shí)能滿足項(xiàng)目對(duì)電機(jī)最大速度要求的方法是該部分的研究重點(diǎn)。

3.4 高可靠高速液壓泵設(shè)計(jì)技術(shù)

液壓泵是電靜液作動(dòng)器的關(guān)鍵部件，如同“心臟”一般為作動(dòng)器提供液壓壓力、流量[25]，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒及負(fù)載運(yùn)動(dòng)。隨著戰(zhàn)機(jī)高速大機(jī)動(dòng)的作戰(zhàn)需求的提升以及舵機(jī)的輸出力和速度指標(biāo)的不斷提高，液壓泵只有向高速、高壓、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，才能提高EHA的功重比、可靠性和動(dòng)態(tài)性能，滿足工程應(yīng)用要求[26]。目前航空液壓泵壓力多為21 MPa/28 MPa，轉(zhuǎn)速在萬(wàn)轉(zhuǎn)以下。為了提高功重比，液壓柱塞泵將實(shí)現(xiàn)額定壓力35 MPa，轉(zhuǎn)速在萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，并且做到小型化插裝式設(shè)計(jì)，這給液壓泵的密封、耐壓、耐磨等特性以及精密加工制造提出了很大挑戰(zhàn)[27]。同時(shí)為了減少體積、質(zhì)量，雙系統(tǒng)EHA中有一個(gè)系統(tǒng)采用了非對(duì)稱腔作動(dòng)筒，為了匹配不同的流量需求，該系統(tǒng)必須研制專用非對(duì)稱排量的高速液壓泵[28]。

面對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，需開(kāi)展液壓泵高速摩擦副油膜特性的研究、高速摩擦副的油膜潤(rùn)滑和摩擦磨損機(jī)理研究以及非對(duì)稱泵配流設(shè)計(jì)研究，突破插裝泵一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、非對(duì)稱流量泵配流設(shè)計(jì)、核心零件配合副的高精加工/成型、高速重載摩擦副的配對(duì)材料選擇、摩擦副油膜潤(rùn)滑特性分析和寬溫范圍全性能試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)。

3.5 EHA監(jiān)控器的設(shè)計(jì)

EHA作動(dòng)器與傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)器存在較大差異，因此監(jiān)控器的種類也與液壓作動(dòng)器存在本質(zhì)區(qū)別[29]。EHA作動(dòng)器的監(jiān)控器主要包括：① 電壓監(jiān)控器：主要用于監(jiān)控控制器的一次側(cè)和二次側(cè)電壓，包括控制器28 V輸入電壓，15 V、-15 V、3.3 V、7 V 1.8 kHz交流激磁電壓，7V 10 kHz交流激磁電壓等。② 母線電壓監(jiān)控：主要監(jiān)測(cè)控制器直流母線電壓是否故障。③ 作動(dòng)器指令表決監(jiān)控：監(jiān)控3個(gè)通道的指令是否一致[30]。④ 指令電流比較監(jiān)控：當(dāng)兩個(gè)液壓系統(tǒng)均正常工作時(shí)，在作動(dòng)器力均衡控制策略的作用下，兩個(gè)電機(jī)的輸出扭矩基本相當(dāng)，該監(jiān)控器用于監(jiān)控作動(dòng)器各自通道的電流指令是否故障。⑤ 旋轉(zhuǎn)變壓器監(jiān)控：用于監(jiān)控電機(jī)測(cè)速鏈路內(nèi)是否發(fā)生故障。⑥ 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)基極驅(qū)動(dòng)電路監(jiān)控：用于監(jiān)控IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路是否存在欠壓等故障。⑦ 電機(jī)相電流監(jiān)控：用于監(jiān)控電機(jī)電流傳感器是否發(fā)生故障。⑧ 電機(jī)溫度監(jiān)控：檢測(cè)電機(jī)工作溫度。⑨ 油液溫度監(jiān)控：監(jiān)控作動(dòng)器油液溫度，油液溫度過(guò)低，作動(dòng)器的黏滯阻尼過(guò)大，會(huì)影響作動(dòng)器正常工作。⑩ 在線電流監(jiān)控：用于監(jiān)控電機(jī)的電流環(huán)是否處在閉環(huán)狀態(tài)，電機(jī)是否可控。SOV電流模型監(jiān)控：監(jiān)控SOV的工作狀態(tài)是否正常。作動(dòng)器速度轉(zhuǎn)換模型監(jiān)控：主要用于監(jiān)控電機(jī)—泵—液壓油—作動(dòng)筒之間的傳遞關(guān)系是否正常，該監(jiān)控器在壓力傳感器正常工作的情況下，也能監(jiān)控出作動(dòng)器的過(guò)載問(wèn)題[31]。電機(jī)泵模型監(jiān)控：主要監(jiān)控電機(jī)和液壓泵的狀態(tài)是否正常，當(dāng)電機(jī)或柱塞泵存在較為嚴(yán)重的機(jī)械卡阻情況，該監(jiān)控器將報(bào)故[32]。壓力傳感器監(jiān)控：監(jiān)控壓力傳感器是否正常工作。蓄能器液位位置監(jiān)控：測(cè)試蓄能器的液位，當(dāng)蓄能器內(nèi)的液位過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，該監(jiān)控器報(bào)故障。

4 對(duì)EHA作動(dòng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的動(dòng)向展望

上述EHA作動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要對(duì)標(biāo)現(xiàn)有戰(zhàn)機(jī)的技術(shù)要求，而對(duì)于新時(shí)期的空戰(zhàn)裝備，特別是新一代(第六代)戰(zhàn)機(jī)，目前各國(guó)給出的方案均為無(wú)尾翼或小尾翼的機(jī)身一體的超扁平結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有超高音速飛行、超遠(yuǎn)距離巡航、超高靈活機(jī)動(dòng)、無(wú)人化自主作戰(zhàn)、高智能化程度等全新能力[33-34]，這對(duì)EHA作動(dòng)技術(shù)的發(fā)展又提出了全新要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 EHA作動(dòng)系統(tǒng)的集成化/輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

下一代戰(zhàn)機(jī)翼的機(jī)身一體的扁平化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及飛機(jī)在超高速、長(zhǎng)距離巡航過(guò)程中對(duì)能耗的限制，要求EHA作動(dòng)系統(tǒng)具有小型化、輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊、高功重比等特點(diǎn)[35]，這對(duì)EHA作動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的挑戰(zhàn)。通過(guò)選擇輕量化材料，基于最小包絡(luò)準(zhǔn)則，開(kāi)展電液伺服閥、功能閥、殼體、筒體、電機(jī)與泵的一體化設(shè)計(jì)；并在滿足工作能力要求的情況下簡(jiǎn)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；同時(shí)結(jié)合3D打印作動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)以及大流量、小體積、快速響應(yīng)2D伺服閥技術(shù)等；實(shí)現(xiàn)EHA作動(dòng)系統(tǒng)輕量化、小型化，以及工作效能及功重比的提升，以滿足新一代戰(zhàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與飛行要求。

4.2 EHA作動(dòng)系統(tǒng)余度管理與容錯(cuò)控制技術(shù)

為提升EHA作動(dòng)系統(tǒng)的整體可靠性，廣泛采用了機(jī)械、電氣、控制余度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過(guò)作動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件備份實(shí)現(xiàn)故障的可靠容錯(cuò)。然而，多余度通道同時(shí)工作時(shí)易產(chǎn)生相互影響，例如對(duì)于具有兩個(gè)相互串聯(lián)的液壓缸和活塞桿的雙余度作動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)同時(shí)供油時(shí)易發(fā)生活塞桿輸出的力紛爭(zhēng)現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響作動(dòng)系統(tǒng)的工作效果。因此，需要研究EHA作動(dòng)系統(tǒng)的余度管理技術(shù)[36]，攻克啟動(dòng)邏輯、模態(tài)轉(zhuǎn)換保持邏輯等電作動(dòng)系統(tǒng)特有難題，確保多余度間協(xié)同工作。進(jìn)一步，引入作動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控作動(dòng)器工作狀態(tài)，并在某通道故障后迅速完成重構(gòu)，完成故障容錯(cuò)控制，保證EHA作動(dòng)系統(tǒng)的高可靠性。

4.3 功率電傳EHA作動(dòng)系統(tǒng)能量傳輸與匹配運(yùn)行技術(shù)

功率電傳EHA作動(dòng)系統(tǒng)的主要控制形式為伺服電機(jī)控制變量或定量液壓泵，通過(guò)容積調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)作動(dòng)系統(tǒng)。其主要特征是內(nèi)嵌靜液傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但目前主要面臨動(dòng)態(tài)特性差、功率密度低、熱效應(yīng)嚴(yán)重和余度配置困難等問(wèn)題，低動(dòng)態(tài)特性是制約電靜液作動(dòng)器在飛行器中廣泛應(yīng)用的主要因素之一[37]。因此，需要對(duì)電靜液作動(dòng)器各環(huán)節(jié)固有頻率特性和功率需求進(jìn)行分析，揭示電機(jī)泵組固有頻率低和高頻輸出功率不足的主要決定因素，特別是解釋容積伺服控制多變量輸入、強(qiáng)非線性、動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載耦合嚴(yán)重、功率匹配約束控制等內(nèi)在機(jī)理，優(yōu)化EHA作動(dòng)系統(tǒng)的能量傳輸與匹配運(yùn)行能力。

4.4 大功率EHA熱管理技術(shù)

隨著多電、全電等航空技術(shù)的不斷應(yīng)用，促使機(jī)載飛控電子必須向大功率方向發(fā)展，以滿足現(xiàn)有的、未來(lái)的航空技術(shù)對(duì)飛控電子的功能性能要求，EHA作動(dòng)系統(tǒng)也不例外。然而，大功率EHA作動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)將產(chǎn)生大量熱量[38]，例如質(zhì)量為10 kg的50 kW級(jí)以上的大功率EHA作動(dòng)系統(tǒng)，即使逆變效率達(dá)到90%，其熱功率依然達(dá)到5 kW的量級(jí)，其功率密度高達(dá)500 W/kg，直接影響控制器與作動(dòng)器的工作安全性。因此，必須根據(jù)各種機(jī)上安裝的環(huán)境條件，提出針對(duì)性的熱管理方案，解決EHA控制器的散熱問(wèn)題，保證設(shè)備的可靠工作。

4.5 智能化EHA作動(dòng)技術(shù)

隨著數(shù)字伺服技術(shù)的日益成熟，智能控制策略、智能故障檢測(cè)和健康管理技術(shù)的發(fā)展，智能EHA作動(dòng)系統(tǒng)將成為未來(lái)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)的伺服作動(dòng)器，智能作動(dòng)器將以余度數(shù)字伺服技術(shù)為基礎(chǔ)，采用智能補(bǔ)償算法和控制策略提高作動(dòng)器的性能，降低作動(dòng)器的各種固有非線性對(duì)其性能的影響。同時(shí)，由于數(shù)字控制可以采用智能故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的故障定位隔離，采用重構(gòu)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器電氣通道的智能容錯(cuò)，因此，作動(dòng)系統(tǒng)智能化將顯著提高飛機(jī)的可靠性、安全性及維護(hù)性，成為作動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一[39]。

5 結(jié)束語(yǔ)

為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)飛機(jī)的冗雜液壓系統(tǒng)，多電/全電航空技術(shù)在近幾年得到了迅猛發(fā)展，而EHA電傳作動(dòng)技術(shù)憑借其高效率、低泄漏、高可靠、長(zhǎng)壽命等一系列特點(diǎn)，必將在未來(lái)飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。就調(diào)研情況來(lái)看，目前EHA作動(dòng)技術(shù)主要注重功率、運(yùn)行速度和故障檢測(cè)能力的提升，以滿足現(xiàn)階段飛機(jī)的高速靈活機(jī)動(dòng)要求，因此目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞大功率EHA作動(dòng)器及其關(guān)鍵部組件開(kāi)展研究。而下一代戰(zhàn)機(jī)的高超音速、遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)、長(zhǎng)時(shí)間巡航、高靈活機(jī)動(dòng)、超高靈活機(jī)動(dòng)、無(wú)人化自主作戰(zhàn)、高智能化程度、超扁平結(jié)構(gòu)等性能特點(diǎn)，對(duì)EHA作動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)輕量化、小型化、整體可靠性和智能化程度提升等提出了全新技術(shù)要求，具體體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

① EHA作動(dòng)系統(tǒng)的集成化/輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)。

② EHA作動(dòng)系統(tǒng)余度管理與容錯(cuò)控制技術(shù)。

③ 功率電傳EHA作動(dòng)系統(tǒng)能量傳輸與匹配運(yùn)行。

④ 大功率EHA熱管理技術(shù)。

⑤ 智能化EHA作動(dòng)技術(shù)。

相信隨著上述關(guān)鍵技術(shù)的不斷攻克，EHA作動(dòng)系統(tǒng)性能將不斷提升，用于下一代戰(zhàn)機(jī)也只是時(shí)間問(wèn)題。

目前，在國(guó)外電傳伺服作動(dòng)領(lǐng)域，EHA作動(dòng)技術(shù)已成功應(yīng)用于軍機(jī)與民機(jī)中，而國(guó)內(nèi)對(duì)EHA作動(dòng)技術(shù)的研究起步較晚，尚處于原理樣機(jī)驗(yàn)證階段，限制其上機(jī)應(yīng)用的挑戰(zhàn)來(lái)自于各個(gè)方面，特別是材料的研究、工藝的提升、技術(shù)的創(chuàng)新等方面。但國(guó)內(nèi)多家研究所和高校正在不斷努力突破EHA作動(dòng)系統(tǒng)研制中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)的飛機(jī)也能用上自主研制的先進(jìn)EHA作動(dòng)技術(shù)。