飛機飛控作動系統電靜液作動技術研究綜述

關 莉，廉晚祥

(空裝駐西安地區第五軍事代表室，陜西 西安 710000)

20世紀80年代歐美地區的一些國家進行了大量電靜液作動器(Electro-Hydrostaic Actuator,EHA)作動系統原理樣機試飛驗證，表明EHA作動方案具有一系列優點。目前，EHA作動技術已成功應用于美國F-35戰斗機與空客A380客機主控舵面的控制中[1]。與傳統液壓作動技術相比，EHA作動技術擁有諸多優勢，主要體現在以下4個方面。

① EHA供電系統與中央計算機連接，供電系統發生故障后能立即重新布局，具有容錯能力，有用電少、發熱少、部件磨損小、可靠性高等工作特點。

② 由于簡化了外部供油回路，使用EHA作動系統，在機身和機翼中無需設置復雜的高壓液壓管道，不存在液壓油泄漏、污染等問題，飛機局部受損后生存力更強。

③ EHA作動系統中微處理器具有很強的機內檢測能力，降低了對地面設備和維護人員的要求，可以減輕甚至取消傳統液壓系統必需的諸如更換油濾、重新加注液壓油、液壓系統排氣等外場定期維護工作。

④ EHA作動系統按需用電，舵面負載輕時很少甚至不從機載發電機取電，減輕了飛機發動機負載和燃油消耗，極大地節省了燃油消耗，減輕起飛質量和飛機的冷卻負擔。采用EHA作動系統后，無需從發動機引氣，提高了發動機的工作效率，使得相同推力需求的發動機體積更小、質量更輕，同時飛行控制、剎車、冷卻功能均得到改善。EHA作動系統效率高，飛機的出動架次率高，所需裝備的飛機數量可減少，飛機的生產費用、發展費用和壽命期費用也將降低[2-3]。

可見，EHA電傳作動技術的應用可以徹底取消傳統飛機上的液壓系統，徹底根除飛機液壓系統的“跑冒滴漏”問題，從而提升飛機整機的可靠性。同時與傳統液壓作動系統相比，采用EHA驅動系統控制主舵面可以有效地實現飛機整機的能量管理，因此高性能電作動技術可以簡化系統結構，優化資源配置，提高能源利用效率、功重比、可靠性、測試性和維護性，降低全壽命成本。另外，EHA作動技術本身具有電傳作動能力，符合未來多電/全電戰機的發展需求，因此其已成為未來先進飛機機載作動系統的發展方向。

1 電靜液作動器的國外發展現狀

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

從20世紀90年代開始，得益于電磁技術、數字信號處理技術、大功率伺服技術的進步，電靜液作動系統迎來了工程樣機研制和試飛的高峰。國外EHA作動技術的發展經歷了技術研究探索、工程樣機研制和型號服役裝備3個階段，如圖1所示。

圖1 國外EHA作動技術發展概況

1996年，盧卡斯公司在愛德華美國空軍基地用IAP取代C-141飛機副翼上傳統的液壓作動器，完成20 h的試飛，并進行了可靠性飛行驗證。1998年，盧卡斯公司又設計了EHA在C-141副翼上完成近1000 h的飛行試驗(該集成作動器模塊如圖2所示)。20世紀90年代，美國EHA己接近實際應用水平。1991年12月，Parker公司研制的EHA作動器在C-130飛機上完成了空中試飛并取得滿意效果。

圖2 盧卡斯公司C-141上試飛的集成作動器模塊

試飛驗證的成功證明了以EHA為代表的電作動系統已能滿足現代型號主控舵面電作動的應用需求，對EHA作動系統在現代飛機上進行大量研制和裝備的時代已經到來。傳統液壓作動器研制廠商紛紛加入EHA的研制行列，美國的Parker、Moog公司，歐洲的Lucas、Liebherr、Goodrich研制了不同的EHA并在飛機上實現了試飛驗證，并提高自身EHA技術成熟度，為型號大批量應用奠定了基礎。Parker公司承擔了JSF飛機的方向舵、襟副翼EHA的研制任務，采用電氣三余度、機械液壓雙余度配置，使用正弦波直流無刷電機和定量泵驅動雙腔串列作動筒的技術方案，作動器最大輸出力15.5 t;Parker公司最終承擔了F-35主飛行控制舵面EHA的研制任務。Moog公司先后在F-15飛機平尾、F-18飛機平尾裝備其研制的EHA進行試飛，也使用了正弦波電機+定量泵的EHA方案;試飛的成功提升了Moog公司的技術成熟度，使Moog公司與Parker公司共同承擔了F-35飛機主控舵面EHA的研制工作。歐洲的Liebherr公司在2001年就自行研制了大飛機用EHA樣機，并最終在歐洲主導研制的A380飛機、A400M飛機上承擔了EHA的研制任務。

進入21世紀后，空客公司率先推出了A380多電客機，采用EHA與傳統液壓作動器共同驅動飛控主控舵面，在A380技術基礎上，相繼推出了A400M軍用運輸機、A350XWB多電寬體客機，投入裝備運營。

1.1 空客A380 EHA作動系統

A380飛機采用了一種雙體系結構的飛行控制系統，即把用于備份系統的EHA作動器與主動控制的常規電傳液壓伺服作動器結合起來，形成4套獨立的主飛行控制系統。其中2套系統采用傳統的以液壓為動力的作動系統，另外2套以電為動力，裝備用于操縱面的EHA作動系統。這是經典的2H/2E飛控能源配置結構，理論上這4套系統中的任何一套都可以用來對飛機進行控制，這使A380飛機的飛行控制在系統獨立性和余度上都達到了前所未有的水平。

A380飛機在副翼使用4臺EHA，升降舵使用4臺EHA與傳統液壓作動器構成非相似余度。方向舵、擾流板分別使用4臺電備份液壓作動器(EBHA)驅動，使用電作動構成應急備份操縱?？p翼、水平安定面利用電驅動的伺服電機與液壓驅動的液壓馬達綜合后驅動舵面運動。A380兩側的水平安定面上各有2個獨立的升降舵。各升降舵都有1個液壓作動器和1個EHA。同樣地，還有2個獨立的方向舵，每個方向舵使用2個EBHA。空客A380升降舵EHA與傳統液壓作動器如圖3所示。EBHA在正常模式下是以液壓為動力，在備份模式下以電力為動力。A380每個機翼有3個副翼，各副翼通過2個作動器來偏轉。內側和中間的副翼采用1個液壓作動器和1個EHA作動器，而外側副翼采用2個液壓作動器。擾流板(每個機翼有8個)作動器是以液壓為動力的。然而，各側機翼上均有2個擾流板作動器，均是以電力作為備份動力的EBHA。

圖3 A380升降舵EHA與傳統液壓作動器

空客A380 裝備的EHA主要性能指標如表1所示，副翼EHA、升降舵EHA與傳統液壓作動器主要性能指標一致，方向舵、擾流板EBHA除速度外，其他指標與傳統液壓作動器一致。

表1 A380飛機裝備的EHA主要性能指標

電靜液作動器中2個背對背單向閥允許蓄能器補充液壓管路中的液流損失。2個減壓安全閥保護作動筒、安裝結構、舵面等，避免因異常而產生過壓或變形。模態轉換閥可隔離作動筒與泵的連接，在系統故障時，可將作動器切換至阻尼旁通工作模式。作動筒內部安裝LVDT傳感器，測量作動筒位移。電機內部裝有RVDT，測量電機轉子的角位移和速度。電機繞組內部集成溫度傳感器，對電機繞組工作溫度進行實時監控。EHA集成作動筒兩腔壓差傳感器，對作動器工作壓力進行監控。設計補油電磁閥通過機載液壓系統對EHA內部封閉的液壓油進行補充，滿足民機超長服役期對EHA液壓泄漏的苛刻要求。模態轉換閥直接驅動電磁閥，同時集成LVDT對模態轉換閥工作狀態進行監控，確保作動器工作模態切換。

當作動器正常工作時，模態轉換電磁閥(Solenoid Value,SOV)通電，推動模態選擇閥至正常工作模態。飛控計算機的舵機控制信號經大功率控制器伺服放大，驅動正弦波直流無刷伺服電機帶動液壓泵轉動，液壓泵分配負載流量，經過模態選擇閥，作用于作動筒的兩腔，推動作動筒運動。在伺服電機及作動筒上分別裝有旋轉變壓器、LVDT，形成內外回路的閉環控制。

當EHA作動系統發生故障，SOV斷電，模態選擇閥將進行轉換，使得作動器在阻尼旁通模態下工作[4]。

EBHA正常工作時與傳統液壓作動器完全相同。機載油源提供的液壓油通過電液伺服閥(EHSV)控制后，經過液壓模態轉換閥驅動液壓作動筒運動。液壓系統故障后，EBHA切換至EHA工作模態，伺服電機通電工作，帶動液壓泵運轉，液壓泵輸出的高壓油經由電氣模態轉換閥分配至液壓作動筒[5]。與其他舵面驅動作動器相同，EBHA也可在阻尼旁通模態下工作[6]。

空客在飛控作動系統中堅持主動/備用作動器布局為基礎的原則，A380選擇的多電結構使用EHA作為備用作動器，主動作動器仍然采用常規的液壓伺服控制。這種布局方式使A380飛機具有以下優點：① 非相似功率源提供舵面動力。② 提高了任務可靠性(生存力)，有4個動力供給系統，而不是3個；從3個動力系統對副翼和升降舵供電，對每個EBHA獨立供電，當發生液壓系統故障時不會造成全部失效。③ 整機能耗降低。④ 簡化機上能源布局。但與普通電液伺服作動器(EHSA)相比，EHA、EBHA作動器的結構更為復雜。

1.2 空客A350XWB EHA作動系統

A350XWB飛機沿用傳統液壓作動器與電靜液作動器匯合應用的組合形式，在升降舵使用2臺EHSA、2臺EHA，方向舵使用2臺EHSA、1臺EHA，擾流板使用8臺EHSA、4臺EBHA，內側副翼使用2臺EHSA、2臺EHA，外側副翼使用4臺EHSA，裝備電機驅動的水平安定面作動器?？p翼采用電機驅動，翼尖采用減速板電驅動。多電架構的采用，使A350XWB飛控系統減輕了質量，獲得了高可靠性和低維護成本，競爭力明顯提升。

1.3 波音787機載電作動系統

波音公司2004年啟動了波音787飛機的研制,首次使用機電作動器(Elect-Mechanical Actuator,EMA)進行飛行控制，使飛機獲得了空前的性能。

波音787作動系統采用傳統液壓作動器與機電作動器組合驅動，包括用于副翼、襟副翼，內、外阻流板，升降舵和方向舵的帶遠程閉環電子設備的傳統液壓作動器，水平安定面、中間擾流板采用的機電伺服作動器。波音787在DC±270 V電源轉換部件、EMA伺服電機控制器中使用液冷進行散熱，提高了作動器的功率重量比。

1.4 國外飛控電作動系統發展趨勢

空客A380、A350XWB和波音787是世界多電客機的代表，其技術水平引領了世界多電客機及其采用的飛控電作動技術的發展，具有以下發展趨勢。

多電客機技術成熟，多電飛機研制普遍化。實際上20世紀90年代歐美在軍機、民機領域開展的多輪飛控電作動技術驗證，為其應用積累了豐富的工程經驗，解決了制約飛控電作動系統應用的高效發電、配電網絡，EHA/EMA高速伺服電機、高可靠大功率控制器設計等關鍵技術，提高了關鍵部件的技術成熟度，帶來了新世紀國外多電飛機技術的普遍應用，從軍機到民機的大量應用也證明了目前飛控電作動技術已能滿足飛控系統的苛刻要求，電作動系統大量裝機應用的時代已經到來。

EHA/EMA在飛控系統中的占比越來越大。目前A380、A350XWB使用的EHA、EBHA完成了一半的飛控舵面操縱任務，軍機F-35更是全部主控舵面使用EHA完成操縱，賽峰集團提出了Electric Wing的驗證計劃，完成A320飛機全部主控舵面EMA操縱的飛行驗證。在飛控作動領域，目前正處在傳統液壓作動被電作動匯合應用逐步替代的階段，隨著設計技術及使用經驗的積累，EHA/EMA全部替換掉傳統液壓作動器的時機即將到來。

機載電源系統、液壓系統體系已完成升級換代。機載電源系統已從傳統的115 V/400 Hz定頻發電過渡到了230 V變頻發電，取消了傳動的控制系統設計部件，提高了電源系統的功率重量比，發電功率更是從A380飛機的600 kW提高到了B787的1 MW；液壓系統普遍采用35 MPa的壓力體系，摒棄了21 MPa、28 MPa的傳統液壓供壓體系。

飛控電作動系統技術方案基本確定。EHA配置在副翼、升降舵、方向舵等主控制舵面，與傳統液壓作動器配合共同驅動飛機氣動舵面。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、剎車制動器等短時工作的機載操縱部件上。EHA具體實現方案基本固化，紛紛使用伺服電機+定量泵的技術方案，利用伺服電機的速度控制實現液壓作動筒的速度控制，伺服電機的換向實現液壓作動筒的換向，電機采用反電勢為正弦波的永磁同步電機，液壓泵多采用高速微型定量柱塞泵[7]。

2 電靜液作動器的國內發展現狀

國內機載電作動系統理論研究方面以北京航空航天大學最為活躍，其在電作動器的方案分析、控制理論研究、余度設計、直流無刷電機和電機控制器設計等方面做了很多理論及初步試驗工作。工程技術實踐方面，西安飛行自動控制研究所、南京液壓機電中心、西安慶安集團有限公司和航天運載火箭技術研究院第18研究所都進行了大量的原理研制及實驗工作。

北航的沙南生等[8]根據文獻并結合自身研究現狀提出了電作動系統的研究目標：對飛行控制舵面，戰斗機的每個作動器最大功率為35～50 kW，民用飛機舵面的典型功率為3 kW。其中，電機轉速應高達10000 r/min，其輸出力矩應滿足在1000 r/min時為50 N·m；若采用電靜液作動器，液壓泵轉速應達到10000 r/min，其排量為1～10 mL/r，電源為DC 270 V。就動態指標而言，電作動器應滿足負載為0.5%～5%時，響應頻率為5～30 Hz，另外空載速度、負載速度等指標必須滿足當前液壓作動系統作動筒能達到的指標[8]。

西安飛行自動控制研究所實現了大功率EHA/EMA從無到有，從試驗研究到工程試飛的突破，取得了較快的發展。經歷了技術探索階段、原理樣機研制階段、工程樣機研制階段。2005年完成了首臺EHA原理樣機的研制，實現了EHA工程樣機從無到有；2008年研制了首臺EBHA工程樣機，驗證了EBHA控制方法；2009年進行了首臺機械液壓雙余度EHA原理樣機的研制，積累了余度EHA設計經驗；2013年完成了某項目EHA伺服作動系統的研制，并隨載機首飛成功；2014年完成了電氣四余度EHA原理樣機的研制，積累了EHA余度管理設計經驗；同年研制出28 kW大功率EHA原理樣機。經過十多年的不斷探索，形成從單通道到雙余度、四余度，從定量泵到自適應變量泵，從EHA到EBHA較為完整的產品譜系，可提供電靜液伺服作動系統整套解決方案，并處于國內領先地位。

2015年西安飛行自動控制研究所針對大型民機飛控系統電功率作動的需求，開展大功率電靜液作動器研究，完成副翼電作動器原型樣機設計、生產和測試工作，進行遠程控制單元、電機控制器和電功率作動器的集成，完成大型民機電作動系統架構權衡研究，為EHA作動技術在大型民機型號上的應用提供支撐。大型民機副翼EHA作動器如圖4所示。

圖4 西安飛行自動控制研究所研制的大型民機副翼EHA作動器

受長期測繪仿制、體制機制、工業基礎等多方面因素影響制約，國內的電作動系統技術一直在低水平徘徊，許多關鍵技術尚未完全掌握。我國關于EHA作動器的研制，雖在前期進行了大量工作，但僅在個別問題上有所突破，還沒有形成完整多電飛機所需的EHA作動系統工程解決方案和工程產品，無法滿足目前啟動的多電寬體客機、多電中型四代機等型號的研制需求，以EHA作動技術為代表的電作動系統技術已成為制約我國多電飛機技術發展的瓶頸。

3 EHA功率電傳作動系統的關鍵技術

電作動系統技術是繼直接驅動閥式作動技術之后的關鍵作動技術[9]。然而，第五代戰機隱身、高速等特征要求機載系統具有更強的散熱能力，定向能武器的采用要求機載系統能夠提供更高的能量。遠程作戰飛機、無人機作戰飛機和高超聲速飛行器對機載作動系統的功重比提出了更高的要求。長航時無人機、遠程作戰飛機要求機載系統可靠性大幅度提升。大型運輸機對機載系統安全性、通用性和可靠性等提出了跨越式要求。同時，這些裝備共同的要求還包括機載系統具有更高的系統效率和更強的維護保障能力。以上裝備性能需求均對EHA作動技術的應用與發展提出了更高要求，因此需進一步改進EHA作動系統結構，并提升其可靠性、功重比、運動精度、效能、溫控性能以及故障容錯能力，成為制約EHA作動技術發展的主要技術難點。而圍繞上述技術瓶頸，EHA功率電傳作動系統需要突破的關鍵技術包括以下幾點內容。

3.1 高效大功率伺服控制器技術

3.1.1 寬溫度范圍下，高壓大功率驅動電路的工程實現

目前，大功率電機的功率驅動級拓撲結構基本都采用三相逆變橋，可用于該拓撲結構的功率元件大概有兩大類：驅動芯片+逆變橋、智能功率模塊IPM。前者硬件拓撲結構略為復雜，硬件開銷大，而且布局布線對信號質量及驅動性能有較大影響；后者集成度高、可靠性高，但溫度范圍為-25～85 ℃，不能進行工程化應用。且兩類拓撲架構的元器件都需要借助國外元器件廠商，國內暫無廠家能提供滿足要求的元器件。

三相逆變橋拓撲的功率驅動電路如何工程化實現并進行高可靠的工作[10]，是目前需要研究的關鍵技術之一。而實現寬溫度范圍下高壓大功率驅動電路設計，需重點突破如下內容。

(1)高性能驅動電路拓撲結構設計。

EHA作動系統在全工況、大負載作用情況下，需實現正向電動、正向制動、反向電動和反向制動4個狀態。在制動狀態下，大功率電機為發電狀態，會產生泵升電壓，疊加在直流母線上，會對直流母線側的元器件造成高壓損壞的威脅，同時有可能污染電網。將泵升能量快速有效地通過泄放通道泄放掉是提升驅動電路性能的關鍵，應在電路拓撲結構設計中重點考慮。

(2)高可靠大功率驅動逆變技術。

逆變技術就是將直流電轉變為交流電，逆變電路分為無源逆變和有源逆變兩類。將直流電轉變為交流電，直接向非電源負載供電的逆變電路稱為無源逆變電路；將直流電轉變為交流電，向交流電源反饋能量的逆變電路稱為有源逆變電路。無源逆變電路和有源逆變電路的根本區別在于其進行DC/AC變換的目的不同，無源逆變電路的變換目的是給負載提供交流電源，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供電，應重點突破基于無源逆變電路的高可靠大功率驅動逆變技術。

(3)大功率控制器熱設計技術研究。

控制器在驅動大功率作動器工作時，自身的熱損耗也比較嚴重，將引起控制器內部溫度上升。由于高溫對大多數電子元器件會產生嚴重的影響，會導致電子元器件失效，進而引起整個設備的失效[11]。過應力(即電、熱或機械應力)容易使元器件過早失效。因此，需基于熱分析、熱計算手段，實現控制器元器件選用，完成機上冷板傳導散熱、箱體散熱、導熱板傳熱等散熱方案設計。

3.1.2 伺服控制器的小型化和散熱設計技術

對于越來越多的分布式大功率伺服控制器和作動器遠程控制架構，需要對伺服控制器進行小型化設計。但針對大功率EHA控制，較大的工作電流和發熱損耗將帶來散熱要求和小型化設計的矛盾。需研究如何提高控制器的工作效率和散熱能力，實現一定程度上的小型化設計。

3.1.3 高壓大功率工況下的強弱電電磁兼容問題

DC 270 V的高工作電壓和不低于50 kW的輸出功率必將產生強電磁干擾。在這種環境下，數字伺服控制電路容易受到電磁干擾而出現系統工作不穩定、不可靠的情況[12]，同時對強電信號也需要通過隔離檢測、采集后進行閉環反饋。

3.2 高速大功率高功重比電機技術

大功率、高功率/重量比電機是電作動系統的驅動部件，電機的功率重量比以及輸出特性直接影響電作動系統的整體效能[13]。因此大功率高重量比直流無刷電機的電磁結構的優化方案，高性能繞組成型方案，高性能新材料的利用，電磁和流體的穩態與暫態熱場的分析，電機鐵耗、機損、磁鋼內渦流損耗分析和低電感驅動控制技術都是研究重點。

3.2.1 高功重比電機設計技術

高功重比電機高性能的體現在于電磁、流體、熱以及性能、體積、質量等綜合權衡后所需要達到的最優結果[14]，因此在設計時需要進行以下5個方面的技術研究。

(1)高性能材料應用研究。

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

(2)電磁架構技術研究。

研究基于Halbach電磁架構下電機理論和數學模型的構建。這種構型無法從現有商業化設計軟件中找尋，需要從最基本的麥克斯韋電磁場理論出發，推導出新型電磁結構下性能的解析計算方法。

(3)電磁性能與損耗的仿真計算。

在奠定電機理論計算模型后，需要進行電磁仿真以驗證電機理論計算的正確性。而對于該磁場結構，無法進行平面化仿真，因此要進行精確的模擬仿真，必須要構建正確的立體場仿真模型。在此模型下，進行電機電磁場的模擬仿真，驗證解析計算的正確性，同時進一步指導電機結構的優化設計。

(4)暫態流體、電磁場、熱場綜合分析技術研究。

通過分析影響機械功率輸出的敏感因素，并進行優化分析，完成全數學電磁、熱、流體綜合建模[15]。

(5)電機磁、熱、機械結構一體化設計。

在上述研究的基礎上，進行電機磁、熱、機械結構一體化電機設計研究。高功率密度電機內部電磁場能量密度很高，電機漏磁、齒槽效應、磁滯渦流效應、飽和效應、溫升問題等尤其突出,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內部電磁場分布更加復雜,這些因素都影響著電機的性能品質[16]。因此必須關注熱產生機理，在此基礎上重點研究其分析方法，最終指導電磁機的結構設計。另外對機械功能輸出影響因素進行分析，論證電感電阻等電氣指標、磁密分布的電磁指標、磁結構尺寸指標等，避免出現大功率電動機機械特性偏軟的現象[17]，最終達到高性能、小體積、小質量的目標。

3.2.2 高功重比電機工藝實現技術

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

對繞組定型灌封材料和工藝的研究。在繞組成型工藝完成后，繞組的定型至關重要[18]。繞組在承受各種類型電磁力的同時還需要承受熱量的沖擊，因此灌封材料必須兼具良導熱、高強度、強絕緣等特性，這對材料提出了較高的要求。為此，需要對繞組定型材料和工藝進行摸索研究，為未來電機功率密度的進一步提高提供支撐。

3.3 大功率高精度電機控制策略

功率電傳作動器需要具備高動態、高功重比、高空載速度等特點[8]，為了最大限度地提高電作動器的性能，控制策略方面將重點研究永磁同步電機電流環無差拍控制技術、最大轉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器的高可靠需求，對永磁同步電機重要信息進行故障監控與容錯控制策略研究[19]。

3.3.1 永磁同步電機電流環無差拍控制策略

在永磁同步電機數字控制系統中，電流控制環的主要作用是在確保穩定的前提下，提高系統的動靜態性能，使電機的實際電流矢量能夠跟隨參考電流矢量[20]。與傳統的PI調節器生成參考電壓的方式不同，基于電流預測控制的主要思想為：在第k個載波周期[kTs,(k+1)Ts]開始時刻kTs，根據采樣得到的實際電流矢量I(k)，得到電流偏差矢量預測值ΔI(k)，根據ΔI(k)和參考電壓輸出U*(k)，計算得到需要的參考電壓矢量U(k)，然后運用SVPWM方法合成這一輸出電壓矢量，使得在(k+1)Ts時刻的實際電流矢量能夠跟蹤參考電流矢量，即ΔI(k+1)=0。

無差拍控制可以最大限度地提高永磁同步電機電流環的動態性能[21]，然而該方法提高動態性能的同時卻犧牲了系統的穩定裕度，因此采用無差拍控制策略后，對系統穩定裕度的分析勢在必行。通過改進無差拍控制的策略，尋找一種新型的無差拍控制方法，犧牲控制系統的少許動態性能，提高系統的穩定裕度，進而使伺服系統同時滿足動態性能要求和穩定裕度指標。電機電阻會隨電機工作溫度的變化而變化，電機定子電感會隨電機繞組電流的變化而變化。而無差拍控制是一種基于模型的控制方法，參數的變化勢必對系統的控制精度和穩定性帶來嚴重影響，研究一種消除參數變化對無差拍控制策略的影響的方法勢在必行。查找表法是一種簡單、有效的辦法，然而如何準確獲得電機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，即電機離線參數測量也是研究的關鍵問題之一。

3.3.2 永磁同步電機弱磁增速控制策略

隨著電機轉速不斷升高，當轉速達到額定轉速時，電機端電壓達到逆變器所提供的極限電壓，電機將無法繼續升高轉速。為進一步提高電機轉速，只有通過調節定子電流，即增加直軸電流分量，同時減小交軸電流分量來實現弱磁升速[22]。為最大限度地利用逆變器容量，在弱磁區控制電流矢量時需沿著電流極限圓逆時針向下旋轉。弱磁控制技術可以充分利用控制器和電機的容量，拓寬電機空載和輕載時的轉速范圍，為滿足電作動器最大空載速度和高動態響應的要求提供有力支撐。

弱磁控制算法主要分為以下幾類：公式計算法弱磁控制、查表法弱磁控制、梯度下降法弱磁控制和負直軸電流補償法弱磁控制等。公式計算法原理簡單，但該方法是一種基于模型的弱磁控制算法，因此其對電機參數變化較為敏感，電機參數的變化可能會導致電流環控制器積分飽和，從而使電機控制失控；而且弱磁控制的最大電壓不能超過逆變器輸出正六邊形電壓邊界內切圓，因此逆變器的直流母線電壓沒有被充分利用。直軸負電流補償法是在最大轉矩電流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略的基礎上增加電壓閉環，最大電壓矢量和逆變器指令電壓矢量的差值經PI控制器調節產生電流矢量角補償量，通過調整電流矢量角實現電機的弱磁控制。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參數的變化對弱磁控制的影響，然而最大電壓也只能設置在逆變器輸出電壓邊界正六邊形內切圓內，與公式計算法相比，直流電壓利用率并沒有得到提高。該方法存在電壓外環，不會出現電流環控制器積分飽和導致電機失控的現象，因此其穩定裕度較高。梯度下降法弱磁控制同樣是在MTPA控制的基礎上將逆變器實際輸出電壓與逆變器實際電壓作差[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償量，通過調整電流矢量角實現電機的弱磁控制。該方法的優勢在于可充分利用逆變器的直流母線電壓，然而需要額外設置電壓傳感器以檢測逆變器的輸出電壓值。不同的弱磁控制方法具備不同的優勢[24]，如何根據該項目的技術指標設計一種既簡單又便于實現，對電機參數變化不敏感，穩定裕度大，同時能滿足項目對電機最大速度要求的方法是該部分的研究重點。

3.4 高可靠高速液壓泵設計技術

液壓泵是電靜液作動器的關鍵部件，如同“心臟”一般為作動器提供液壓壓力、流量[25]，驅動作動筒及負載運動。隨著戰機高速大機動的作戰需求的提升以及舵機的輸出力和速度指標的不斷提高，液壓泵只有向高速、高壓、長壽命方向發展，才能提高EHA的功重比、可靠性和動態性能，滿足工程應用要求[26]。目前航空液壓泵壓力多為21 MPa/28 MPa，轉速在萬轉以下。為了提高功重比，液壓柱塞泵將實現額定壓力35 MPa，轉速在萬轉以上，并且做到小型化插裝式設計，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[27]。同時為了減少體積、質量，雙系統EHA中有一個系統采用了非對稱腔作動筒，為了匹配不同的流量需求，該系統必須研制專用非對稱排量的高速液壓泵[28]。

面對上述關鍵技術及難點，需開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滑和摩擦磨損機理研究以及非對稱泵配流設計研究，突破插裝泵一體化結構設計、非對稱流量泵配流設計、核心零件配合副的高精加工/成型、高速重載摩擦副的配對材料選擇、摩擦副油膜潤滑特性分析和寬溫范圍全性能試驗驗證等關鍵技術。

3.5 EHA監控器的設計

EHA作動器與傳統的液壓作動器存在較大差異，因此監控器的種類也與液壓作動器存在本質區別[29]。EHA作動器的監控器主要包括：① 電壓監控器：主要用于監控控制器的一次側和二次側電壓，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 母線電壓監控：主要監測控制器直流母線電壓是否故障。③ 作動器指令表決監控：監控3個通道的指令是否一致[30]。④ 指令電流比較監控：當兩個液壓系統均正常工作時，在作動器力均衡控制策略的作用下，兩個電機的輸出扭矩基本相當，該監控器用于監控作動器各自通道的電流指令是否故障。⑤ 旋轉變壓器監控：用于監控電機測速鏈路內是否發生故障。⑥ 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)基極驅動電路監控：用于監控IGBT基極驅動電路是否存在欠壓等故障。⑦ 電機相電流監控：用于監控電機電流傳感器是否發生故障。⑧ 電機溫度監控：檢測電機工作溫度。⑨ 油液溫度監控：監控作動器油液溫度，油液溫度過低，作動器的黏滯阻尼過大，會影響作動器正常工作。⑩ 在線電流監控：用于監控電機的電流環是否處在閉環狀態，電機是否可控。SOV電流模型監控：監控SOV的工作狀態是否正常。作動器速度轉換模型監控：主要用于監控電機—泵—液壓油—作動筒之間的傳遞關系是否正常，該監控器在壓力傳感器正常工作的情況下，也能監控出作動器的過載問題[31]。電機泵模型監控：主要監控電機和液壓泵的狀態是否正常，當電機或柱塞泵存在較為嚴重的機械卡阻情況，該監控器將報故[32]。壓力傳感器監控：監控壓力傳感器是否正常工作。蓄能器液位位置監控：測試蓄能器的液位，當蓄能器內的液位過低或者過高時，該監控器報故障。

4 對EHA作動技術未來發展的動向展望

上述EHA作動系統關鍵技術主要對標現有戰機的技術要求，而對于新時期的空戰裝備，特別是新一代(第六代)戰機，目前各國給出的方案均為無尾翼或小尾翼的機身一體的超扁平結構，同時具有超高音速飛行、超遠距離巡航、超高靈活機動、無人化自主作戰、高智能化程度等全新能力[33-34]，這對EHA作動技術的發展又提出了全新要求，主要體現在以下幾個方面。

4.1 EHA作動系統的集成化/輕量化設計技術

下一代戰機翼的機身一體的扁平化結構特點，以及飛機在超高速、長距離巡航過程中對能耗的限制，要求EHA作動系統具有小型化、輕量化、結構緊湊、高功重比等特點[35]，這對EHA作動系統結構設計提出了較高的挑戰。通過選擇輕量化材料，基于最小包絡準則，開展電液伺服閥、功能閥、殼體、筒體、電機與泵的一體化設計；并在滿足工作能力要求的情況下簡化傳統結構；同時結合3D打印作動器設計技術以及大流量、小體積、快速響應2D伺服閥技術等；實現EHA作動系統輕量化、小型化，以及工作效能及功重比的提升，以滿足新一代戰機的結構特點與飛行要求。

4.2 EHA作動系統余度管理與容錯控制技術

為提升EHA作動系統的整體可靠性，廣泛采用了機械、電氣、控制余度設計準則，通過作動系統的軟硬件備份實現故障的可靠容錯。然而，多余度通道同時工作時易產生相互影響，例如對于具有兩個相互串聯的液壓缸和活塞桿的雙余度作動系統，兩個獨立的液壓系統同時供油時易發生活塞桿輸出的力紛爭現象，從而嚴重影響作動系統的工作效果。因此，需要研究EHA作動系統的余度管理技術[36]，攻克啟動邏輯、模態轉換保持邏輯等電作動系統特有難題，確保多余度間協同工作。進一步，引入作動系統狀態監控與故障檢測技術，實時監控作動器工作狀態，并在某通道故障后迅速完成重構，完成故障容錯控制，保證EHA作動系統的高可靠性。

4.3 功率電傳EHA作動系統能量傳輸與匹配運行技術

功率電傳EHA作動系統的主要控制形式為伺服電機控制變量或定量液壓泵，通過容積調節伺服驅動作動系統。其主要特征是內嵌靜液傳動機構，但目前主要面臨動態特性差、功率密度低、熱效應嚴重和余度配置困難等問題，低動態特性是制約電靜液作動器在飛行器中廣泛應用的主要因素之一[37]。因此，需要對電靜液作動器各環節固有頻率特性和功率需求進行分析，揭示電機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、強非線性、動態特性與負載耦合嚴重、功率匹配約束控制等內在機理，優化EHA作動系統的能量傳輸與匹配運行能力。

4.4 大功率EHA熱管理技術

隨著多電、全電等航空技術的不斷應用，促使機載飛控電子必須向大功率方向發展，以滿足現有的、未來的航空技術對飛控電子的功能性能要求，EHA作動系統也不例外。然而，大功率EHA作動系統工作時將產生大量熱量[38]，例如質量為10 kg的50 kW級以上的大功率EHA作動系統，即使逆變效率達到90%，其熱功率依然達到5 kW的量級，其功率密度高達500 W/kg，直接影響控制器與作動器的工作安全性。因此，必須根據各種機上安裝的環境條件，提出針對性的熱管理方案，解決EHA控制器的散熱問題，保證設備的可靠工作。

4.5 智能化EHA作動技術

隨著數字伺服技術的日益成熟，智能控制策略、智能故障檢測和健康管理技術的發展，智能EHA作動系統將成為未來機載作動系統的發展方向。相對傳統機載作動系統的伺服作動器，智能作動器將以余度數字伺服技術為基礎，采用智能補償算法和控制策略提高作動器的性能，降低作動器的各種固有非線性對其性能的影響。同時，由于數字控制可以采用智能故障診斷技術實現作動器的故障定位隔離，采用重構等技術可以實現作動器電氣通道的智能容錯，因此，作動系統智能化將顯著提高飛機的可靠性、安全性及維護性，成為作動技術重點發展的方向之一[39]。

5 結束語

為簡化傳統飛機的冗雜液壓系統，多電/全電航空技術在近幾年得到了迅猛發展，而EHA電傳作動技術憑借其高效率、低泄漏、高可靠、長壽命等一系列特點，必將在未來飛機中得到廣泛應用。就調研情況來看，目前EHA作動技術主要注重功率、運行速度和故障檢測能力的提升，以滿足現階段飛機的高速靈活機動要求，因此目前國內外學者主要圍繞大功率EHA作動器及其關鍵部組件開展研究。而下一代戰機的高超音速、遠距離作戰、長時間巡航、高靈活機動、超高靈活機動、無人化自主作戰、高智能化程度、超扁平結構等性能特點，對EHA作動系統整體結構輕量化、小型化、整體可靠性和智能化程度提升等提出了全新技術要求，具體體現在以下5個方面。

① EHA作動系統的集成化/輕量化設計技術。

② EHA作動系統余度管理與容錯控制技術。

③ 功率電傳EHA作動系統能量傳輸與匹配運行。

④ 大功率EHA熱管理技術。

⑤ 智能化EHA作動技術。

相信隨著上述關鍵技術的不斷攻克，EHA作動系統性能將不斷提升，用于下一代戰機也只是時間問題。

目前，在國外電傳伺服作動領域，EHA作動技術已成功應用于軍機與民機中，而國內對EHA作動技術的研究起步較晚，尚處于原理樣機驗證階段，限制其上機應用的挑戰來自于各個方面，特別是材料的研究、工藝的提升、技術的創新等方面。但國內多家研究所和高校正在不斷努力突破EHA作動系統研制中的各項關鍵技術。相信在不遠的將來，我國的飛機也能用上自主研制的先進EHA作動技術。