功率电传作动系统的发展趋势

______________________________________________________________________________________ 功率电传作动系统的发展趋势 1王 占 林，裘 丽 华, 李军北京航空航天大学自动化学院，100083E-mail:zhanlin.w@摘要： 机载作动系统正在向功率电传(Power-By-Wire)方向发展， 功率电传作动系统的采用将取消 飞机上既有电源又有液压源双个二次能源的结构，对机载的体系结构将有重大改变；指出功率电 传作动系统的优点，关键技术，对发展多电飞机与全电飞机的意义；介绍了功率电传作动系统的 各种方案，比较了他们的优缺点，指出电机-泵-阀复合协调控制是理想方案。

关键词：功率电传作动系统；电动静液作动器；机电作动器；复合作动器Actuation Systems Used For Power-by-wireZhanlin Wang, Lihua Qiu，Jun LiAutomatic Control Faculty.University of Aeronautics &Astronautics,Beijing.Post：100083Abstract: Airborne actuator is developing towards power by wire (PBW). Adopting PBW actuator, the double second source structure of electrical power source and hydraulic power source will be canceled on aircrafts; it will greatly change the airborne system structure. In this paper, the virtues, key technologies and the significance to develop Multi-Electric Aircraft for PBW actuator are given. The various schemes of PBW actuator are presented; their merits and demerits are compared. The conclusion is that the compound coordination control of electromotor-pump-valve with computer is an ideal scheme. Key words power-by-wire Acuation system； Electro-Hydrostatic Actuator； Electro-Mechanical Actuator； compound Actuator1. 引 言 传统机载液压作动系统由飞机集中液压能源提供功率，飞机全身布满液压管路。

目前 机载作动系统正在向功率电传(Power-By-Wire)方向发展，也即由导线传递功率，这意味着可以取消 中央集中式液压源，将给飞机机载设备的体系结构带来重大变化。

事实上，随着电机技术、材料科学、 控制科学和精密制造等学科的发展， 在不久的将来， 电力作动系统 （Electrically Powered Actuation System）或称功率电传系统有可能取代现在的传统液压作动系统。

2.机载作动系统发展趋势现代飞机上机载作动系统，几乎完全采用液压作为动力，并由飞控系统计算机进行综合控制，以操纵飞机升降舵、方向舵、襟副翼和平尾等控制舵面，实现飞行姿态和轨迹的控制。

传统的液压作动系统，由于采用集中能源，飞机全身布满液压管路除效率低、重量大、战斗生存率低 外尚有： 1） 机载液压作动系统本身的重量比明显偏大，在电传操纵飞控系统中占 60%；1本课题得到博士点科研基金资助(20020006006)。

1______________________________________________________________________________________ 中国科技论文在线 2）在费用比上明显过大，机载液压作动系统的费用在电传操纵飞控系统中占 42%；3）机载液压作动系统的可靠性也成为了整个飞控系统中的薄弱环节，致使不得不采用多余度作动系 统，这又带来了重量、体积增加等新的问题。

随着新材料、电机技术、控制技术等的发展，未来飞机上将可能采用新型的电动作动器（Electrically Powered Actuator ） 如 电 动 静 液 作 动 器 （ Electro-Hydrostatic Actuator ， EHA ） 和 机 电 作 动 器 ， （Electro-Mechanical Actuator，EMA）等，从而实现所谓功率电传作动系统。

EHA 作动器本体由电动 机、液压泵、液压油箱、检测阀、油滤、释放阀、管道和液压作动器组成。

EMA 作动器本体则由直 流无刷电动机、滚珠丝杠以及位置、速度、电压和电流监控装置等组成。

全是集成式结构。

系统，由飞机中央第二能源（电源）系统通过导线进行同作动系统之间的功率传输，不是通 过遍布机身的液压管路里的油液来传递功率。

显然，功率电传作动作动系统的采用将取消飞机上 既有电源又有液压源双个二次能源的结构。

对发展多电、全电飞机具有重要意义。

美空军提出了电动作动器计划（Electrically Powered Actuation Design，EPAD） ，首先发展的 是 EHA，这种作动器已完成在 C-141、C-130 军用运输机的飞行试验，并于 1997 年开始在 F/A-18 SRA 飞机上完成了 23.5 小时的飞行试验。

其中用于替代 F/A-18 SRA 左副翼液压作动筒的 EHA 主要性能指标如表 1[1,2]。

表 1 EHA 的主要技术指标 参数项目 作动筒伸出力 活塞杆行程 负载 负载速度 空载速度 动态刚度 响应频率 参数指标 59. 122 KN ±57.15 mm 28.134 KN 152.40 mm/sec 195.58 mm/sec 49.353 KN/mm 7 Hz(±5%负载)据 EPAD 工程师估计，当飞机的所有飞行控制舵 面均采用一体化电动作动器后，对于客机，将使飞机 燃油节省 5～9%，同时减少 30～50%的地面设备；对 于战斗机，起飞重量可减少 600～1000 磅，并使易受 轻武器攻击的机身面积减少 14%。

电动作动器，由于没有了遍布机身的液压管路， 加上一体化电动作动器易形成容错能力，使飞机具有 一系列优点：1）更好的可靠性、2）更高的生存力、3） 维修性更好、4）效率更高、5）飞机性能提高、6）大 量节省费用。

到目前为止，已进行的飞行试验说明：1） 功率电传作动器可以作为操纵战斗机关键飞行舵面的主要作动手段， 并可为高性能的多电、 全电飞机（More Electrical Aircraft，MEA）规划一个根本的电力作动计划； 2） 通过 1000h 的飞行试验证实， 功率电传作动器比目前装机使用的传统液压作动器可靠性高、 维修性更好、寿命周期费用低； 3） 功率电传作动器可用于正在研制的联合攻击战斗机 （Joint Strike Fighter， JSF） 目前， 。

Parker 公 司 的 电 动 静 液 作 动 器 ， 已 经 通 过 联 合 攻 击 战 斗 机 / 集 成 子 系 统 技 术 项 目 （ JSF/Integrated Subsystems Technology ，J/IST）验证。

图 1、2、3、4、是国外研制的几个 EHA、EMA 的外型图。

2______________________________________________________________________________________ 中国科技论文在线 图2 图1 Racal 飞行模拟器上安装的 EBHA用于 F/A-18 SRA 飞机上飞行试验的电作动器：EMA（左） 、EHA（右）图3F/A-18 SRA 上的 EHA 另一视图图4用于 JSF 的一体化电静液压作动器3______________________________________________________________________________________ 中国科技论文在线 图 5 机电作动器图 1 是美国 NASA 在 Racal 飞行模拟器上试验直升飞机上用的电动静液作动器。

是 Lucas 公 司研制作为备份系统与传统的液压系统结合的双余度电作动器（Electrical Back-up Hydrostatic Actuator，EBHA） ，并成功完成了 50 小时的飞行试验， 图 2、3 所示为在 F/A-18 SRA 飞机上完成飞行试验的 EHA、EMA 作动器。

图 4 是 Parker 公司研 制的电动静液作动器用于正在研制的联合攻击战斗机（Joint Strike Fighter，JSF） 。

图 5 为一 种机电作动器三维外形图，电动机通过滚珠丝杠减速。

功率电传国内的研究尚处于起步阶段，20 世纪 80 年代以来，北京航空航天大学先后进行了 EHA 原理样机和用于 EMA 作动器高效电机的研究研制，取得了一些成果，证实了功率电传是一种 有效、可行的技术。

南京航空航天大学已开发了小型 EMA 舵机作动器，并应用于直升机旋翼操纵， 该系统采用滚珠螺旋副和基于智能功率电路的 PWM 伺服放大器，具有较好的精度、频宽、线性度、 效率和线位移输出。

3 功率电传作动器的关键技术1). 材料、元件与集成设计制造技术 (1）高性能廉价永磁材料。

新型永磁材料能进一步减轻作动器的重量、提高性能，还能改善由于 闪电、电磁脉冲等强磁场引起的失磁作用。

目前，国外一般采用第三代稀土永磁材料制造电力作 动系统中的电动机，国内也在大力发展采用钕铁硼永磁材料的电动机，剩磁达到 0.75T，矫顽力 达到 1050kA/m，最大磁能积达到 90kJ/m3 的先进水平。

(2) 高温、 高效、 集成的大功率半导体器件。

国外大功率的金属氧化物半导体控制的可控硅 （MCT） 的电流密度可达 600A/cm2，目前第四代大功率绝缘栅双极晶体管 IGBT 也已问世，其特点是开关 器件发热减少；高载波控制，使输出电流波形有明显改善；开关频率提高，使之超过人耳的感受 范围，即实现了电机运行的静音化；驱动功率减少，体积趋于更小。