大功率高性能航天伺服系統(tǒng)發(fā)展綜述

張新華,黃 建,張兆凱,段小帥,王京偉

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

大功率高性能航天伺服系統(tǒng)發(fā)展綜述

張新華,黃 建,張兆凱,段小帥,王京偉

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

回顧了電動(dòng)、電靜液伺服系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀,針對(duì)未來(lái)航天飛行器對(duì)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空間體積、環(huán)境適應(yīng)性、性能指標(biāo)等方面提出的新要求,在綜合評(píng)價(jià)電動(dòng)、電靜液伺服系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上,指出了機(jī)載功率電傳一體化電作動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)難點(diǎn),并提出相應(yīng)的解決思路,對(duì)未來(lái)一體化電作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行了展望。

高性能;伺服系統(tǒng);電動(dòng)作動(dòng)器;電靜液作動(dòng)器

0 引言

高性能伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)領(lǐng)域,按能源類型伺服系統(tǒng)可分為電動(dòng)伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。電動(dòng)伺服系統(tǒng)可分為直接控制和間接控制兩種方式,液壓伺服系統(tǒng)可分為分布式和自主式,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)可分為冷氣式和燃?xì)馐健Ｋ欧到y(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為制導(dǎo)控制系統(tǒng)的重要組成部分,根據(jù)制導(dǎo)控制系統(tǒng)指令操縱翼、舵面偏轉(zhuǎn)或擺動(dòng)噴管偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈姿態(tài)穩(wěn)定和控制。未來(lái)航天飛行器飛行跨空域大、速域?qū)挕?dòng)態(tài)高、非線性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊,因而對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有突出小型化、輕質(zhì)化、快響應(yīng)的需求。伺服系統(tǒng)技術(shù)涉及機(jī)械、自動(dòng)控制、電氣、電子、流體、材料等多個(gè)學(xué)科,主要研究?jī)?nèi)容包括減速器、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)、信息(位置、電路、速度)測(cè)量、功率器件、流體控制、伺服回路設(shè)計(jì)與控制等[1-5]。

在各類武器裝備中,伺服系統(tǒng)技術(shù)是機(jī)載、彈載及陸用等裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù),是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)位置、速度、力矩等參數(shù)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其性能和控制精度直接影響全系統(tǒng)的控制品質(zhì),是現(xiàn)代精確打擊武器的重要控制執(zhí)行部件。

本文回顧了電動(dòng)、電靜液伺服系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀,針對(duì)未來(lái)航天飛行器提出的新要求,在綜合評(píng)價(jià)電動(dòng)、電靜液伺服性能的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了其各自設(shè)計(jì)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。

1 電動(dòng)伺服技術(shù)

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

電動(dòng)伺服系統(tǒng)按照電機(jī)、減速器、離合器的不同組合形式可分為兩大類:直接控制伺服系統(tǒng)和間接控制伺服系統(tǒng)。電機(jī)可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī),無(wú)刷電機(jī)又分為方波控制和正弦波控制兩類。國(guó)外技術(shù)自20世紀(jì)60至70年代開始在航空功率電傳需求牽引下快速發(fā)展。 國(guó)外電動(dòng)伺服技術(shù)成熟度已非常高,以其制造成本相對(duì)低廉、維護(hù)成本低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)軍用伺服控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,X-51、43等高超聲速驗(yàn)證飛行器巡航級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)普遍采用了小型輕質(zhì)快響應(yīng)電動(dòng)執(zhí)行設(shè)備[6-7]。

在大功率快速響應(yīng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)方面，最有代表性的成功應(yīng)用是在1993至1998年期間,由美國(guó)空軍、海軍資助NASA Dryden飛行研究中心EPDA項(xiàng)目組進(jìn)行的“F/A-18B戰(zhàn)機(jī)電傳技術(shù)”課題的研究,這一課題重點(diǎn)研究用電動(dòng)伺服系統(tǒng)替代原有的液壓伺服系統(tǒng),該系統(tǒng)采用270V直流為三相無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行供電,舵機(jī)最大力矩達(dá)到58.7kN(13200lb),峰值功率達(dá)到3.73kW(5HP),最大工作電流為30A,單只舵機(jī)重量為11.8kg(26lb),功率質(zhì)量比達(dá)到316W/kg。1995年NASA的約翰遜空間研究中心(JSC)開始研制新型載人往返飛行器X-38。為提高系統(tǒng)工作壽命和可靠性,選用了大功率電動(dòng)伺服系統(tǒng)作為操縱面的執(zhí)行機(jī)構(gòu),該系統(tǒng)采用120V直流電為電機(jī)供電,最大功率達(dá)到了12kW,最大推力為58.7kN,調(diào)節(jié)時(shí)間小于90ms。電機(jī)使用稀土永磁高導(dǎo)磁材料釹鐵硼合金,并分別于1998年、2000年、2002年通過(guò)了飛行實(shí)驗(yàn)的考核和驗(yàn)證,單套舵機(jī)累計(jì)最長(zhǎng)工作時(shí)間達(dá)到了232min。通過(guò)在X-38上的成功應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證了電動(dòng)伺服系統(tǒng)相比分布式液壓系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高等明顯優(yōu)勢(shì)。X-51、X-43等高超聲速驗(yàn)證飛行器巡航級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也普遍采用了小型輕質(zhì)快響應(yīng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)[6-7]。目前,國(guó)外電動(dòng)伺服系統(tǒng)功率已達(dá)40kW以上,執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大力矩達(dá)到200kN以上。國(guó)外較早開展伺服系統(tǒng)研制的主要單位有MOOG、SMITH、GOODRITCH、Easton、Parker、LUCAS、TR Textron、Rosne、GE、EATON等,已經(jīng)研制并形成系列化的產(chǎn)品。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)較國(guó)外有較大差距,在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的電動(dòng)伺服系統(tǒng)產(chǎn)品普遍輸出功率低、結(jié)構(gòu)緊湊性差、功重比較低、動(dòng)態(tài)性能較差,難以滿足未來(lái)武器裝備發(fā)展需求。電動(dòng)伺服系統(tǒng)功率在12kW左右,最大推力為20kN,功率密度達(dá)0.43kW/kg,而大功率伺服系統(tǒng)領(lǐng)域仍由電液伺服系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位,其多用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、火箭的助推級(jí)推力矢量控制、機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)等。近些年來(lái),在新任務(wù)發(fā)展需求牽引下,國(guó)內(nèi)電動(dòng)伺服系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展十分迅猛,向著小型輕質(zhì)化、高壓大功率驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)、長(zhǎng)時(shí)間工作、適應(yīng)惡劣環(huán)境、高可靠性等方向發(fā)展,高校和科研院所均投入了大量的人力物力開展研究工作,有望在近三年內(nèi)突破30kW,推力200kN的電動(dòng)伺服系統(tǒng)。

2 電動(dòng)伺服關(guān)鍵技術(shù)

為滿足未來(lái)飛行器發(fā)展需求,對(duì)于航天大功率電動(dòng)伺服系統(tǒng),需要重點(diǎn)突破一系列關(guān)鍵技術(shù),主要包括長(zhǎng)航時(shí)耐高溫高動(dòng)態(tài)電傳伺服系統(tǒng)技術(shù)、一體化高剛度伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)、高功率密度快響應(yīng)伺服電機(jī)及能源管理一體化技術(shù)、高壓大功率電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、大慣量大負(fù)載擾動(dòng)與高精度動(dòng)態(tài)跟蹤控制技術(shù)、多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統(tǒng)技術(shù)、系統(tǒng)集成與構(gòu)型技術(shù)等,突破以上關(guān)鍵技術(shù)才能真正形成高性能的電動(dòng)伺服產(chǎn)品。

2.1 長(zhǎng)航時(shí)耐高溫高動(dòng)態(tài)電傳伺服系統(tǒng)技術(shù)

未來(lái)飛行器工作時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)1h以上,在高馬赫工況下,由氣動(dòng)產(chǎn)生的熱非常大,執(zhí)行機(jī)構(gòu)高溫環(huán)境溫度為150℃,局部高溫達(dá)到300℃以上,尤其是飛行器末段俯沖階段,具備動(dòng)態(tài)高、擾動(dòng)大的特性。大功率電傳伺服系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作熱積累溫升大,舵面氣動(dòng)熱傳導(dǎo)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸端蓋溫度升高,在熱、力、振動(dòng)、濕等綜合環(huán)境下,增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損,影響執(zhí)行結(jié)構(gòu)可靠性,如何在大負(fù)載高溫情況下實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)電傳控制是一項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)。文獻(xiàn)[8]分析了航天軸承在較高溫度下的摩擦力矩特性,探討了軸向載荷、溫度和保持架類型對(duì)軸承摩擦力矩特性的影響。文獻(xiàn)[9]研究了高溫條件下,兩種基于破壞時(shí)間的承載能力試驗(yàn)方法,提高高溫承載能力,降低結(jié)構(gòu)防熱質(zhì)量。目前,大部分學(xué)者主要從隔熱材料、軸承、潤(rùn)滑等方面進(jìn)行分析。

2.2 一體化輕質(zhì)化高剛度伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)

對(duì)高速飛行器舵機(jī)需面臨的負(fù)載大、環(huán)境溫度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等要求,執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要承載額定輸出扭矩力矩3000N·m以上,輸出彎矩超過(guò)15000N·m,轉(zhuǎn)速超過(guò)200(°)/s,系統(tǒng)頻寬達(dá)20Hz以上。因此,急需開展高效率高剛度機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、大彎矩舵軸支承結(jié)構(gòu)技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)小型化輕質(zhì)化等研究,常規(guī)的滾珠絲杠已經(jīng)不能滿足力矩和承載要求。鑒于行星滾柱絲杠具備承載力大的特性,因此,也急需開展行星滾柱絲杠設(shè)計(jì)技術(shù)、軸承短時(shí)過(guò)載技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的研究工作,最終形成一體化機(jī)電作動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輕質(zhì)化設(shè)計(jì),應(yīng)該充分分析各部件所承受的力矩特性及所處的環(huán)境特性,充分利用AMEsine、Adams、Matlab作全面的系統(tǒng)分析,促進(jìn)了機(jī)電部件綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)能力的提升。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以選擇鎂合金、鈦合金、鋼結(jié)構(gòu)等相互組合,在滿足性能的情況下,減少系統(tǒng)重量,提高功重比。國(guó)內(nèi)哈工大、北航、華科、西北機(jī)械廠等單位都在從事相關(guān)課題的研究工作。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)高速滾動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)展開分析;文獻(xiàn)[12]建立聯(lián)合載荷作用下精確的滾珠絲杠副剛度數(shù)學(xué)模型,并分析滾珠絲杠副剛度影響因素及規(guī)律。

在滿足傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局所需的機(jī)械特性和控制性能外,為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度和功重比,一些學(xué)者針對(duì)一體化機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)(Integrated Electromechanical Actuator,IEMA)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究[13],這種充分利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子和絲桿一體化設(shè)計(jì),減小體積以提高空間利用率,提高整體功率/重量比。IEMA采用滾柱絲杠為機(jī)械傳動(dòng)鏈、無(wú)刷直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)件、檢測(cè)元件為旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),重點(diǎn)以小型化和輕質(zhì)化為設(shè)計(jì)著眼點(diǎn),相比普通結(jié)構(gòu),一體化設(shè)計(jì)的IEMA具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的突出優(yōu)勢(shì),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前,國(guó)內(nèi)北航、哈工大等高校在開展研究工作,已研制功率等級(jí)在10kW、直線推力可達(dá)20kN的電動(dòng)伺服產(chǎn)品。

圖1 一體化IEMA結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The integration IEMA chart

2.3 高功率密度快響應(yīng)伺服電機(jī)及能源管理一體化技術(shù)

伺服電機(jī)是電動(dòng)伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件,高功率密度伺服電機(jī)中電磁、溫度、應(yīng)力之間的相互影響、相互制約,電機(jī)的設(shè)計(jì)及分析。伺服系統(tǒng)一體化小型化就應(yīng)該首先減小電機(jī)體積重量,掌握伺服電機(jī)各種損耗計(jì)算分析方法,掌握高溫環(huán)境條件下高過(guò)載大功率無(wú)刷伺服電機(jī)的溫升計(jì)算方法及溫度場(chǎng)分布規(guī)律,掌握隨溫度升高永磁體失磁、電阻值、材料受熱膨脹等對(duì)電機(jī)性能的影響規(guī)律,并最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)外殼與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì),提高功重比。目前,航天科技18所、航天科工33所、航天林泉電機(jī)廠、哈工大、西工大、南航均在開展高功率密度伺服電機(jī)的研制工作[14],電機(jī)功率密度達(dá)1.6kW/kg。為滿足未來(lái)飛行器發(fā)展需求,需突破10～30kW大功率高功率密度無(wú)刷電機(jī)技術(shù)。

未來(lái)飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)動(dòng)力供電電壓為270V,需要伺服電機(jī)峰值功率達(dá)到30kW以上,大功率伺服電機(jī)及其能源系統(tǒng)涉及電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)多個(gè)物理場(chǎng),隨著電機(jī)的高速化和大功率化,內(nèi)部各物理場(chǎng)間耦合關(guān)系更為復(fù)雜,如何在多制約因素下實(shí)現(xiàn)極限功率輸出、高效低損耗、高過(guò)載是關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)效率的最優(yōu)化,應(yīng)充分掌握?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)工況運(yùn)行特性,實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)能量一體化管理,提高能量資源的利用率。

2.4 抗負(fù)載擾動(dòng)與高精度動(dòng)態(tài)跟蹤控制技術(shù)

為保證在大負(fù)載慣量舵面或大慣量擺動(dòng)噴管負(fù)載條件下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器在大動(dòng)壓強(qiáng)擾動(dòng)狀態(tài)下飛行控制性能具有抗擾性強(qiáng)與跟蹤精度高的能力。如果系統(tǒng)控制算法不佳,會(huì)引起系統(tǒng)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,帶來(lái)嚴(yán)重的后果。如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。如今大型的飛行器舵面慣量達(dá)5kg·m2,而對(duì)于大功率大慣量擺動(dòng)噴管推力矢量控制系統(tǒng),噴管負(fù)載慣量達(dá)40kg·m2到60kg·m2,且系統(tǒng)額定推力達(dá)40000N以上,控制精度高,對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和頻帶都要求高,常規(guī)的PID控制算法已經(jīng)不能滿足需求,自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等現(xiàn)代控制理論算法嘗試解決這類問(wèn)題。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)在大慣量下大負(fù)載擾動(dòng)與高精度動(dòng)態(tài)跟蹤精度控制技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)建模等方面作了一些研究工作[15-19]。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)大慣量隨動(dòng)系統(tǒng)控制制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)性能差的問(wèn)題,提出了運(yùn)用雙Kalman濾波對(duì)控制量進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)大慣量隨動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)制動(dòng)控制。文獻(xiàn)[16]針對(duì)大慣量伺服系統(tǒng)提出基于功率及轉(zhuǎn)矩約束的速度規(guī)劃,提出一種基于三角函數(shù)的全程柔性加減速算法,解決約束條件下響應(yīng)速度慢和定位精度差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]針對(duì)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)存在的由參數(shù)攝動(dòng)和建模誤差引起的不確定性問(wèn)題,應(yīng)用μ綜合理論研究一類用于驅(qū)動(dòng)大慣量、低剛度負(fù)載的飛行器電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的魯棒控制技術(shù)。文獻(xiàn)[18]針對(duì)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)帶來(lái)的永磁同步電機(jī)速度控制問(wèn)題,提出基于投影算法的永磁同步電機(jī)模型自適應(yīng)補(bǔ)償速度控制。 文獻(xiàn)[19]為解決傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)中速度不控或控制律設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題,提出一種簡(jiǎn)化的位置、速度控制器一體化設(shè)計(jì)方法,取得比較滿意的效果。

2.5 多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統(tǒng)技術(shù)

未來(lái)飛行器等對(duì)伺服系統(tǒng)的任務(wù)可靠性要求越來(lái)越高,飛行器長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間、可重復(fù)使用等需求對(duì)伺服系統(tǒng)提出了余度設(shè)計(jì)、健康診斷等要求。隨著飛行器規(guī)模增大以及氣動(dòng)布局的復(fù)雜化,對(duì)操縱力矩需求增大,大面積復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的襟、副翼等操縱面開始應(yīng)用,國(guó)外空天飛行器如X-38、X-33的舵面、襟翼等伺服系統(tǒng)均采用了多余度設(shè)計(jì)或復(fù)合作動(dòng)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)大功率電傳伺服系統(tǒng)的多余度健康診斷等技術(shù)尚不成熟,需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)?；谌斯ぶ悄?、專家系統(tǒng)等的智能故障診斷理論的深入研究和基于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、嵌入式微處理器技術(shù)等的新型故障診斷系統(tǒng)的研制都使智能故障診斷領(lǐng)域發(fā)生了新的變化,一些學(xué)者也在航空航天系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)作了一些深入研究并應(yīng)用到工程中。文獻(xiàn)[20]針對(duì)某高炮隨動(dòng)系統(tǒng),研制了故障診斷裝置,建立故障診斷系統(tǒng),取得了比較滿意的效果。文獻(xiàn)[21]展開多余度電動(dòng)伺服設(shè)計(jì)方法研究,在航空機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)上取得比較滿意的效果,代表性性的產(chǎn)品是波音公司。在航天武器裝備領(lǐng)域,在滿足小型化的基礎(chǔ)之上,如何開展多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的課題。

3 電靜液伺服技術(shù)

19世紀(jì),液壓技術(shù)開始走向工業(yè)應(yīng)用階段,20世紀(jì)初控制理論及其應(yīng)用的飛速發(fā)展,為電液伺服控制技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。為了滿足未來(lái)飛行器向高機(jī)動(dòng)性、超高速及大功率方向發(fā)展, 飛行器液壓系統(tǒng)也正朝著高壓化、大功率、變壓力、智能化、集成化、多余度方向發(fā)展。然而,采用液壓作動(dòng)系統(tǒng), 由于飛行器全身布滿液壓管路,增加了飛控系統(tǒng)的總質(zhì)量,使飛行器的受攻擊面積增大;其次高壓化和大功率則使傳統(tǒng)飛行器液壓系統(tǒng)的效率問(wèn)題日益突出,進(jìn)而引發(fā)了諸如散熱、燃油總效率降低等問(wèn)題[21-22]。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70 年代國(guó)外已研制出作為應(yīng)急舵機(jī)用的功率電傳舵機(jī)—電液靜壓作動(dòng)器,80 年代開始英國(guó)盧卡斯(Lucas)公司又將其發(fā)展成了一種集成驅(qū)動(dòng)組件。1988年Bendix公司展出了F/A-18 靈巧式副翼舵機(jī)原型,這種裝置又稱機(jī)電液一體化舵機(jī)。90年代,美國(guó)的功率電傳舵機(jī)已接近實(shí)際應(yīng)用水平,1991年12月Parker Berta公司研制的電動(dòng)液壓作動(dòng)器在C-130飛機(jī)上完成了空中試飛。1991年,NASA 在Racal飛行模擬器上對(duì)直升飛機(jī)上的電動(dòng)靜液作動(dòng)器(EHA)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。Lucas研制了作為備份系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)結(jié)合成的雙余度電作動(dòng)器。1994年開始,美國(guó)在F/A-18副翼上分別進(jìn)行EHA和機(jī)電作動(dòng)器的飛行試驗(yàn)。1996年, Moog公司開始為電力作動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)劃研制EHA,其制造的EHA已經(jīng)完成F/A18 SRA飛機(jī)上的飛行試驗(yàn)。同時(shí),EHA在飛行器助推級(jí)擺動(dòng)噴管推力矢量伺服機(jī)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,輸出功率達(dá)40kW,直線推力達(dá)200kN以上。典型的EHA結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 典型EHA結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The typical schematic structure of EHA

國(guó)外提供系列化的產(chǎn)品比較多,美國(guó)空軍研究所( USAF)、GE、MooG、Boeing、MTS、TEAM公司,德國(guó)的IST、Hanchen、英國(guó)的Lucas Aerospace和日本的鷺工、三菱等都在進(jìn)行EHA作動(dòng)器的研究開發(fā)[23]。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)滯后,北航、哈工大等單位都在開展相關(guān)的研究項(xiàng)目,并取得了一定的研究成果。功率等級(jí)主要在10kW、直線推力10kN、系統(tǒng)頻帶8Hz以上。

對(duì)于EHA 伺服系統(tǒng),同樣關(guān)注其產(chǎn)品的小型化、輕質(zhì)化、高剛度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能,相比電動(dòng)伺服系統(tǒng)EMA,它增加了油泵,工藝標(biāo)準(zhǔn)要求更高。

葛洪元在講話中指出，胡耀邦同志把自己的一生獻(xiàn)給了黨和人民，特別是他“心在人民、利歸天下”的為民情懷和公道正派、廉潔自律的崇高風(fēng)范，一直是全黨和全國(guó)各族人民寶貴的精神財(cái)富。我們走進(jìn)耀邦故里，近距離感受胡耀邦同志光明磊落、不謀私利的人格，和他一直恪守的“屋矮能容月，樓高不染塵”的清廉家風(fēng)，是對(duì)胡耀邦同志最好的緬懷和紀(jì)念。我們學(xué)習(xí)胡耀邦同志的廉政思想，就是要學(xué)習(xí)他光明磊落、不謀私利的高尚人格，認(rèn)真總結(jié)、傳承和發(fā)揚(yáng)湖湘優(yōu)秀家文化，使之成為湖南好傳統(tǒng)、湖湘好故事的精神內(nèi)核。

EHA伺服系統(tǒng)的研究主要包含兩個(gè)重要方面: 1)液壓缸研究；2)電靜液伺服控制技術(shù)。

3.3 液壓缸研究

液壓缸的研究主要針對(duì)液壓缸低摩擦力、抗測(cè)向力、高頻振動(dòng)適應(yīng)能力、無(wú)泄漏和高壽命等幾個(gè)方面。其主要體現(xiàn)在高速高效雙向液壓泵、液壓缸集成設(shè)計(jì)制造技術(shù)、液壓缸的密封形式和密封材料等。目前,國(guó)內(nèi)液壓缸油壓主要在21MPa和28MPa比較成熟,35MPa壓力還在研制階段,還沒有投入到實(shí)際的工程應(yīng)用。

3.4 電靜液伺服控制技術(shù)

電靜液系統(tǒng)集成技術(shù)是多項(xiàng)技術(shù)的融合,將電液伺服系統(tǒng)與測(cè)量傳感技術(shù)、機(jī)構(gòu)分析技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、多目標(biāo)優(yōu)化等理論與技術(shù)結(jié)合起來(lái),為電靜液伺服系統(tǒng)的應(yīng)用研究開辟道路。

由于電靜液系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性,模型具有較大的不確定性,同時(shí)死區(qū)、飽和以及摩擦都會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定影響,因此,在電靜液的控制性能調(diào)節(jié)和魯棒性方面還有大量課題有待進(jìn)一步研究。電靜液伺服系統(tǒng)是典型的非線性時(shí)變系統(tǒng),如何應(yīng)用現(xiàn)代控制方法提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性也一直是電靜液伺服研究的熱點(diǎn)[24-26]。

3.5 電靜液伺服系統(tǒng)挑戰(zhàn)

電靜液伺服系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)就是電動(dòng)伺服系統(tǒng),隨著新的導(dǎo)電材料和導(dǎo)磁材料的研究,電驅(qū)動(dòng)系數(shù)的比力系數(shù)越來(lái)越大。目前,在小功率系統(tǒng),電液體系統(tǒng)已經(jīng)被電動(dòng)所取代；但在大功率范圍內(nèi),電液仍舊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。另外,隨著科技快速的發(fā)展,也對(duì)電液伺服系統(tǒng)的功率和出力范圍提出了更高的要求。

電液伺服系統(tǒng)的研究和發(fā)展主要體現(xiàn)在如下三個(gè)方面:

1)驅(qū)動(dòng)形式

由于電液伺服系統(tǒng)的效率低、抗污染能力差、相對(duì)于電動(dòng)系統(tǒng)頻率低等缺點(diǎn),研究者提出無(wú)閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一次元件直接控制元件,省去了伺服閥,因此系統(tǒng)的效率可達(dá)80%以上,基于此技術(shù)的EHA得到廣泛的應(yīng)用。這類系統(tǒng)的特性取決于液壓泵的特性,高速和高容積效率的液壓泵的研究是關(guān)鍵技術(shù),由于受到伺服電機(jī)比力系數(shù)的限制,該技術(shù)在小功率中有好的應(yīng)用前景。

2)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成技術(shù)

正如前面所敘,電靜液伺服系統(tǒng)相比電動(dòng)伺服系統(tǒng)而言,增加了油路系統(tǒng),系統(tǒng)復(fù)雜,在滿足性能指標(biāo)的情況下,綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真Amesim、CAD、Virtulab等軟件,并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,最優(yōu)化系統(tǒng)的布局,做到結(jié)構(gòu)、功率、性能相匹配,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化集成設(shè)計(jì),不僅可以減少系統(tǒng)的體積、質(zhì)量,而且可進(jìn)一步減少系統(tǒng)的慣量,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3)效率分析和熱控制技術(shù)

EHA的效率比傳統(tǒng)的采用恒定壓力的液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)要高得多,但是由于EHA系統(tǒng)取消了管路,破壞了原來(lái)采用的液壓系統(tǒng)循環(huán)冷卻方式,如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行效率、發(fā)熱分析和溫度控制,這種作動(dòng)器就不可能長(zhǎng)期正常使用。EHA中電機(jī)的溫度控制可以采用自然冷卻和液壓油循環(huán)冷卻。從設(shè)計(jì)之初就對(duì)系統(tǒng)的效率和熱控制進(jìn)行統(tǒng)一的考慮,如采用散熱片、加大通風(fēng)措施等,但是這又可能導(dǎo)致系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量加大,因此,應(yīng)做好系統(tǒng)布局。

4 結(jié)束語(yǔ)

伺服系統(tǒng)技術(shù)涉及機(jī)械、自動(dòng)控制、電氣、電子、流體、材料等多個(gè)學(xué)科,主要研究?jī)?nèi)容包括減速器、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)、信息(位置、電路、速度)測(cè)量、功率器件、流體控制、伺服回路設(shè)計(jì)與控制等。未來(lái)航天飛行器跨空域大、速域?qū)挕?dòng)態(tài)響應(yīng)高、非線性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊,因而對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)也提出小型化、輕質(zhì)化、快響應(yīng)、耐高溫、高可靠等需求。目前,國(guó)內(nèi)在一定程度上取得比較好的成果,但是在部分關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)上仍需要做大量的研究工作。

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Review on the Development of High-Power High-Performance Aerospace Servo System

ZHANG Xin-hua, HUANG Jian, ZHANG Zhao-kai,DUAN Xiao-shuai,WANG Jing-wei

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

This paper reviews the development history and current status of electric and electro-hydrostatic servo system at home and abroad, and proposes new requirements to the servo system in terms of structural strength, space volume, environmental adaptability and performance index for future spacecraft. On the basis of comprehensive evaluation of electric and electro-hydrostatic servo system performance, the key technologies and design difficulties of the integrated electrical actuation system are pointed out, and the corresponding solution is put forward. This paper also prospects the future integrated electrical actuation systems of the onboard power-by-wire.

High performance;Servo systems;Electro-mechanical actuator;Electro-hydrostatic actuator

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.003

2016-08-15；

2016-10-21。

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(61603051)

張新華(1972-),男,博士,研究員,主要從事高動(dòng)態(tài)電動(dòng)伺服系統(tǒng)研究。

TM351

A

2095-8110(2017)01-0014-06