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欧宝体育app登陆登录:论文推荐 飞机飞控作动系统电静液作动技术研究综述
产品介绍

  引用格式:关莉,廉晚祥.飞机飞控作动系统电静液作动技术研究综述[J].测控技术,2022,41(5):1-11.

  介绍了电静液作动器(EHA)的优势,论述了飞机采用EHA作动技术的收益。介绍了国内外EHA的发展现状,描述了EHA作动技术中高可靠高速液压泵的设计和高效大功率伺服控制器设计的难点,以及高功重比电机技术、电机控制策略和EHA监控器设计的重点。最后结合现有EHA作动技术缺陷以及新时期航空技术装备发展的不足,对EHA作动技术的未来发展趋势进行展望。

  20世纪80年代欧美地区的一些国家进行了大量电静液作动器(Electro-Hydrostaic Actuator,EHA)作动系统原理样机试飞验证,表明EHA作动方案具有一系列优点。目前,EHA作动技术已成功应用于美国F-35战斗机与空客A380客机主控舵面的控制中。与传统液压作动技术相比,EHA作动技术拥有诸多优势,主要体现在以下4个方面。

  ① EHA供电系统与中央计算机连接,供电系统发生故障后能立即重新布局,具有容错能力,有用电少、发热少、部件磨损小、可靠性高等工作特点。

  ② 由于简化了外部供油回路,使用EHA作动系统,在机身和机翼中无需设置复杂的高压液压管道,不存在液压油泄漏、污染等问题,飞机局部受损后生存力更强。

  ③ EHA作动系统中微处理器具有很强的机内检测能力,降低了对地面设备和维护人员的要求,可以减轻甚至取消传统液压系统必需的诸如更换油滤、重新加注液压油、液压系统排气等外场定期维护工作。

  ④ EHA作动系统按需用电,舵面负载轻时很少甚至不从机载发电机取电,减轻了飞机发动机负载和燃油消耗,极大地节省了燃油消耗,减轻起飞质量和飞机的冷却负担。采用EHA作动系统后,无需从发动机引气,提高了发动机的工作效率,使得相同推力需求的发动机体积更小、质量更轻,同时飞行控制、刹车、冷却功能均得到改善。EHA作动系统效率高,飞机的出动架次率高,所需装备的飞机数量可减少,飞机的生产费用、发展费用和寿命期费用也将降低。

  可见,EHA电传作动技术的应用可以彻底取消传统飞机上的液压系统,彻底根除飞机液压系统的“跑冒滴漏”问题,从而提升飞机整机的可靠性。同时与传统液压作动系统相比,采用EHA驱动系统控制主舵面可以有效地实现飞机整机的能量管理,因此高性能电作动技术可以简化系统结构,优化资源配置,提高能源利用效率、功重比、可靠性、测试性和维护性,降低全寿命成本。另外,EHA作动技术本身具有电传作动能力,符合未来多电/全电战机的发展需求,因此其已成为未来先进飞机机载作动系统的发展方向。

  空中客车公司相继推出了A380、A350XWB多电客机,而波音公司也研制了B787多电客机与之抗衡,这些飞机均采用了目前世界多电飞机技术研制成果,以多电、混合飞控作动功率源分布,传统FBW液压伺服控制和以EHA为主的电力作动器并存为特点,瞄准了宽体客机应用市场。

  从20世纪90年代开始,得益于电磁技术、数字信号处理技术、大功率伺服技术的进步,电静液作动系统迎来了工程样机研制和试飞的高峰。国外EHA作动技术的发展经历了技术研究探索、工程样机研制和型号服役装备3个阶段,如图1所示。

  1996年,卢卡斯公司在爱德华美国空军基地用IAP取代C-141飞机副翼上传统的液压作动器,完成20 h的试飞,并进行了可靠性飞行验证。1998年,卢卡斯公司又设计了EHA在C-141副翼上完成近1000 h的飞行试验(该集成作动器模块如图2所示)。20世纪90年代,美国EHA己接近实际应用水平。1991年12月,Parker公司研制的EHA作动器在C-130飞机上完成了空中试飞并取得满意效果。

  试飞验证的成功证明了以EHA为代表的电作动系统已能满足现代型号主控舵面电作动的应用需求,对EHA作动系统在现代飞机上进行大量研制和装备的时代已经到来。传统液压作动器研制厂商纷纷加入EHA的研制行列,美国的Parker、Moog公司,欧洲的Lucas、Liebherr、Goodrich研制了不同的EHA并在飞机上实现了试飞验证,并提高自身EHA技术成熟度,为型号大批量应用奠定了基础。Parker公司承担了JSF飞机的方向舵、襟副翼EHA的研制任务,采用电气三余度、机械液压双余度配置,使用正弦波直流无刷电机和定量泵驱动双腔串列作动筒的技术方案,作动器最大输出力15.5 t;Parker公司最终承担了F-35主飞行控制舵面EHA的研制任务。Moog公司先后在F-15飞机平尾、F-18飞机平尾装备其研制的EHA进行试飞,也使用了正弦波电机+定量泵的EHA方案;试飞的成功提升了Moog公司的技术成熟度,使Moog公司与Parker公司共同承担了F-35飞机主控舵面EHA的研制工作。欧洲的Liebherr公司在2001年就自行研制了大飞机用EHA样机,并最终在欧洲主导研制的A380飞机、A400M飞机上承担了EHA的研制任务。

  进入21世纪后,空客公司率先推出了A380多电客机,采用EHA与传统液压作动器共同驱动飞控主控舵面,在A380技术基础上,相继推出了A400M军用运输机、A350XWB多电宽体客机,投入装备运营。

  A380飞机采用了一种双体系结构的飞行控制系统,即把用于备份系统的EHA作动器与主动控制的常规电传液压伺服作动器结合起来,形成4套独立的主飞行控制系统。其中2套系统采用传统的以液压为动力的作动系统,另外2套以电为动力,装备用于操纵面的EHA作动系统。这是经典的2H/2E飞控能源配置结构,理论上这4套系统中的任何一套都可以用来对飞机进行控制,这使A380飞机的飞行控制在系统独立性和余度上都达到了前所未有的水平。

  A380飞机在副翼使用4台EHA,升降舵使用4台EHA与传统液压作动器构成非相似余度。方向舵、扰流板分别使用4台电备份液压作动器(EBHA)驱动,使用电作动构成应急备份操纵。缝翼、水平安定面利用电驱动的伺服电机与液压驱动的液压马达综合后驱动舵面运动。A380两侧的水平安定面上各有2个独立的升降舵。各升降舵都有1个液压作动器和1个EHA。同样地,还有2个独立的方向舵,每个方向舵使用2个EBHA。空客A380升降舵EHA与传统液压作动器如图3所示。EBHA在正常模式下是以液压为动力,在备份模式下以电力为动力。A380每个机翼有3个副翼,各副翼通过2个作动器来偏转。内侧和中间的副翼采用1个液压作动器和1个EHA作动器,而外侧副翼采用2个液压作动器。扰流板(每个机翼有8个)作动器是以液压为动力的。然而,各侧机翼上均有2个扰流板作动器,均是以电力作为备份动力的EBHA。

  空客A380 装备的EHA主要性能指标如表1所示,副翼EHA、升降舵EHA与传统液压作动器主要性能指标一致,方向舵、扰流板EBHA除速度外,其他指标与传统液压作动器一致。

  电静液作动器中2个背对背单向阀允许蓄能器补充液压管路中的液流损失。2个减压安全阀保护作动筒、安装结构、舵面等,避免因异常而产生过压或变形。模态转换阀可隔离作动筒与泵的连接,在系统故障时,可将作动器切换至阻尼旁通工作模式。作动筒内部安装LVDT传感器,测量作动筒位移。电机内部装有RVDT,测量电机转子的角位移和速度。电机绕组内部集成温度传感器,对电机绕组工作温度进行实时监控。EHA集成作动筒两腔压差传感器,对作动器工作压力进行监控。设计补油电磁阀通过机载液压系统对EHA内部封闭的液压油进行补充,满足民机超长服役期对EHA液压泄漏的苛刻要求。模态转换阀直接驱动电磁阀,同时集成LVDT对模态转换阀工作状态进行监控,确保作动器工作模态切换。

  当作动器正常工作时,模态转换电磁阀(Solenoid Value,SOV)通电,推动模态选择阀至正常工作模态。飞控计算机的舵机控制信号经大功率控制器伺服放大,驱动正弦波直流无刷伺服电机带动液压泵转动,液压泵分配负载流量,经过模态选择阀,作用于作动筒的两腔,推动作动筒运动。在伺服电机及作动筒上分别装有旋转变压器、LVDT,形成内外回路的闭环控制。

  当EHA作动系统发生故障,SOV断电,模态选择阀将进行转换,使得作动器在阻尼旁通模态下工作。

  EBHA正常工作时与传统液压作动器完全相同。机载油源提供的液压油通过电液伺服阀(EHSV)控制后,经过液压模态转换阀驱动液压作动筒运动。液压系统故障后,EBHA切换至EHA工作模态,伺服电机通电工作,带动液压泵运转,液压泵输出的高压油经由电气模态转换阀分配至液压作动筒。与其他舵面驱动作动器相同,EBHA也可在阻尼旁通模态下工作。

  空客在飞控作动系统中坚持主动/备用作动器布局为基础的原则,A380选择的多电结构使用EHA作为备用作动器,主动作动器仍然采用常规的液压伺服控制。这种布局方式使A380飞机具有以下优点:① 非相似功率源提供舵面动力。② 提高了任务可靠性(生存力),有4个动力供给系统,而不是3个;从3个动力系统对副翼和升降舵供电,对每个EBHA独立供电,当发生液压系统故障时不会造成全部失效。③ 整机能耗降低。④ 简化机上能源布局。但与普通电液伺服作动器(EHSA)相比,EHA、EBHA作动器的结构更为复杂。

  A350XWB飞机沿用传统液压作动器与电静液作动器汇合应用的组合形式,在升降舵使用2台EHSA、2台EHA,方向舵使用2台EHSA、1台EHA,扰流板使用8台EHSA、4台EBHA,内侧副翼使用2台EHSA、2台EHA,外侧副翼使用4台EHSA,装备电机驱动的水平安定面作动器。缝翼采用电机驱动,翼尖采用减速板电驱动。多电架构的采用,使A350XWB飞控系统减轻了质量,获得了高可靠性和低维护成本,竞争力明显提升。

  波音公司2004年启动了波音787飞机的研制,首次使用机电作动器(Elect-Mechanical Actuator,EMA)进行飞行控制,使飞机获得了空前的性能。

  波音787作动系统采用传统液压作动器与机电作动器组合驱动,包括用于副翼、襟副翼,内、外阻流板,升降舵和方向舵的带远程闭环电子设备的传统液压作动器,水平安定面、中间扰流板采用的机电伺服作动器。波音787在DC±270 V电源转换部件、EMA伺服电机控制器中使用液冷进行散热,提高了作动器的功率重量比。

  空客A380、A350XWB和波音787是世界多电客机的代表,其技术水平引领了世界多电客机及其采用的飞控电作动技术的发展,具有以下发展趋势。

  多电客机技术成熟,多电飞机研制普遍化。实际上20世纪90年代欧美在军机、民机领域开展的多轮飞控电作动技术验证,为其应用积累了丰富的工程经验,解决了制约飞控电作动系统应用的高效发电、配电网络,EHA/EMA高速伺服电机、高可靠大功率控制器设计等关键技术,提高了关键部件的技术成熟度,带来了新世纪国外多电飞机技术的普遍应用,从军机到民机的大量应用也证明了目前飞控电作动技术已能满足飞控系统的苛刻要求,电作动系统大量装机应用的时代已经到来。

  EHA/EMA在飞控系统中的占比越来越大。目前A380、A350XWB使用的EHA、EBHA完成了一半的飞控舵面操纵任务,军机F035更是全部主控舵面使用EHA完成操纵,赛峰集团提出了Electric Wing的验证计划,完成A320飞机全部主控舵面EMA操纵的飞行验证。在飞控作动领域,目前正处在传统液压作动被电作动汇合应用逐步替代的阶段,随着设计技术及使用经验的积累,EHA/EMA全部替换掉传统液压作动器的时机即将到来。

  机载电源系统、液压系统体系已完成升级换代。机载电源系统已从传统的115 V/400 Hz定频发电过渡到了230 V变频发电,取消了传动的控制系统设计部件,提高了电源系统的功率重量比,发电功率更是从A380飞机的600 kW提高到了B787的1 MW;液压系统普遍采用35 MPa的压力体系,摒弃了21 MPa、28 MPa的传统液压供压体系。

  飞控电作动系统技术方案基本确定。EHA配置在副翼、升降舵、方向舵等主控制舵面,与传统液压作动器配合共同驱动飞机气动舵面。EMA大多配置在襟翼、缝翼、扰流板等辅助操纵舵面和起落架收放、推力矢量控制、刹车制动器等短时工作的机载操纵部件上。EHA具体实现方案基本固化,纷纷使用伺服电机+定量泵的技术方案,利用伺服电机的速度控制实现液压作动筒的速度控制,伺服电机的换向实现液压作动筒的换向,电机采用反电势为正弦波的永磁同步电机,液压泵多采用高速微型定量柱塞泵。

  国内机载电作动系统理论研究方面以北京航空航天大学最为活跃,其在电作动器的方案分析、控制理论研究、余度设计、直流无刷电机和电机控制器设计等方面做了很多理论及初步试验工作。工程技术实践方面,西安飞行自动控制研究所、南京液压机电中心、西安庆安集团有限公司和航天运载火箭技术研究院第18研究所都进行了大量的原理研制及实验工作。

  北航的沙南生等根据文献并结合自身研究现状提出了电作动系统的研究目标:对飞行控制舵面,战斗机的每个作动器最大功率为35~50 kW,民用飞机舵面的典型功率为3 kW。其中,电机转速应高达10000 r/min,其输出力矩应满足在1000 r/min时为50 N·m;若采用电静液作动器,液压泵转速应达到10000 r/min,其排量为1~10 mL/r,电源为DC 270 V。就动态指标而言,电作动器应满足负载为0.5%~5%时,响应频率为5~30 Hz,另外空载速度、负载速度等指标必须满足当前液压作动系统作动筒能达到的指标。

  西安飞行自动控制研究所实现了大功率EHA/EMA从无到有,从试验研究到工程试飞的突破,取得了较快的发展。经历了技术探索阶段、原理样机研制阶段、工程样机研制阶段。2005年完成了首台EHA原理样机的研制,实现了EHA工程样机从无到有;2008年研制了首台EBHA工程样机,验证了EBHA控制方法;2009年进行了首台机械液压双余度EHA原理样机的研制,积累了余度EHA设计经验;2013年完成了某项目EHA伺服作动系统的研制,并随载机首飞成功;2014年完成了电气四余度EHA原理样机的研制,积累了EHA余度管理设计经验;同年研制出28 kW大功率EHA原理样机。经过十多年的不断探索,形成从单通道到双余度、四余度,从定量泵到自适应变量泵,从EHA到EBHA较为完整的产品谱系,可提供电静液伺服作动系统整套解决方案,并处于国内领先地位。

  2015年西安飞行自动控制研究所针对大型民机飞控系统电功率作动的需求,开展大功率电静液作动器研究,完成副翼电作动器原型样机设计、生产和测试工作,进行远程控制单元、电机控制器和电功率作动器的集成,完成大型民机电作动系统架构权衡研究,为EHA作动技术在大型民机型号上的应用提供支撑。大型民机副翼EHA作动器如图4所示。

  受长期测绘仿制、体制机制、工业基础等多方面因素影响制约,国内的电作动系统技术一直在低水平徘徊,许多关键技术尚未完全掌握。我国关于EHA作动器的研制,虽在前期进行了大量工作,但仅在个别问题上有所突破,还没有形成完整多电飞机所需的EHA作动系统工程解决方案和工程产品,无法满足目前启动的多电宽体客机、多电中型四代机等型号的研制需求,以EHA作动技术为代表的电作动系统技术已成为制约我国多电飞机技术发展的瓶颈。

  电作动系统技术是继直接驱动阀式作动技术之后的关键作动技术。然而,第五代战机隐身、高速等特征要求机载系统具有更强的散热能力,定向能武器的采用要求机载系统能够提供更高的能量。远程作战飞机、无人机作战飞机和高超声速飞行器对机载作动系统的功重比提出了更高的要求。长航时无人机、远程作战飞机要求机载系统可靠性大幅度提升。大型运输机对机载系统安全性、通用性和可靠性等提出了跨越式要求。同时,这些装备共同的要求还包括机载系统具有更高的系统效率和更强的维护保障能力。以上装备性能需求均对EHA作动技术的应用与发展提出了更高要求,因此需进一步改进EHA作动系统结构,并提升其可靠性、功重比、运动精度、效能、温控性能以及故障容错能力,成为制约EHA作动技术发展的主要技术难点。而围绕上述技术瓶颈,EHA功率电传作动系统需要突破的关键技术包括以下几点内容。

  目前,大功率电机的功率驱动级拓扑结构基本都采用三相逆变桥,可用于该拓扑结构的功率元件大概有两大类:驱动芯片+逆变桥、智能功率模块IPM。前者硬件拓扑结构略为复杂,硬件开销大,而且布局布线对信号质量及驱动性能有较大影响;后者集成度高、可靠性高,但温度范围为-25~85 ℃,不能进行工程化应用。且两类拓扑架构的元器件都需要借助国外元器件厂商,国内暂无厂家能提供满足要求的元器件。

  三相逆变桥拓扑的功率驱动电路如何工程化实现并进行高可靠的工作,是目前需要研究的关键技术之一。而实现宽温度范围下高压大功率驱动电路设计,需重点突破如下内容。

  EHA作动系统在全工况、大负载作用情况下,需实现正向电动、正向制动、反向电动和反向制动4个状态。在制动状态下,大功率电机为发电状态,会产生泵升电压,叠加在直流母线上,会对直流母线侧的元器件造成高压损坏的威胁,同时有可能污染电网。将泵升能量快速有效地通过泄放通道泄放掉是提升驱动电路性能的关键,应在电路拓扑结构设计中重点考虑。

  逆变技术就是将直流电转变为交流电,逆变电路分为无源逆变和有源逆变两类。将直流电转变为交流电,直接向非电源负载供电的逆变电路称为无源逆变电路;将直流电转变为交流电,向交流电源反馈能量的逆变电路称为有源逆变电路。无源逆变电路和有源逆变电路的根本区别在于其进行DC/AC变换的目的不同,无源逆变电路的变换目的是给负载提供交流电源,有源逆变电路的变换目的是将直流电源的能量反馈至交流电源。而为了给大功率电机供电,应重点突破基于无源逆变电路的高可靠大功率驱动逆变技术。

  控制器在驱动大功率作动器工作时,自身的热损耗也比较严重,将引起控制器内部温度上升。由于高温对大多数电子元器件会产生严重的影响,会导致电子元器件失效,进而引起整个设备的失效。过应力(即电、热或机械应力)容易使元器件过早失效。因此,需基于热分析、热计算手段,实现控制器元器件选用,完成机上冷板传导散热、箱体散热、导热板传热等散热方案设计。

  对于越来越多的分布式大功率伺服控制器和作动器远程控制架构,需要对伺服控制器进行小型化设计。但针对大功率EHA控制,较大的工作电流和发热损耗将带来散热要求和小型化设计的矛盾。需研究如何提高控制器的工作效率和散热能力,实现一定程度上的小型化设计。

  DC 270 V的高工作电压和不低于50 kW的输出功率必将产生强电磁干扰。在这种环境下,数字伺服控制电路容易受到电磁干扰而出现系统工作不稳定、不可靠的情况,同时对强电信号也需要通过隔离检测、采集后进行闭环反馈。

  大功率、高功率/重量比电机是电作动系统的驱动部件,电机的功率重量比以及输出特性直接影响电作动系统的整体效能。因此大功率高重量比直流无刷电机的电磁结构的优化方案,高性能绕组成型方案,高性能新材料的利用,电磁和流体的稳态与暂态热场的分析,电机铁耗、机损、磁钢内涡流损耗分析和低电感驱动控制技术都是研究重点。

  高功重比电机高性能的体现在于电磁、流体、热以及性能、体积、质量等综合权衡后所需要达到的最优结果,因此在设计时需要进行以下5个方面的技术研究。

  进行更高磁能积的硬磁材料应用以及更低损耗的软磁材料应用研究,以提高电机整体性能、降低损耗、提升效率和功重比。

  研究基于Halbach电磁架构下电机理论和数学模型的构建。这种构型无法从现有商业化设计软件中找寻,需要从最基本的麦克斯韦电磁场理论出发,推导出新型电磁结构下性能的解析计算方法。

  在奠定电机理论计算模型后,需要进行电磁仿真以验证电机理论计算的正确性。而对于该磁场结构,无法进行平面化仿真,因此要进行精确的模拟仿真,必须要构建正确的立体场仿真模型。在此模型下,进行电机电磁场的模拟仿真,验证解析计算的正确性,同时进一步指导电机结构的优化设计。

  通过分析影响机械功率输出的敏感因素,并进行优化分析,完成全数学电磁、热、流体综合建模。

  在上述研究的基础上,进行电机磁、热、机械结构一体化电机设计研究。高功率密度电机内部电磁场能量密度很高,电机漏磁、齿槽效应、磁滞涡流效应、饱和效应、温升问题等尤其突出,而且随着中频逆变电源的采用,逆变器输出谐波分量的存在使得电机内部电磁场分布更加复杂,这些因素都影响着电机的性能品质。因此必须关注热产生机理,在此基础上重点研究其分析方法,最终指导电磁机的结构设计。另外对机械功能输出影响因素进行分析,论证电感电阻等电气指标、磁密分布的电磁指标、磁结构尺寸指标等,避免出现大功率电动机机械特性偏软的现象,最终达到高性能、小体积、小质量的目标。

  对有限空间内承受更高电负荷的绕线方式进行探索。为了使电负荷达到高效能,绕组所能占用的空间十分有限,特别是需要参与电磁感应的有效绕组部分,其体积大小更是受到严格限制,而在这狭小的空间内,需要探索最佳的绕线排布方式使得其能承受的电负荷最大,同时使得其产热分布更加均匀,避免热累积。

  对绕组定型灌封材料和工艺的研究。在绕组成型工艺完成后,绕组的定型至关重要。绕组在承受各种类型电磁力的同时还需要承受热量的冲击,因此灌封材料必须兼具良导热、高强度、强绝缘等特性,这对材料提出了较高的要求。为此,需要对绕组定型材料和工艺进行摸索研究,为未来电机功率密度的进一步提高提供支撑。

  功率电传作动器需要具备高动态、高功重比、高空载速度等特点,为了最大限度地提高电作动器的性能,控制策略方面将重点研究永磁同步电机电流环无差拍控制技术、最大转矩电流比控制策略和弱磁增速控制策略。为了满足功率电传作动器的高可靠需求,对永磁同步电机重要信息进行故障监控与容错控制策略研究。

  在永磁同步电机数字控制系统中,电流控制环的主要作用是在确保稳定的前提下,提高系统的动静态性能,使电机的实际电流矢量能够跟随参考电流矢量。与传统的PI调节器生成参考电压的方式不同,基于电流预测控制的主要思想为:在第k个载波周期[kTs,(k+1)Ts]开始时刻kTs,根据采样得到的实际电流矢量I(k),得到电流偏差矢量预测值ΔI(k),根据ΔI(k)和参考电压输出U*(k),计算得到需要的参考电压矢量U(k),然后运用SVPWM方法合成这一输出电压矢量,使得在(k+1)Ts时刻的实际电流矢量能够跟踪参考电流矢量,即ΔI(k+1)=0。

  无差拍控制可以最大限度地提高永磁同步电机电流环的动态性能,然而该方法提高动态性能的同时却牺牲了系统的稳定裕度,因此采用无差拍控制策略后,对系统稳定裕度的分析势在必行。通过改进无差拍控制的策略,寻找一种新型的无差拍控制方法,牺牲控制系统的少许动态性能,提高系统的稳定裕度,进而使伺服系统同时满足动态性能要求和稳定裕度指标。电机电阻会随电机工作温度的变化而变化,电机定子电感会随电机绕组电流的变化而变化。而无差拍控制是一种基于模型的控制方法,参数的变化势必对系统的控制精度和稳定性带来严重影响,研究一种消除参数变化对无差拍控制策略的影响的方法势在必行。查找表法是一种简单、有效的办法,然而如何准确获得电机电阻随温度的变化曲线,定子dq轴电感随dq轴电流变化的曲线,即电机离线参数测量也是研究的关键问题之一。

  随着电机转速不断升高,当转速达到额定转速时,电机端电压达到逆变器所提供的极限电压,电机将无法继续升高转速。为进一步提高电机转速,只有通过调节定子电流,即增加直轴电流分量,同时减小交轴电流分量来实现弱磁升速。为最大限度地利用逆变器容量,在弱磁区控制电流矢量时需沿着电流极限圆逆时针向下旋转。弱磁控制技术可以充分利用控制器和电机的容量,拓宽电机空载和轻载时的转速范围,为满足电作动器最大空载速度和高动态响应的要求提供有力支撑。

  弱磁控制算法主要分为以下几类:公式计算法弱磁控制、查表法弱磁控制、梯度下降法弱磁控制和负直轴电流补偿法弱磁控制等。公式计算法原理简单,但该方法是一种基于模型的弱磁控制算法,因此其对电机参数变化较为敏感,电机参数的变化可能会导致电流环控制器积分饱和,从而使电机控制失控;而且弱磁控制的最大电压不能超过逆变器输出正六边形电压边界内切圆,因此逆变器的直流母线电压没有被充分利用。直轴负电流补偿法是在最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略的基础上增加电压闭环,最大电压矢量和逆变器指令电压矢量的差值经PI控制器调节产生电流矢量角补偿量,通过调整电流矢量角实现电机的弱磁控制。该方法利用MTPA控制的策略得到电流矢量角,在一定程度上减弱了电机参数的变化对弱磁控制的影响,然而最大电压也只能设置在逆变器输出电压边界正六边形内切圆内,与公式计算法相比,直流电压利用率并没有得到提高。该方法存在电压外环,不会出现电流环控制器积分饱和导致电机失控的现象,因此其稳定裕度较高。梯度下降法弱磁控制同样是在MTPA控制的基础上将逆变器实际输出电压与逆变器实际电压作差,然后将该差值按照最速梯度下降的原则求解电流矢量角的补偿量,通过调整电流矢量角实现电机的弱磁控制。该方法的优势在于可充分利用逆变器的直流母线电压,然而需要额外设置电压传感器以检测逆变器的输出电压值。不同的弱磁控制方法具备不同的优势,如何根据该项目的技术指标设计一种既简单又便于实现,对电机参数变化不敏感,稳定裕度大,同时能满足项目对电机最大速度要求的方法是该部分的研究重点。

  液压泵是电静液作动器的关键部件,如同“心脏”一般为作动器提供液压压力、流量,驱动作动筒及负载运动。随着战机高速大机动的作战需求的提升以及舵机的输出力和速度指标的不断提高,液压泵只有向高速、高压、长寿命方向发展,才能提高EHA的功重比、可靠性和动态性能,满足工程应用要求。目前航空液压泵压力多为21 MPa/28 MPa,转速在万转以下。为了提高功重比,液压柱塞泵将实现额定压力35 MPa,转速在万转以上,并且做到小型化插装式设计,这给液压泵的密封、耐压、耐磨等特性以及精密加工制造提出了很大挑战。同时为了减少体积、质量,双系统EHA中有一个系统采用了非对称腔作动筒,为了匹配不同的流量需求,该系统必须研制专用非对称排量的高速液压泵。

  面对上述关键技术及难点,需开展液压泵高速摩擦副油膜特性的研究、高速摩擦副的油膜润滑和摩擦磨损机理研究以及非对称泵配流设计研究,突破插装泵一体化结构设计、非对称流量泵配流设计、核心零件配合副的高精加工/成型、高速重载摩擦副的配对材料选择、摩擦副油膜润滑特性分析和宽温范围全性能试验验证等关键技术。

  EHA作动器与传统的液压作动器存在较大差异,因此监控器的种类也与液压作动器存在本质区别。EHA作动器的监控器主要包括:① 电压监控器:主要用于监控控制器的一次侧和二次侧电压,包括控制器28 V输入电压,15 V、-15 V、3.3 V、7 V 1.8 kHz交流激磁电压,7V 10 kHz交流激磁电压等。② 母线电压监控:主要监测控制器直流母线电压是否故障。③ 作动器指令表决监控:监控3个通道的指令是否一致。④ 指令电流比较监控:当两个液压系统均正常工作时,在作动器力均衡控制策略的作用下,两个电机的输出扭矩基本相当,该监控器用于监控作动器各自通道的电流指令是否故障。⑤ 旋转变压器监控:用于监控电机测速链路内是否发生故障。⑥ 绝缘栅双极晶体管(IGBT)基极驱动电路监控:用于监控IGBT基极驱动电路是否存在欠压等故障。⑦ 电机相电流监控:用于监控电机电流传感器是否发生故障。⑧ 电机温度监控:检测电机工作温度。⑨ 油液温度监控:监控作动器油液温度,油液温度过低,作动器的黏滞阻尼过大,会影响作动器正常工作。⑩ 在线电流监控:用于监控电机的电流环是否处在闭环状态,电机是否可控。⑪SOV电流模型监控:监控SOV的工作状态是否正常。⑫作动器速度转换模型监控:主要用于监控电机—泵—液压油—作动筒之间的传递关系是否正常,该监控器在压力传感器正常工作的情况下,也能监控出作动器的过载问题。⑬电机泵模型监控:主要监控电机和液压泵的状态是否正常,当电机或柱塞泵存在较为严重的机械卡阻情况,该监控器将报故。⑭压力传感器监控:监控压力传感器是否正常工作。⑮蓄能器液位位置监控:测试蓄能器的液位,当蓄能器内的液位过低或者过高时,该监控器报故障。

  上述EHA作动系统关键技术主要对标现有战机的技术要求,而对于新时期的空战装备,特别是新一代(第六代)战机,目前各国给出的方案均为无尾翼或小尾翼的机身一体的超扁平结构,同时具有超高音速飞行、超远距离巡航、超高灵活机动、无人化自主作战、高智能化程度等全新能力,这对EHA作动技术的发展又提出了全新要求,主要体现在以下几个方面。

  下一代战机翼的机身一体的扁平化结构特点,以及飞机在超高速、长距离巡航过程中对能耗的限制,要求EHA作动系统具有小型化、轻量化、结构紧凑、高功重比等特点,这对EHA作动系统结构设计提出了较高的挑战。通过选择轻量化材料,基于最小包络准则,开展电液伺服阀、功能阀、壳体、筒体、电机与泵的一体化设计;并在满足工作能力要求的情况下简化传统结构;同时结合3D打印作动器设计技术以及大流量、小体积、快速响应2D伺服阀技术等;实现EHA作动系统轻量化、小型化,以及工作效能及功重比的提升,以满足新一代战机的结构特点与飞行要求。

  为提升EHA作动系统的整体可靠性,广泛采用了机械、电气、控制余度设计准则,通过作动系统的软硬件备份实现故障的可靠容错。然而,多余度通道同时工作时易产生相互影响,例如对于具有两个相互串联的液压缸和活塞杆的双余度作动系统,两个独立的液压系统同时供油时易发生活塞杆输出的力纷争现象,从而严重影响作动系统的工作效果。因此,需要研究EHA作动系统的余度管理技术,攻克启动逻辑、模态转换保持逻辑等电作动系统特有难题,确保多余度间协同工作。进一步,引入作动系统状态监控与故障检测技术,实时监控作动器工作状态,并在某通道故障后迅速完成重构,完成故障容错控制,保证EHA作动系统的高可靠性。

  功率电传EHA作动系统的主要控制形式为伺服电机控制变量或定量液压泵,通过容积调节伺服驱动作动系统。其主要特征是内嵌静液传动机构,但目前主要面临动态特性差、功率密度低、热效应严重和余度配置困难等问题,低动态特性是制约电静液作动器在飞行器中广泛应用的主要因素之一。因此,需要对电静液作动器各环节固有频率特性和功率需求进行分析,揭示电机泵组固有频率低和高频输出功率不足的主要决定因素,特别是解释容积伺服控制多变量输入、强非线性、动态特性与负载耦合严重、功率匹配约束控制等内在机理,优化EHA作动系统的能量传输与匹配运行能力。

  随着多电、全电等航空技术的不断应用,促使机载飞控电子必须向大功率方向发展,以满足现有的、未来的航空技术对飞控电子的功能性能要求,EHA作动系统也不例外。然而,大功率EHA作动系统工作时将产生大量热量,例如质量为10 kg的50 kW级以上的大功率EHA作动系统,即使逆变效率达到90%,其热功率依然达到5 kW的量级,其功率密度高达500 W/kg,直接影响控制器与作动器的工作安全性。因此,必须根据各种机上安装的环境条件,提出针对性的热管理方案,解决EHA控制器的散热问题,保证设备的可靠工作。

  随着数字伺服技术的日益成熟,智能控制策略、智能故障检测和健康管理技术的发展,智能EHA作动系统将成为未来机载作动系统的发展方向。相对传统机载作动系统的伺服作动器,智能作动器将以余度数字伺服技术为基础,采用智能补偿算法和控制策略提高作动器的性能,降低作动器的各种固有非线性对其性能的影响。同时,由于数字控制可以采用智能故障诊断技术实现作动器的故障定位隔离,采用重构等技术可以实现作动器电气通道的智能容错,因此,作动系统智能化将显著提高飞机的可靠性、安全性及维护性,成为作动技术重点发展的方向之一。

  为简化传统飞机的冗杂液压系统,多电/全电航空技术在近几年得到了迅猛发展,而EHA电传作动技术凭借其高效率、低泄漏、高可靠、长寿命等一系列特点,必将在未来飞机中得到广泛应用。就调研情况来看,目前EHA作动技术主要注重功率、运行速度和故障检测能力的提升,以满足现阶段飞机的高速灵活机动要求,因此目前国内外学者主要围绕大功率EHA作动器及其关键部组件开展研究。而下一代战机的高超音速、远距离作战、长时间巡航、高灵活机动、超高灵活机动、无人化自主作战、高智能化程度、超扁平结构等性能特点,对EHA作动系统整体结构轻量化、小型化、整体可靠性和智能化程度提升等提出了全新技术要求,具体体现在以下5个方面。

  相信随着上述关键技术的不断攻克,EHA作动系统性能将不断提升,用于下一代战机也只是时间问题。

  目前,在国外电传伺服作动领域,EHA作动技术已成功应用于军机与民机中,而国内对EHA作动技术的研究起步较晚,尚处于原理样机验证阶段,限制其上机应用的挑战来自于各个方面,特别是材料的研究、工艺的提升、技术的创新等方面。但国内多家研究所和高校正在不断努力突破EHA作动系统研制中的各项关键技术。相信在不远的将来,我国的飞机也能用上自主研制的先进EHA作动技术。

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