第1章绪论
作动系统是指能够根据上层控制系统的指令，将指令信号经机械、电子等部件和组件转化为直线位移/旋转角度或力/力矩输出，带动负载运动或形变，*终实现对控制目标位置伺服控制或力伺服控制等系统的总称。作动系统是飞机和导弹等航空航天装备的重要组成部分。飞行器的俯仰、偏航、滚转运动通常依靠作动系统驱动舵面完成，作动系统在姿态、航向及轨迹控制方面起着重要作用。随着科技的发展和人类社会的进步，现代航空航天航海和自动化领域作动系统的发展也进一步多元化，作动系统按传动方式可以主要分为液压作动、气动作动、机电作动、电液作动等。其中，液压作动系统的研究较为成熟，虽然可维护性差，但是应用*为广泛。随着航空装备的发展，尤其对作动系统提出大功率重量比、智能化和高可靠等要求，液压作动系统的性能短板会直接影响飞机的机动性、可靠性和战伤生存率等。为获得更好的飞行品质和作动性能，国内外已越来越多采用性能更好的功率电传(power-by-wire，PBW)来代替传统液压作动系统。功率电传利用导线以电能的形式完成功率传输，用电能传输取代传统液压能传输，可以显著提升飞机的性能。电动静液作动器(electro-hydrostatic actuator，EHA)和机电作动器(electro-mechanical actuator，EMA)是功率电传的两种重要类型。电动静液作动器由电机、液压泵、油箱、作动筒和控制器等组成，以液压油为介质，根据飞控计算机发出的指令推动活塞运动，进而控制舵面偏摆。与传统液压系统不同，电动静液作动器的液压部分仅存在于作动器内部，省去了传统液压系统原本很长的液压传输管路。机电作动器则完全省去了液压部分，直接利用伺服电机驱动减速装置或运动转换装置(滚珠丝杠副、行星滚柱丝杠副、齿轮传动机构)输出力和位移。与同功率级别的电动静液作动器相比，机电作动器具有体积重量小、传动效率高、无泄漏风险等优势，是当前研究的重点。随着功率电子器件和伺服电机的发展，机电作动器的应用前景广阔，在环境友好性、优化飞行器能源结构、可靠性和可维护性方面都有很大的优势。
1.1机电作动系统及其研究意义
1.1.1机电作动系统组成
机电作动器主要由伺服电机、齿轮和丝杠传动机构，以及传感器组成，与其驱动控制器共同构成机电作动系统。在得到控制指令后，驱动控制器形成控制指令并发送给功率驱动单元，通过伺服电机、齿轮及丝杠传动机构输出位移。除了这些基本功能，系统还将多种传感器(电压、电流、速度、位移、温度)采集的信号进行综合分析，实现对各通道运行状态的检测和管理。机电作动系统原理图如图1-1所示。
图1-1机电作动系统原理图
不同场合对机电作动器的结构形式、功率级别会有不同的需求。如图1-2所示，根据末端输出形式的不同，一般将机电作动器分为直线式机电作动器和旋转式机电作动器。此外，还可以根据是否集成减速器，分为减速式机电作动器和直驱式机电作动器。
图1-2直线式机电作动器与旋转式机电作动器
1.1.2机电作动系统研究意义
对飞行器而言，机电作动系统的主要优点是消除了中央液压供给系统，以及分布全身的管路系统，同时对密封性要求低，可使飞行器体积更小、功能更加集成、制造成本更低、周期更短，从而降低飞行器的研发成本和周期。与同功率级别的电动静液作动器相比，机电作动器具有体积重量小、效率高、没有液压油泄漏风险等优势，已成为航空航天领域研究的重点。同时，由于机电作动系统用电能完全取代液压能，因此成为由多电飞机向全电飞机发展的重要技术环节之一。以前，大多数飞行器上的大功率作动器以液压作动系统为主，中等功率作动器以电液作动器为主，机电作动系统为辅助。但是，随着高可靠性、高功率密度电机及其驱动系统的发展，机电作动系统有望逐渐替代液压作动系统，成为飞行器上的主要，甚至全部执行机构。
美国相关机构的研究表明，当一体化电动作动系统运用在飞机所有的飞行控制舵面时，客机可以节省燃油消耗，减少30%～50%的地面设备，战斗机可以减少600～1000lb(1lb=0.453kg)的起飞重量，以及14%易受轻武器攻击的机身面积。例如，通过机电作动系统实现前轮的转弯动作，就无须安装油路，可降低飞机重量，能耗更少。目前国外*新服役的飞机、导弹都部分或全部使用了多电/全电作动技术，既提升了飞机和导弹的战术性能指标，又为其下一代更全面多电 /全电化打好了基础。
多电飞机[1](more electric aircraft，MEA)在提高可靠性、可维修性、战场生存力、隐身能力、减轻自身体积和重量等方面拥有诸多优点，引起世界各国研究人员的广泛关注，将引领未来飞机的发展方向，其*终目标就是全电飞机(all electric aircraft，AEA)。所谓全电飞机，是一种用电力能源系统全部取代原来的液压、气压系统的飞机，所有的次级能源均用电能的形式分配。作为全电飞机的过渡，多电飞机是用电力系统部分取代次级能源系统的飞机，是当今国内外军用和民用飞机发展的主流方向。
1.2机电作动系统发展概述
1.2.1机电作动系统发展历程
1.航空领域
机电作动器在发展初期受电机技术、电力电子技术等限制，无法满足大功率的应用需求。其产生和发展来自小型战术导弹的控制需求，此后又被成功应用于多种导弹的舵面控制。例如，20世纪50年代，红石导弹的气动舵面就采用机电作动器操控；20世纪60年代，美国标准RIM-66导弹、法国R530中距空空导弹、法国“响尾蛇”地空导弹等均采用机电作动器及其系统。
机电作动系统的研究兴起于20世纪70年代末。随着电传飞控(fly-by-wire，FBW)和功率电传思想的引入，机电作动器用于飞机舵面驱动的研究不断深入。其控制系统通过电信号驱动电机，再经减速箱、传动轴和滚珠丝杠等机械传动装置将电机的旋转运动转换为舵面所需的运动，*终控制飞行器舵面偏转。机电作动系统使飞行器的第二能源系统通过导线以电能的形式传递至各个执行机构。机电作动系统以电气线路取代遍布飞行器的液压管路，可以节约飞行器的运行维护成本，提高飞行器的能源利用效率、可靠性，以及地面保障能力。随着技术的发展，目前中大型无人机上的伺服作动器已逐渐由传统的液压作动器向机电作动器转换，从结构上取消了液压泵及其附属油路，降低了执行机构的重量和复杂度。典型机电作动器产品如图1-3所示。
美国在前期研究和试验验证的基础上，对机电作动器的可靠性、电磁兼容及优化设计等综合性问题进行了研究，并不断对老型号飞机的作动器进行升级改造，例如F/A-18B的左副翼，U-2S的方向舵、升降舵、副翼等。进入21世纪以来，美国的“捕食者”“全球鹰”等无人机都采用基于无刷电机的电动作动器。波音787和ARJ-21均成功实现了电动作动器代替传统液压作动器，Sagem公司为A320飞机设计的副翼机电作动器2011年就完成试飞。
美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和波音公司等共同开发的联合无人作战飞行系统X-45A原型验证机采用18个直线输出机电作动器驱动飞行器的升降舵(共6个翼面)、前轮转向和起落架，实现了全电作动。
由于机电作动系统在航空航天领域突出的技术优势和经济效益，近三十年来，美国和欧盟等资助了多个多电飞机技术项目。欧盟是多电/全电飞机技术的主要推进者，在其发布的各年度科研计划中，多电/全电飞机技术的发展从未间断过。2007年，在空客公司和法国萨基姆公司联合开展的智能分布式飞行控制和系统集成项目中，萨基姆公司开发了直驱式机电作动器和齿轮传动机电作动器，并于2009年将副翼机电作动器交付给空客公司。2011年，以机电作动器为主要作动系统的飞行试验在空客A320上成功进行，并完成114飞行小时的试验。这是世界上**次在商用客机上进行的以机电作动器为主驱动装置的飞行试验。两家公司在2016年进行了以机电作动器为主驱动装置的副翼和扰流板飞行试验，2017年水平安定面等也陆续采用机电作动器进行飞行试验。A320飞机襟翼驱动采用机电作动器(图1-4)，可承受*大静态负载为70000N，速度为22mm/s，*大输出功率为2kW，行程为440mm。A380型飞机选择2H/2E的飞行控制布局，即两个液压系统和两个电气系统，将液压作动器作为飞行控制主要驱动系统，而机电静液作动器作为液压作动器的备份，同时采用115V交流电源供电系统，可以节省约1500kg重量。
英国贸易和工业部与Lucas航空航天公司共同资助了名为TIMES(完全集成多电系统)计划，研究与大型机电作动器相关的问题。其主要目标是比较两种潜在的驱动技术，即开关磁阻电机(switched reluctance motor，SRM)和无刷直流电机(brushless direct current motor，BLDC)。英国宇航系统公司建立了一个名为Helicopter HEAT机电作动技术的项目，开发直升机主飞行控制系统的机电作动器。
旋转式机电作动器在航空领域也被广泛使用。2009年*飞成功的B787中部扰流板和水平安定面均装备了旋转式机电作动器。2012年，法国赛峰(Safran)公司“智能翅膀”项目致力于研究如何更加灵活地运用电动控制技术控制舵面。为了满足超高速飞行器对小空间高功率密度电动作动器的需求，部分国家开展了用于薄翼面的电动作动器研究。美国穆格(Moog)公司于2014年公布了旋转式机电作动器样机。同年，俄罗斯莫斯科航空学院也公布了旋转式机电作动器样机的研制成果，如图1-5所示。
在商用飞机领域，2002～2006年欧盟启动的名为AWIATOR的项目支持了飞机机翼上用于升力控制的分布式机电作动器研究。该系统由称作Mini-TED3的6个机翼后缘装置组成。这些装置由20个机电作动器驱动，并于2006年完成地面和飞行测试。纽卡斯尔大学在2005年研究了商用飞机的襟翼(flap)和板条(slat)的机电作动器。该机电作动器集成了断电制动器，具有34kN m的负载能力和 0.25%的定位精度。2010年，他们为电动起落架伸缩(electric landing gear extension and retraction，ELGEAR)系统开发了双冗余机电作动器，负载扭矩超过7000N m，运行速度超过18°/s。执行器采用大减速比变速箱。此外，采用机电作动器驱动的反推力装置也已成功应用于 A380、A350，以及C919客机。
近年来，国内外都对机电作动系统开展了大量研究。欧盟实施的 Cleans Sky和 Cleans Sky2计划资助了两个机电作动项目，即“飞控系统机电作动器和电子控制单元开发”项目(2017～2019年)、“高可靠带有监控的主控制面机电作动器”项目(2016～2018年)。美国国家航空航天局也对亚声速大型飞机的电推进技术及电作动控制器开展了研究。2019年1月，航空发动机制造商 Rolls-Royce宣布启动 ACCEL(Accelerating the Electrification of Flight)计划，加速飞控系统的电气化。2019年8月，中国航空研究院发布国内*部电动飞机发展白皮书，其中一项关键技术就是高效高功重比电机驱动控制器。随着电动飞机的迅速发展，高性能机电作动系统将发挥更加重要的作用。
2.航天领域
随着电力电子、高磁能积的永磁体和数字控制器等相关技术的飞速发展，高功率密度、高可靠性的永磁电机制造和控制技术得到飞速发展，机电作动器的功率等级逐步提高，并且随着余度电动伺服机构的研制，可靠性逐渐达到在航天领域应用的要求。高可靠多余度电动伺服机构逐步运用到运载火箭，以及其他具有高安全性要求的先进飞行器中。美国刘易斯研究中心采用先进的感应式交流异步电机，为先进运载系统研发了大
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