大功率高性能航天伺服系統發展綜述

張新華,黃 建,張兆凱,段小帥,王京偉

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

大功率高性能航天伺服系統發展綜述

張新華,黃 建,張兆凱,段小帥,王京偉

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

回顧了電動、電靜液伺服系統國內外發展歷程與研究現狀,針對未來航天飛行器對伺服系統在結構強度、空間體積、環境適應性、性能指標等方面提出的新要求,在綜合評價電動、電靜液伺服系統性能的基礎上,指出了機載功率電傳一體化電作動系統關鍵技術與設計難點,并提出相應的解決思路,對未來一體化電作動系統發展進行了展望。

高性能;伺服系統;電動作動器;電靜液作動器

0 引言

高性能伺服系統廣泛應用于軍事工業領域,按能源類型伺服系統可分為電動伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。電動伺服系統可分為直接控制和間接控制兩種方式,液壓伺服系統可分為分布式和自主式,氣動伺服系統可分為冷氣式和燃氣式。伺服系統執行機構作為制導控制系統的重要組成部分,根據制導控制系統指令操縱翼、舵面偏轉或擺動噴管偏轉,實現導彈姿態穩定和控制。未來航天飛行器飛行跨空域大、速域寬、動態高、非線性強、結構緊湊,因而對其執行機構有突出小型化、輕質化、快響應的需求。伺服系統技術涉及機械、自動控制、電氣、電子、流體、材料等多個學科,主要研究內容包括減速器、機構優化設計、電機、信息(位置、電路、速度)測量、功率器件、流體控制、伺服回路設計與控制等[1-5]。

在各類武器裝備中,伺服系統技術是機載、彈載及陸用等裝備自動控制系統中的重要組成部分和關鍵技術,是實現武器系統位置、速度、力矩等參數控制的執行機構,其性能和控制精度直接影響全系統的控制品質,是現代精確打擊武器的重要控制執行部件。

本文回顧了電動、電靜液伺服系統國內外發展趨勢及研究現狀,針對未來航天飛行器提出的新要求,在綜合評價電動、電靜液伺服性能的基礎上,詳細闡述了其各自設計難點及關鍵技術。

1 電動伺服技術

1.1 國外研究現狀

電動伺服系統按照電機、減速器、離合器的不同組合形式可分為兩大類:直接控制伺服系統和間接控制伺服系統。電機可分為有刷電機和無刷電機,無刷電機又分為方波控制和正弦波控制兩類。國外技術自20世紀60至70年代開始在航空功率電傳需求牽引下快速發展。 國外電動伺服技術成熟度已非常高,以其制造成本相對低廉、維護成本低、可靠性高等優勢成為未來軍用伺服控制領域的重要發展方向,X-51、43等高超聲速驗證飛行器巡航級執行機構普遍采用了小型輕質快響應電動執行設備[6-7]。

在大功率快速響應電動伺服系統方面，最有代表性的成功應用是在1993至1998年期間,由美國空軍、海軍資助NASA Dryden飛行研究中心EPDA項目組進行的“F/A-18B戰機電傳技術”課題的研究,這一課題重點研究用電動伺服系統替代原有的液壓伺服系統,該系統采用270V直流為三相無刷電機進行供電,舵機最大力矩達到58.7kN(13200lb),峰值功率達到3.73kW(5HP),最大工作電流為30A,單只舵機重量為11.8kg(26lb),功率質量比達到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。為提高系統工作壽命和可靠性,選用了大功率電動伺服系統作為操縱面的執行機構,該系統采用120V直流電為電機供電,最大功率達到了12kW,最大推力為58.7kN,調節時間小于90ms。電機使用稀土永磁高導磁材料釹鐵硼合金,并分別于1998年、2000年、2002年通過了飛行實驗的考核和驗證,單套舵機累計最長工作時間達到了232min。通過在X-38上的成功應用,進一步驗證了電動伺服系統相比分布式液壓系統具有操作簡單、可靠性高等明顯優勢。X-51、X-43等高超聲速驗證飛行器巡航級執行機構也普遍采用了小型輕質快響應電動伺服系統[6-7]。目前,國外電動伺服系統功率已達40kW以上,執行機構最大力矩達到200kN以上。國外較早開展伺服系統研制的主要單位有MOOG、SMITH、GOODRITCH、Easton、Parker、LUCAS、TR Textron、Rosne、GE、EATON等,已經研制并形成系列化的產品。

1.2 國內發展趨勢

國內執行機構技術較國外有較大差距,在航空航天領域應用的電動伺服系統產品普遍輸出功率低、結構緊湊性差、功重比較低、動態性能較差,難以滿足未來武器裝備發展需求。電動伺服系統功率在12kW左右,最大推力為20kN,功率密度達0.43kW/kg,而大功率伺服系統領域仍由電液伺服系統占據主導地位,其多用于戰略導彈、火箭的助推級推力矢量控制、機載作動系統等。近些年來,在新任務發展需求牽引下,國內電動伺服系統技術發展十分迅猛,向著小型輕質化、高壓大功率驅動、快速響應、長時間工作、適應惡劣環境、高可靠性等方向發展,高校和科研院所均投入了大量的人力物力開展研究工作,有望在近三年內突破30kW,推力200kN的電動伺服系統。

2 電動伺服關鍵技術

為滿足未來飛行器發展需求,對于航天大功率電動伺服系統,需要重點突破一系列關鍵技術,主要包括長航時耐高溫高動態電傳伺服系統技術、一體化高剛度伺服機構技術、高功率密度快響應伺服電機及能源管理一體化技術、高壓大功率電力驅動技術、大慣量大負載擾動與高精度動態跟蹤控制技術、多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統技術、系統集成與構型技術等,突破以上關鍵技術才能真正形成高性能的電動伺服產品。

2.1 長航時耐高溫高動態電傳伺服系統技術

未來飛行器工作時間可能長達1h以上,在高馬赫工況下,由氣動產生的熱非常大,執行機構高溫環境溫度為150℃,局部高溫達到300℃以上,尤其是飛行器末段俯沖階段,具備動態高、擾動大的特性。大功率電傳伺服系統長時間工作熱積累溫升大,舵面氣動熱傳導引起執行機構軸端蓋溫度升高,在熱、力、振動、濕等綜合環境下,增加執行機構的磨損,影響執行結構可靠性,如何在大負載高溫情況下實現高動態響應電傳控制是一項最關鍵的技術。文獻[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軸承摩擦力矩特性的影響。文獻[9]研究了高溫條件下,兩種基于破壞時間的承載能力試驗方法,提高高溫承載能力,降低結構防熱質量。目前,大部分學者主要從隔熱材料、軸承、潤滑等方面進行分析。

2.2 一體化輕質化高剛度伺服機構技術

對高速飛行器舵機需面臨的負載大、環境溫度高、動態響應快等要求,執行機構需要承載額定輸出扭矩力矩3000N·m以上,輸出彎矩超過15000N·m,轉速超過200(°)/s,系統頻寬達20Hz以上。因此,急需開展高效率高剛度機械傳動技術、大彎矩舵軸支承結構技術、執行機構小型化輕質化等研究,常規的滾珠絲杠已經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計技術、軸承短時過載技術等相關技術的研究工作,最終形成一體化機電作動伺服機構。為實現執行機構的輕質化設計,應該充分分析各部件所承受的力矩特性及所處的環境特性,充分利用AMEsine、Adams、Matlab作全面的系統分析,促進了機電部件綜合優化設計能力的提升。執行機構可以選擇鎂合金、鈦合金、鋼結構等相互組合,在滿足性能的情況下,減少系統重量,提高功重比。國內哈工大、北航、華科、西北機械廠等單位都在從事相關課題的研究工作。文獻[10-11]對高速滾動軸承-轉子系統設計、動力學展開分析;文獻[12]建立聯合載荷作用下精確的滾珠絲杠副剛度數學模型,并分析滾珠絲杠副剛度影響因素及規律。

在滿足傳統結構布局所需的機械特性和控制性能外,為進一步提高系統的集成度和功重比,一些學者針對一體化機電作動機構(Integrated Electromechanical Actuator,IEMA)設計的關鍵技術展開研究[13],這種充分利用其結構特點進行電機轉子和絲桿一體化設計,減小體積以提高空間利用率,提高整體功率/重量比。IEMA采用滾柱絲杠為機械傳動鏈、無刷直流電機為驅動件、檢測元件為旋轉變壓器的設計結構,重點以小型化和輕質化為設計著眼點,相比普通結構,一體化設計的IEMA具有結構緊湊、重量輕的突出優勢,其結構如圖1所示。目前,國內北航、哈工大等高校在開展研究工作,已研制功率等級在10kW、直線推力可達20kN的電動伺服產品。

圖1 一體化IEMA結構圖Fig.1 The integration IEMA chart

2.3 高功率密度快響應伺服電機及能源管理一體化技術

伺服電機是電動伺服系統的關鍵核心部件,高功率密度伺服電機中電磁、溫度、應力之間的相互影響、相互制約,電機的設計及分析。伺服系統一體化小型化就應該首先減小電機體積重量,掌握伺服電機各種損耗計算分析方法,掌握高溫環境條件下高過載大功率無刷伺服電機的溫升計算方法及溫度場分布規律,掌握隨溫度升高永磁體失磁、電阻值、材料受熱膨脹等對電機性能的影響規律,并最終實現電機外殼與執行機構一體化設計,提高功重比。目前,航天科技18所、航天科工33所、航天林泉電機廠、哈工大、西工大、南航均在開展高功率密度伺服電機的研制工作[14],電機功率密度達1.6kW/kg。為滿足未來飛行器發展需求,需突破10～30kW大功率高功率密度無刷電機技術。

未來飛行器執行機構伺服系統動力供電電壓為270V,需要伺服電機峰值功率達到30kW以上,大功率伺服電機及其能源系統涉及電磁場、應力場、流體場和溫度場多個物理場,隨著電機的高速化和大功率化,內部各物理場間耦合關系更為復雜,如何在多制約因素下實現極限功率輸出、高效低損耗、高過載是關鍵技術攻關的重點。為實現伺服系統效率的最優化,應充分掌握執行機構工況運行特性,實現伺服系統能量一體化管理,提高能量資源的利用率。

2.4 抗負載擾動與高精度動態跟蹤控制技術

為保證在大負載慣量舵面或大慣量擺動噴管負載條件下,執行機構控制器在大動壓強擾動狀態下飛行控制性能具有抗擾性強與跟蹤精度高的能力。如果系統控制算法不佳,會引起系統出現抖動現象,造成系統不穩定,帶來嚴重的后果。如何保證系統穩定的基礎上,提高系統的穩態精度和動態性能是一項關鍵的技術。如今大型的飛行器舵面慣量達5kg·m2,而對于大功率大慣量擺動噴管推力矢量控制系統,噴管負載慣量達40kg·m2到60kg·m2,且系統額定推力達40000N以上,控制精度高,對系統的動態品質和頻帶都要求高,常規的PID控制算法已經不能滿足需求,自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制等現代控制理論算法嘗試解決這類問題。國內一些學者已經在大慣量下大負載擾動與高精度動態跟蹤精度控制技術、執行機構伺服控制系統建模等方面作了一些研究工作[15-19]。

文獻[15]針對大慣量隨動系統控制制動時間長、動態性能差的問題,提出了運用雙Kalman濾波對控制量進行預測,實現大慣量隨動系統的預測制動控制。文獻[16]針對大慣量伺服系統提出基于功率及轉矩約束的速度規劃,提出一種基于三角函數的全程柔性加減速算法,解決約束條件下響應速度慢和定位精度差的問題。文獻[17]針對電動伺服機構存在的由參數攝動和建模誤差引起的不確定性問題,應用μ綜合理論研究一類用于驅動大慣量、低剛度負載的飛行器電動伺服機構的魯棒控制技術。文獻[18]針對參數變化、負載擾動帶來的永磁同步電機速度控制問題,提出基于投影算法的永磁同步電機模型自適應補償速度控制。 文獻[19]為解決傳統滑模變結構控制的永磁同步電機位置伺服系統中速度不控或控制律設計復雜的問題,提出一種簡化的位置、速度控制器一體化設計方法,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技術

未來飛行器等對伺服系統的任務可靠性要求越來越高,飛行器長任務時間、可重復使用等需求對伺服系統提出了余度設計、健康診斷等要求。隨著飛行器規模增大以及氣動布局的復雜化,對操縱力矩需求增大,大面積復雜外形結構的襟、副翼等操縱面開始應用,國外空天飛行器如X-38、X-33的舵面、襟翼等伺服系統均采用了多余度設計或復合作動技術。目前國內大功率電傳伺服系統的多余度健康診斷等技術尚不成熟,需要進行關鍵技術攻關。基于人工智能、專家系統等的智能故障診斷理論的深入研究和基于現代檢測技術、虛擬儀器技術、嵌入式微處理器技術等的新型故障診斷系統的研制都使智能故障診斷領域發生了新的變化,一些學者也在航空航天系統伺服機構作了一些深入研究并應用到工程中。文獻[20]針對某高炮隨動系統,研制了故障診斷裝置,建立故障診斷系統,取得了比較滿意的效果。文獻[21]展開多余度電動伺服設計方法研究,在航空機載執行機構上取得比較滿意的效果,代表性性的產品是波音公司。在航天武器裝備領域,在滿足小型化的基礎之上,如何開展多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統是一項重要的課題。

3 電靜液伺服技術

19世紀,液壓技術開始走向工業應用階段,20世紀初控制理論及其應用的飛速發展,為電液伺服控制技術的出現與發展提供了理論基礎。為了滿足未來飛行器向高機動性、超高速及大功率方向發展, 飛行器液壓系統也正朝著高壓化、大功率、變壓力、智能化、集成化、多余度方向發展。然而,采用液壓作動系統, 由于飛行器全身布滿液壓管路,增加了飛控系統的總質量,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飛行器液壓系統的效率問題日益突出,進而引發了諸如散熱、燃油總效率降低等問題[21-22]。

3.1 國外研究現狀

20世紀70 年代國外已研制出作為應急舵機用的功率電傳舵機—電液靜壓作動器,80 年代開始英國盧卡斯(Lucas)公司又將其發展成了一種集成驅動組件。1988年Bendix公司展出了F/A-18 靈巧式副翼舵機原型,這種裝置又稱機電液一體化舵機。90年代,美國的功率電傳舵機已接近實際應用水平,1991年12月Parker Berta公司研制的電動液壓作動器在C-130飛機上完成了空中試飛。1991年,NASA 在Racal飛行模擬器上對直升飛機上的電動靜液作動器(EHA)進行飛行試驗。Lucas研制了作為備份系統與傳統的液壓系統結合成的雙余度電作動器。1994年開始,美國在F/A-18副翼上分別進行EHA和機電作動器的飛行試驗。1996年, Moog公司開始為電力作動控制系統計劃研制EHA,其制造的EHA已經完成F/A18 SRA飛機上的飛行試驗。同時,EHA在飛行器助推級擺動噴管推力矢量伺服機構領域得到廣泛應用,輸出功率達40kW,直線推力達200kN以上。典型的EHA結構原理圖如圖2所示。

圖2 典型EHA結構圖Fig.2 The typical schematic structure of EHA

國外提供系列化的產品比較多,美國空軍研究所( USAF)、GE、MooG、Boeing、MTS、TEAM公司,德國的IST、Hanchen、英國的Lucas Aerospace和日本的鷺工、三菱等都在進行EHA作動器的研究開發[23]。

3.2 國內研究現狀

國內的研究相對滯后,北航、哈工大等單位都在開展相關的研究項目,并取得了一定的研究成果。功率等級主要在10kW、直線推力10kN、系統頻帶8Hz以上。

對于EHA 伺服系統,同樣關注其產品的小型化、輕質化、高剛度、高動態響應等性能,相比電動伺服系統EMA,它增加了油泵,工藝標準要求更高。

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、廉潔自律的崇高風范，一直是全黨和全國各族人民寶貴的精神財富。我們走進耀邦故里，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，是對胡耀邦同志最好的緬懷和紀念。我們學習胡耀邦同志的廉政思想，就是要學習他光明磊落、不謀私利的高尚人格，認真總結、傳承和發揚湖湘優秀家文化，使之成為湖南好傳統、湖湘好故事的精神內核。

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

3.3 液壓缸研究

液壓缸的研究主要針對液壓缸低摩擦力、抗測向力、高頻振動適應能力、無泄漏和高壽命等幾個方面。其主要體現在高速高效雙向液壓泵、液壓缸集成設計制造技術、液壓缸的密封形式和密封材料等。目前,國內液壓缸油壓主要在21MPa和28MPa比較成熟,35MPa壓力還在研制階段,還沒有投入到實際的工程應用。

3.4 電靜液伺服控制技術

電靜液系統集成技術是多項技術的融合,將電液伺服系統與測量傳感技術、機構分析技術、現代控制理論、多目標優化等理論與技術結合起來,為電靜液伺服系統的應用研究開辟道路。

由于電靜液系統具有很強的非線性,模型具有較大的不確定性,同時死區、飽和以及摩擦都會對其性能產生一定影響,因此,在電靜液的控制性能調節和魯棒性方面還有大量課題有待進一步研究。電靜液伺服系統是典型的非線性時變系統,如何應用現代控制方法提高系統的適應性和魯棒性也一直是電靜液伺服研究的熱點[24-26]。

3.5 電靜液伺服系統挑戰

電靜液伺服系統面臨的最大挑戰就是電動伺服系統,隨著新的導電材料和導磁材料的研究,電驅動系數的比力系數越來越大。目前,在小功率系統,電液體系統已經被電動所取代；但在大功率范圍內,電液仍舊占絕對優勢。另外,隨著科技快速的發展,也對電液伺服系統的功率和出力范圍提出了更高的要求。

電液伺服系統的研究和發展主要體現在如下三個方面:

1)驅動形式

由于電液伺服系統的效率低、抗污染能力差、相對于電動系統頻率低等缺點,研究者提出無閥系統。該系統采用一次元件直接控制元件,省去了伺服閥,因此系統的效率可達80%以上,基于此技術的EHA得到廣泛的應用。這類系統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鍵技術,由于受到伺服電機比力系數的限制,該技術在小功率中有好的應用前景。

2)復雜系統設計和系統集成技術

正如前面所敘,電靜液伺服系統相比電動伺服系統而言,增加了油路系統,系統復雜,在滿足性能指標的情況下,綜合運用計算機仿真Amesim、CAD、Virtulab等軟件,并結合實際工程應用,最優化系統的布局,做到結構、功率、性能相匹配,實現最優化集成設計,不僅可以減少系統的體積、質量,而且可進一步減少系統的慣量,提高系統的響應速度。

3)效率分析和熱控制技術

EHA的效率比傳統的采用恒定壓力的液壓伺服作動系統要高得多,但是由于EHA系統取消了管路,破壞了原來采用的液壓系統循環冷卻方式,如果不對系統進行效率、發熱分析和溫度控制,這種作動器就不可能長期正常使用。EHA中電機的溫度控制可以采用自然冷卻和液壓油循環冷卻。從設計之初就對系統的效率和熱控制進行統一的考慮,如采用散熱片、加大通風措施等,但是這又可能導致系統的尺寸、質量加大,因此,應做好系統布局。

4 結束語

伺服系統技術涉及機械、自動控制、電氣、電子、流體、材料等多個學科,主要研究內容包括減速器、機構優化設計、電機、信息(位置、電路、速度)測量、功率器件、流體控制、伺服回路設計與控制等。未來航天飛行器跨空域大、速域寬、動態響應高、非線性強、結構緊湊,因而對其執行機構也提出小型化、輕質化、快響應、耐高溫、高可靠等需求。目前,國內在一定程度上取得比較好的成果,但是在部分關鍵部件和系統集成設計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。

國家自然科學青年基金(61603051)

張新華(1972-),男,博士,研究員,主要從事高動態電動伺服系統研究。

TM351

A

2095-8110(2017)01-0014-06