解析机电作动系统发展

摘要：机电全作动的系统指的是通过控制电器、电动机的运行间接或是直接地控制负载的运动，从而达到控制目标的位置伺服控制的一系列统称。本文对飞行器的用机电作动系统，介绍了其结构以及关键技术。

关键词：机电作动系统飞行控制器

机电作动系统简称EMA，是军事、交通、工业、农业、航天机械设备中一类位置伺服控制系统的统称。它是通过控制电器、电动机的运行间接或是直接地控制负载的运动，从而达到控制目标的位置伺服控制的一系列统称。

分析机电作动系统的结构形式

EMA是随着材料以及控制技术的发展而进行发展的，且结构形式与应用场合、作动方式的不同而不同。

旋转式EMA驱动阀类负载，是直接耦合式，尤其是使用了有限转角的电机的旋转式EMA，但是，电机无法整圈的转动，所以使用的是直驱式的结构。其位置传感器一般包括旋转可变差动变压器、旋转变压器、光电编码器等等。

直线式EMA一般采用的是由旋转电动机，驱动控制器、运动机、减速器等四个部分组成的间接形的驱动结构。间接驱动的直线式的EMA应用范围广泛，可以满足有体积或是重理要求的低、高功率的直线位置的伺服场合。

EMA在早期的发展中由于有电机、驱动控制技术的限制，所使用高速、单向的旋转电动机驱动绳索滑轮结构（比如美国的U2S的亚声速高空的侦察机）。这一种结构是可以将控制器、电动机在机身内安装，从而解决机翼空间受限的飞机作动系统升级至EMA的问题。但是同时存在着故障率高问题。

EMA另一种结构（如图1）

在首级减速之后使用磁粉离合器进行换各大，其吸收制动能量，再经过减速、运动转后之后，驱动负载运用动。这一类系统对于电动机的控制性能要求不会太高，电动机一般都是单向的恒速的旋转。而且，随着技术的不断发展，这一类的磁粉离合器伺服的机构中，被控制的对象可以不用是电动机转子而是磁分的离合器的杯形的转子，所以快速性比较好，同时磁粉离合器的控制功率比较小。此外，这一个系统同时还具有所需要电动机功率小的特点，磁粉离合器传递的转矩与转速是没有关系的，具有定转矩性的特点。不过，这一种结构存在的缺点也是显而易见的，它有着系统结构复杂、重量重、体积大、可靠性不稳定的缺点。

此外，在早期，存在着许多人、机的舵面用机电作动系统中仍保存着人工操作的方式，人工操作以及电机驱动通过离合器进行切换。这一类的EMA体积更加庞大，其结构也更加的复杂。但是，随着技术的发展，EMA的可靠性在飞行的实验中的成功，人工操作的功能已渐渐消失。

4.当前EMA的经典结构形式（如图2）

高速的伺服电动机驱动减速器，经过运动的变换后驱动负载。制动的形式是采用阻尼发动机，有的时候也可以是由磁粉制动器、静止整流电路-耗能电阻所代替。这一种结构的EMA有以下的缺点：被调节电功率大、转动的惯性力量大、因为频繁地的反转和起停而选用的电动机容量大、特性会受到转速的影响等等。在使用多余度的设计以及高速电机之后，系统会具有以下优点：体积小、功重比高、可靠性能增加等。

综合分析，机电作动的系统的结构演变是反应了电气、电力、电子、材料、电子技术一整个领域的发展。整一个的演变过程都在提高机电作动系统功率可靠性、密度性、可维护性的基础上发展的。使用磁粉离合器换向的结构与高速单向旋转电动机驱动绳滑轮的结构相比，有着更高的可靠性。而使用高速伺服电动机与磁粉离合器换向的结构相比较，取消了磁粉离合器，这样就可以磁粉离合器的磁粉相粘而导致故障的产生，由此提高了功率的密度和可靠的性能。所以，作用阻尼发电机替代磁粉制动器，不仅仅可以提高相应的功率密度、可靠性能，而且更加为制动能的回收、利用提供了可能性的条件。

机电作动系统的关键技术简介

1.电机技术

使用旋转电机的真线式的EMA发展，其使用的电动机形式非常多（其中包括：直流电动机、永磁同步电动机、感应电动机等等）。假设不顾虑到飞行器的应用，这一些电机均可以使用。但是，伴着电磁材料的发展以及可靠性和可控性的要求的提高，飞行器中的EMA使用的电动机主要还有永磁同步电动机、感应电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机，与此同时，还向着高速钐钴永磁无刷直流电动机发展。

EMA用电机的优化设计：

热优化。因为此类电机一般情况下都在运行在高速以及斩波的控制下，铁耗在电机的损耗非常大，所以说，热优化在很多的时候是可以通过有限元法对电机内的涡流场进行相应的分析。但基于方便的前提，还是通过解析法直观地分析并

优化电机的铁耗。

性能优化。因为电机的损耗和体积，以机时时间常数等均是耦合在一起的，如果只是因为追求某一个量的优化就会在同一时候损害了另一个量。通过这些量与量之间的折中以满足最大性能才是最有效及可行的方法。即为电机及驱动控制系统的一体化的设计技术。

2.驱动控制技术

为了可以实现直线运动方面的控制，EMA的控制是需要指载荷、目标位置、直线速度、加速度，它的可控性决定于每一个元件的特性和元件之间的接口。

对于小功率的EMA的驱动一般情况下所采用的是硬开关PWM技术。且驱动功率的增大，硬开关技术会引起电应力大等严重的问题。并且，当驱动功率增大到一定的程度的时候，硬开关技术则会失效。所以，在大功率的EMA中一般使用软开关技术：ZVS（零电压开关技术）、ZCS（零电流开关技术）。在驱动电路的拓扑上，除了原有的传统结构外（比如原有的三相六桥臂结构、开关磁阻电动机半桥结构），这些年来，已有了飞机方向舵用EMA使用的矩阵变换器驱动的一些报道。

EMA驱动器中所使用的电力的电子器件主要是IGBT，在某些项目中，还使用过导能降比IGBT更加低的MOS控制晶体管。最近这几年，高温半导体材料SiC的研究在不断发展，可承受600摄氏度左右的高温，PN的结耐压易于达到5-10KV，其导通电阻也硅器件比起来要小的多，导热性好，在未来非常有希望可用于航空航天的电气设备之中。

三、飞行器用机电作动系统的发展形式

（1）EMA逐步往高功率密度方向发展。因为这样，使用高速伺服电机以及先进的高效率的机械传动机构。

（2）EMA往多余度的可靠性能方面发展。高可靠性能的机电作动器不单要具有BIT功能来实现上电的自检测，同时还要具有健康的检测监测的功能以及容错的控制能力。

（3）EMA往高集成化的方面发展。在上世纪的八十年代机电作为动器得到基础功能的实验证明后，长时间以来都是朝着高集成化的方面发展。尤其是近几来将电力电子和控制电子集成一体后，为高集成化、低电磁干扰的机电作为动器的实现提供了有利了条件。

（4）EMA智能控制中心是今后全电飞机中不能缺少的机载设备。当前，主飞控翼面基本上均为单体式，翼面是由一至两台作动器进行驱动。但随着舵面负载的增大以及高可靠多余度的需求的不断提高，单一台的EMA的体积以及容量会增大，且机翼的安装空间会限制EMA的体积。所以，采用分体式的翼面，将

一个整体的翼面同时划分为若干个小翼面这样就可以解决此问题，同时，对单台的EMA的可靠性的要求也随之降低。使用分体式翼面之后，单纯的靠飞控的计算机来控制、管理所有的舵机是不会改变的，非常有必要将EMA的智能控制中心引入。EMA的智能控制中心的作用是负责所有舵机的余度管理以及协调，其作用是对飞控计算机以及舵机中间的接口功能。因为这样就可以在对现有的飞控计算机不改变的前提下快速的将现有的飞机系统升级到舵面EMA驱动。

参考文献：

[1]郭宏，邢伟，机电作动系统发展[N]，航空学报，2007，28（3）

[2]马锡平，王君艳，谭佛娃，汽车电动助力转向电机的控制，微特电机，2005（05）