0 引　言

近年来，针对集成化控制组件的研究逐渐深入，机电作动器正被应用于航空航天、导弹飞控等领域。随着深海潜水器的对高性能作动装置的需求不断增大，具备小体积、高性能、高可靠性、大扭矩输出等技术特征的机电作动器在舰艇及水下装备的操舵装置中正在得到越来越多的应用^[1]。

大型潜水器主要通过车舵配合实现操纵运动控制，即在特定螺旋桨推进转速下，利用升降舵与方向舵的联合作用实现潜水器空间姿态调整与运动控制。机电作动器从根本上避免了传统复式液压作动器存在的振动冲击传导、维护成本高、易污染等问题，具备高集成度、优秀的可靠性、理想的操舵精度等优点，为舰艇能源形式精简化与清洁化、潜水器操纵运动精细化控制与减震降噪、操舵装置作动器小型化与舷外布置等现实需求提供了技术基础。

本文对机电作动器的概念与发展过程进行了回顾，总结了国内外舵用机电作动器技术的研究现状，对机电作动器技术在潜水器上的应用进行了展望。

1 机电作动器技术的发展 1.1 机电作动器概述

20世纪70年代末，为了满足航空领域用供电系统取代目前飞机上的液压、气压和机械系统的发展需求，研究人员提出了与功率液传对应的功率电传，功率电传作动器仅依靠电能即可完成供能装置到执行装置的功率输送，因此也被称为电力作动器（Electrically Powered Actuator，EPA）^[2]。

当前功率电传作动系统主要分为机电作动器（Electro Mechanical Actuator，EMA）和电动静液作动器（Electro Hydrostatic Actuator，EHA）2种技术路线。EHA中，控制器和发出的驱动控制信号控制伺服电机正反向旋转，带动液压泵正反转工作，推拉舵杆、舵柄，使舵叶转动。EMA控制器受指令控制产生可以调节电动机转速的相电流，使之输出目标转速；经减速器和滚柱丝杠将回转运动转化为往复运动位移输出。常见EMA结构示意图如图1所示。

与传统复式液压作动相比，EMA和EHA在可靠性、维护成本等方面均具备不同程度的优势。从本文研究角度出发，面向潜水器的舵用EMA、EHA与传统复式液压作动的评价表如表1所示。

由评价表可知EMA在潜水器舵用作动方向上占据较大技术优势，这主要归功于EMA整体电气化的结构设计，图2为常见EMA结构示意图，通常包含以下主要结构：

1）电机

EMA内置结构紧凑、可靠性高、功率密度大、散热良好的变速伺服电机以将电能转换为机械能。常用伺服电机类型包括永磁同步电机、无刷直流电机和开关磁阻电机，在实际使用中，通常根据电制等实际情况选择伺服电机形式。

2）减速机构

减速机构将伺服电机的高速低扭矩转换为螺杆机构的低速高扭矩。EMA中常见减速机构包括谐波齿轮减速器、摆线减速器或行星齿轮减速器，以实现更加紧凑的结构，零间隙，和更高的传递效率。

3）丝杠机构

滚珠丝杠或行星滚柱丝杠是将旋转运动转换为线性运动、连接伺服电机和外部负载、匹配扭矩和速度过渡机构。对于给定的负载，行星滚柱螺杆机构的导程比滚珠丝杠机构低，但负载能力更高。

4）控制器

传感器可以将位置、速度和负载信息发送到控制器，以进行位置反馈和电流调整^[3]。

针对EMA在航空航天、导弹飞控、海洋装备运动控制领域的应用，国内外已经展开了广泛研究。

1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状

20世纪70年代末，永磁材料和电力电气设备的进步推动了全电动飞机（All Electric Aircraft，AEA）概念的产生，全电飞机通过将驱动系统从传统的液压作动替换为EMA，从而减轻操纵系统重量、提高整机可维护性，并为更高精度的飞行控制提供基础。到20世纪80年代，美国空军、海军和NASA均逐步认可了全电飞机的概念^[4]。

EMA在商业航空领域的发展尤为迅速，空客公司于20世纪80年代末为空客A320引入了EMA参与飞行控制，随后在1994年波音B777也引入了该装置。实践证明，EMA的应用大大减轻了控制硬件的重量，并为其他飞机部件提供了额外的布置空间^[5]。由美国Lockheed Martin公司主导开发的联合打击战斗机F-35在起落架上使用了由Moog公司开发的EMA；在舰载型F-35上，机翼折叠结构使用EMA作动完成机翼折叠，不再需要布置复杂且冗余的管路即可实现机翼的收放。

2011年1月，Safran公司开发和生产的机电执行器首次载机飞行并执行副翼的主要飞行控制功能，累计载机飞行时长达114 h。Safran公司基于实验数据提出了全面应用EMA的“智能机翼”项目^[6]，项目聚焦于解决EMA滚柱丝杠卡阻与热负荷严重的问题，以确保EMA更彻底地实现安全关键应用。

2013年下线并首飞的波音787客机配备了由EMA驱动的发动机启动装置、第二飞控、起落架收放装置和刹车系统，这使得波音787控制系统集成度得到显著提高，较波音777电路卡数量由169个降至53个，15个飞控组件被集成至4个FCE设备架上，大大降低了机内空间占用^[7]。

电动化的进程同样发生在海洋装备领域，2016年由英国亨廷顿英格尔斯工业公司与波音公司合作研制的大型UUV“回声航行者”正式下线，其采用混合式可充电的电力系统，为推进系统和艉舵提供动力^[8]；美国建造中的“哥伦比亚”级核潜艇采用综合电力设计，使用全电力推进及配套的操纵运动控制系统，极大地增加潜艇的静谧性^[9]。

国外在探索EMA应用于海洋装备方面已有较为成熟的经验，现已有较为成熟的商业产品。美国ULTRAMOTION公司开发了数款可用于深海的耐压型EMA，其开发的用于深度大于6000 m水下作业的T3型EMA使用大功率无刷直流电机与行星齿轮配对，在紧凑的封装下提供了较高扭矩。ULTRAMOTION公司称其独特的齿轮装置增强了作动器处理高瞬态载荷的能力，大幅降低了结构故障概率^[10]。美国2G Engineering公司开发的4000系列水下电动作动器采用铝合金、不锈钢或钛合金，工作水深不低于3000m，舵轴输出力达2000 lb^[11]（1 lb = 0.454 kg）。美国MOOG公司的水下EMA工作水深不低于2500 m，并有成熟的防腐蚀技术，使用湿式滚珠丝杠设计，具备高可靠性，高效率和低噪音等特点，在1.4 kg的总重下可产生250 lb推力。MOOG公司所研制的耐压EMA已在美国海军多款潜艇上得到应用^[12]；美国Secondo Mona公司为美国海军直升机设计、开发并制造了用于尾部折叠与锁定、自由轮执行器等尺寸灵巧的特殊用途EMA。

2004年起，美国海军便开始分析使用EMA取代海上作战平台中泵、阀门、液压活塞所使用的液压执行器的可行性。美国德克萨斯大学奥斯汀分校主导的全电船舶研究项目显示，在作战舰艇上使用EMA可以提高舰艇作战能力和可维护性，并减轻重量、热负荷和人员需求^[13]。

综合国外EMA发展历程与研究现状，可以发现全电力化的概念正在各领域得到广泛认可，而EMA因其更大的开发带宽、更低的维护成本、更小的重量尺寸而逐渐在航空、船舶等行业的精密控制领域和特种装备上获得应用，相关产品已获得军队、商业航空公司的认可，但其较低的极限扭矩和其本身存在的滚柱丝杠卡阻等问题仍制约着其获得更广泛的应用。

1.2.2 国内研究现状

国内在功率电传作动器及电动舵机方面的研究起步较晚。当前，北京航空航天大学、海军工程大学、中航工业六一八所、中国船舶七〇七所和北京精密机电控制设备研究所等单位已针对EMA的应用开展研究，但大多数技术状态处于原理样机研制与验证阶段，实现大规模实际应用的例子还较少。

自20世纪80年代以来，北京航空航天大学一直积极开展EMA相关研究，在方案论证、数值仿真、功率设计等方面取得了一系列研究成果^[14]。由北京航空航天大学团队试制成功的10 kW无刷直流电机样机，为大功率EMA的研制奠定了基础。2007年起，北京航空航天大学针对潜艇舵机的技术要求，进行了新型集成一体化作动器的方案论证、虚拟样机设计和压力冲击抑制等相关研究，取得了一定成果^[15]。

中国航天科工集团伺服技术研究所研制的某型舵面控制用旋转电动伺服机构，额定功率为4 kW，其产品带宽大于15 Hz；其同步研发的直线输出式EMA，产品带宽大于20 Hz。该研究单位还研制了用于发动机推力矢量控制的EMA，20 kW级产品已投入实际应用；同时也在开展更大功率EMA的研发^[16]。

中航工业南京机电专注飞机操纵系统及作动系统和部件的研究、设计和生产，其所研制的伺服舵机在国内处于领先行列，并在国内外市场享有较高声誉，并已成功应用与国产战机和新型无人机上。2021年，由中航工业自控所研制的EMA在28VDC供电电压下，可以实现不低于3 kN的输出力，最大空载速度大于64 mm/s，频带不低于4 Hz^[17]。

北京精密机电控制设备研究所从2000年开始研究机电伺服机构，其所设计一型舰船用新型高效低噪电动舵机，额定负载力达30 t，通过了样机实验，证明了减速传动装置的可靠性与伺服电机的高效低噪性能，并验证了其变增益高精度控制算法的可行性^[18]。北京精密机电控制设备研究所为海军某舰船操舵装置开发了EMA功率达到20 kW，并通过1000 h带载试验考核，仅因进口滚柱丝杠拆装不当造成损坏^[19]。

2009年起，海军工程大学便开始研究用于潜艇的低噪声集成一体化舵机，并提出了基于EMA的作动系统方案，在作动误差、精度控制、基于EMA的全舰电气化等方面取得了研究成果^[20]。

综合分析我国获得公开报道的EMA技术进展，可以发现国内EMA研究主要集中在科研院所等单位，所推出的EMA产品已具备开始获得应用，但国产舵用EMA耐压深度、功率密度等指标上较国际先进水平仍有距离，同时存在产品缺乏系列化发展、高精度滚柱丝杠和大功率驱动器硬件依赖国外供应商等亟待解决的问题。

2 舵用EMA应用现状 2.1 舵用EMA所面临的问题与对策

1）滚柱丝杠失效

滚柱丝杠在EMA采用操舵的过程中承担着将伺服电机经齿轮组传递的回转运动转换为往复运动的重任，在舰艇维持航向、深海潜水器处于水下潜浮、定深航行等工况时，需要操舵装置频繁动作以实现艇体按预定航向及潜深航行，这对滚柱丝杠的性能提出了较高要求。

对于标准滚珠丝杠，失效通常发生在丝杠、滚柱和螺母三大部件啮合螺纹的接触面上^[21]。在诸多失效形式中，装配未对中导致失效、冲击载荷引发失效，接触面磨损导致失效等形式具备不可预测性，影响了EMA在高可靠性需求场景中的应用。

解决滚柱丝杠失效问题的主要方法为增加故障冗余能力。航天科技十八所提出了一种双余度机电伺服系统，可以保证传动机构、伺服电机以及控制驱动器出现故障时依然能正常工作，并通过了仿真验证^[22]。德国斯图加特大学提出了一种断开装置以实现滚柱丝杠卡死情况下避免对减速器和伺服电机造成进一步的破坏^[23]。

2）应对瞬时高过载能力要求高

应用于操舵装置的EMA在舰艇水面航渡工况下，会面临海浪抨击舵叶表面产生瞬时大载荷，当舰艇顶浪航行时，若船长小于航渡海域涌浪波长，将诱发纵摇，破坏船舶稳性；当舰艇干舷长度与涌浪波长相近时，将诱使舰艇存在发生中拱或中垂。上述2种情况都将考验EMA应对瞬时过载能力^[24]。如果搭载EMA的舰艇与海洋装备有在冰区航行、浮潜的需求时，对其操舵装置所搭载EMA的抗载荷能力提出更高的需求。

为了提高EMA应对瞬时高过载能力，通常在其中加入锁止机构，通过避免伺服电机、减速装置和滚柱丝杠直接承担载荷提高瞬时高过载能力。中国科学院沈阳自动化研究所提出了一种使用蜗轮、蜗杆传动实现反行程自锁，具备机械自锁能力的深海自主水下机器人自锁式舵机^[25] 。

3）热堆积

EMA中驱动控制器的绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块、伺服电机的绕组、滚柱丝杠的啮合接触面等，在未及时散热的情况下，均会造成热堆积。在航空业，配备EMA的机翼作动器通常需要配置专门的散热装置^[26]，以避免由于热堆积所导致的EMA故障。

IGBT作为电力电子装置中重要的组成部分，其主要功能是将控制信号进行隔离和放大，在船用EMA执行操舵等作动指令时，IGBT功率模块的长时间的运行和频繁起动、关闭过程中会导致其产生大量的热。电子工业领域也在积极探索使用碳化硅陶瓷等新型材料对IGBT进行封装以实现其更好的散热性能^[27]。

在伺服电机中，绕组铜损是主要发热源，其发热与电机负载扭矩呈正相关^[28]。船用EMA在面临较长时间高负荷使用时，其伺服电机内部温度过高影响磁铁磁性，进而使得永磁电机扭矩性能降低。电机常见的散热方式包括自然散热与强制散热。通常在伺服电机的设计中，就配置温度传感器与温度控制器实现对风冷/液冷的闭环控制。

滚柱丝杠热源主要为：轴承摩擦发热，丝杠、滚柱与螺母之间摩擦生热^[29]。丝杠的温升会造成其发生热变形，影响啮合精度，这将致使EMA执行作动指令的精度随之下降；高温也会使滚柱丝杠内润滑剂润滑效果下降。

2.2 舵用EMA在水下装备的应用

舵机舷内布置所导致的舵杆往复运动密封难度高、舷内舵机承受背压增加操舵功耗等问题，始终困扰着水下装备尤其是大潜深潜水器设计人员。功率电传、集成度高、体积小的EMA的出现，为操舵装置的舷外布置提供了技术基础。

凭借EMA的应用，电动操舵装置的舷外布置规避了水下装备耐压壳体上实现往复运动密封的技术难题，同时借助舷外布置使结构直接接触海水，解决了EMA热效率差、产生热量堆积，诱发性能退化等问题。但潜水器电动舵机的舷外布置，还有部分关键技术需要关注。

1）活塞杆密封

舷外布置意味着EMA整体必须进行耐压设计，在动作机构的密封上，需要避免传统密封方式因长时间运动存在磨损、变形等引起高水压环境下密封失效的问题。当前，活塞杆的密封方式通常包括涨圈密封、密封圈密封和迷宫密封，涨圈密封与迷宫式密封的原理均为借助液体介质实现密封，从潜水器舷外舵机的使用场景出发，EMA活塞杆处密封应采取耐磨损、泄露量小的密封圈密封。采取密封圈式密封实现舷外舵机EMA的防泄漏，对密封处导向环与密封圈性能提出了更高要求^[30]。北京精密机电控制设备研究所设计的一款舷外浸水收放机构，其作动器活塞杆的密封结构包含了4道环形槽，并由内至外设置了防尘圈、佐康雷姆封、耐磨环、特康斯特封^[31]。特康与佐康材料具备摩擦小、无爬行结构、稳定性好、耐磨性满足工作条件要求、弹性好、安装方便等特点。

2）整体机构耐压

水下装备通常借助压力补偿装置，使内部补偿始终高于海水压力1～2 bar，以提高其耐压性能。哈尔滨工程大学设计的一款水下电动设备，通过内腔整体充油并设置压力补偿器，在确保设备耐压性能的同时，提高了电机散热性能与绝缘性能；中海油研究总院所设计的一款三自由度水下摄像照明系统中，使用压力补偿器对系统中提供动力的舵机电机舱进行压力补偿，实现了内外压平衡、提高密封性能、防止海水深入等功能^[32]。

2.3 高可靠性舵用EMA控制技术

潜水器舵用EMA工作环境较为复杂，通常承受着局部高温、瞬时过载冲击等不良影响，易引起伺服电机发生电机匝间短路、频繁换向引起的电机过热、电晕腐蚀等故障。滚柱丝杠也存在着如丝杠间隙引起共振，瞬时过载冲击造成损伤以及丝杠卡组等故障的风险^[33]。因此对其采取科学、合理、有效的控制技术至关重要。

1）EMA健康管理

健康管理技术包括形成EMA状态监测方法、构建关键部件失效机理和退化模型、做出剩余寿命预测、给出维护决策，将显著提高舵用EMA在恶劣工况下的可靠性。德国航空航天中心与利勃海尔航空有限公司联合对EMA健康检测展开研究，通过建立仿真模型、模拟实际动作、积累大量测试数据，其提出的健康检测算法可以对EMA减速器、轴承等故障进行有效预测^[34]。

2）EMA控制策略

为了实现EMA系统高可靠性工作，需要先进的伺服控制技术作为支撑。舵用EMA工作环境复杂，存在难以预测的冲击干扰，需要控制算法在保证响应速度的同时也要兼顾一定的抗干扰能力。中国科学院大学将电动舵机的扰动问题分为由加工、装配、磨损等因素引起的间隙扰动和由加载、冲击、精度、形变等因素引发的摩擦扰动，并建立了扰动数学模型；使用基于PID的改进滑模算法将舵机的跟踪精度从0.11°提高至0.02°，并有效抑制了抖动问题^[35]。

另一方面，永磁同步电机的控制方法中，空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）及改进SVPWM法将逆变器与电机视为一个整体，利用逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，使空间电压矢量沿基准圆运行产生SVPWM波。与传统SPWM调制方式相比，功率开关管的开关次数可降低30%，并能实现较强的谐波抑制效果^[36]，从而提高舵用EMA调速便利性，降低EMA转矩脉动，减少滚柱丝杠及减速机构的振动与发热，有助于提高EMA的可靠性。

3 结　语

EMA自诞生伊始便展现了其在运动控制领域所具备的优势，综合分析国内外针对EMA的相关研究，可知尽管其在热效应、传动机构卡阻率等方面存在不足，但EMA在水下装备操舵领域的应用仍然具备优越性，具体包括：

1）装置复杂度低，EMA仅由机电装置构成，具备更高的能量效率和更好的动态特性，为深海潜水器操舵装置作动机构的灵活布置提供了基础；

2）通过减省液压油及其输运管线，提高了安全性和可靠性；同时杜绝了液压泄漏的风险，电气化设备具备更强的自我故障诊断能力，维护更容易，成本更低；

3）减少了功率传输路径的重量、体积和复杂性，能够更有利于实现深海潜水器所需的高结构强度、高可靠性与可维护性。

综上所述，针对深海潜水器能源形式精简化与清洁化、操纵运动控制精细化、减震降噪、操舵装置作动器小型化与舷外布置等现实需求，基于EMA进行构建是构成深海潜水器操舵装置的理想技术方案。