1 概述
EHA(Electro-Hydrostatic Actuator)又称电动静液作动器，又称电动静液作动器，是一种高性能集成化的动力执行器，能根据所输入的电信号，以直驱容积控制技术来使液压缸运动，从而实现对于位置、速度、方向和力的控制。直驱式EHA液压原理如图1所示，直驱式EHA主要由电机、液压泵、安全阀、作动缸、油箱等组成。参考信号与各类反馈信号进入电机控制器中，被功率驱动器放大，驱动系统电机带动液压泵输出油液，在液压缸的腔内形成压力差，从而促使作动缸运作，最终完成电能到液压能再到机械能的转变。
图1 直驱式EHA液压原理
2 EHA的研究发展历程
EHA来源于航空领域，在上世纪70年代，飞机普遍面临着液压管路过于繁重的问题，美国提出了“electrically-based aircraft”的构想。EHA采用了功率电传作动技术（Power-By-Wire），以电信号的形式控制各个驱动器并传输能量，从而代替了液压管路，改善了飞机的作动系统。到了90年代，美国对于多电飞机EHA系统的研究日益成熟，美国派克公司在1991年，将EHA安装在C-130运输机上并完成了试飞。随后在1994~1997年之间，美国把Moog公司设计出的EHA运用到了F/A-18战斗机的副翼作动上，并且成功完成了试飞测试环节，图2为美国F-18战斗机用EHA。
到了2000年，欧洲各国也相继开展了对于EHA的研究运用，如英法两国完成了集成式的EHA，投入到A380客机上，有效提高了飞机的操作性。空客A380的机用EHA如图3所示
继欧美各国之后，我国也大力加快了对EHA核心技术的研究，在上世纪80年代就对EHA的原理进行了研究，但受限于国外技术的封锁，研究进展落后于欧美国家。北京航空航天大学是我国EHA研究的先驱者，率先研制出了EHA样机，并证实了EHA系统的可行性。近年来，同济大学对EHA柱塞泵内的传热特征和其润滑形式做出了研究。北京航空航天大学又以数字信号处理器（DSP）作为核心，设计了全数字化的PMSM矢量控制调速系统，提高了EHA的性能。最近，哈尔滨工业大学为解决EHA低能耗、高散热率的需求，又设计了一种自旋转石墨烯散热装置，增加了装置的传热面积，提高了单位几何空间的散热效率，有利于装置集成化。此外，609研究所、618研究所等科研院所，也为EHA的研发设计做出了巨大的贡献。
EHA具有功率大、体积小等优点，随着对其技术的认识不断加强，EHA的应用领域也开始从军用设备和航天设备引入到了农业机械、工程机械等民用设备中。2011年，加拿大麦克迈斯特大学设计出了集成化的双电静液作动系统，大大降低了原来EHA的质量与体积，同时又加强了系统的功能，是当时液压行业的理想产品。芬兰的阿尔托大学在2016微型挖掘机的系统设计中做出研究，发现采用直驱式液压系统（即EHA）可以减少潜在的泄漏点与挠性管并提高系统效率，同时分散式安装的3个EHA单元重量和选定位置对挖掘机结构不会产生负面影响。在智能机器人领域，2019年韩国的延世大学设计出了一种泵控EHA结构，被受用于可穿戴机器人。可以看出，学者们对于EHA系统的运用逐渐成熟，不单单局限于航空航天，开始迈向更多的领域。
在新型智能材料技术的快速发展下，基于智能材料EHA的研究与应用也广受关注，其克服了传统作动系统的固有缺点，为性能的提高提供了新的机遇。如图4所示为某压电叠层式电液执行器，其主要由液压缸、蓄能器、歧管和压电堆叠泵组成。施加在压电叠层上的周期性输入电压可以形成电场，该电场诱导压电材料中的极化，并驱动压电叠层产生位移，最终达到了从电能到液压能再到机械能的转化。
图4 压电叠层式电液执行器
3 EHA的研究热点
3.1 控制器研究
液压系统中存在的非线性和不确定性使得控制问题非常复杂。此外，在动态加载过程中，存在一些未知扰动，这意味着稳定性、频率响应或加载灵敏度等控制性能将会下降。目前，在大多数对于EHA系统控制要求不高的场合主要还是采用PID控制策略。随着工业产品趋于精密化，期望可以在目标控制方式中对于EHA的位置、速度、力控制、矢量等有更精确的控制效果，于是又有诸多学者提出了多种新型控制策略。
韩国蔚山大学在EHA控制器的研究中，提出一种基于自整定定量反馈理论(STQFT)技术的新型并联控制策略。自整定定量反馈控制器如图5所示，是定量反馈理论（QFT技术）和梯度下降法的结合。首先，设计的控制器满足QFT准则，包括鲁棒性能要求、跟踪性能规范和干扰抑制要求。其次，利用反向传播算法对运行过程中鲁棒区域内的QFT参数进行了调整，以优化控制系统误差，加快收敛速度。多项数据表明，该控制器在不同外部干扰的实际工作环境中，对力和位置性能均具有较高的鲁棒性。
图5 自整定定量反馈控制器
Nariman Sepehri在Ren等人所设计的定量反馈理论控制器的研究基础上，对比了基于物理定律和系统识别技术的两种EHA控制器，发现在性能都得到保障的情况下，系统识别控制器的带宽更低。于是将离线参数线性辨识方法运用到控制器的设计中，这种控制器的运用可以减小噪声放大、抑制共振、缓解饱和、避免非建模高频动力学的影响。
上海交通大学也曾针对传统的比例积分方法对参数不确定性适应性差的缺点，提出了一种包含比例积分(PI)和智能前馈补偿(IFFC)的复合控制器，如图6所示。IFFC是对PI部分的补充，用于控制作用在运动平台上的力，其输出由作用在运动平台上的参考力与实际力之间的误差决定。即使PI部分的参数不是最优的，该复合控制器仍然具有良好的位置控制性能。
图6 复合控制器结构
2017年，PCK Luk及其研究团队建立了电静液作动器的效率和重量的预测模型，根据多目标粒子群算法得到电机水平长度、泵排量和转矩常数等关键设计参数的Pareto-front。该模型能够预测到泵排量、连杆机构的水平长度和电机转矩常数对电静液作动器重量和效率的影响，为EHA设计中重量和效率的优化问题打下了基础。
2019年，郭润霞、魏志乐等人为民用飞机的电静液作动器状态估计进行了仿真研究，改进了粒子滤波算法。先构造了融合概率分布信息的核函数，然后设计所建立的概率核函数来表示重采样的概率密度函数，并定义概率密度函数在希尔伯特空间中的正则化形式，通过求解支持向量回归模型得到重采样的概率密度函数，缓解了粒子退化现象。该方法在EHA系统的仿真过程中被验证具有可行性，也使得未来研究对于电液作动器的状态估计更具有真实准确性。
2020年，大连理工大学的高春伦，对EHA系统中斜盘式柱塞泵的摩擦副和电机所引起的摩擦损耗做了定量研究，运用数值仿真和集总参数法对航空用EHA液压系统进行了热力学仿真研究，提出了八节点集总参数建模热分析方法。八个节点分别设置在入口、泵外壳、储能器、储能器外壳、油液泄漏、作动筒、作动筒外壳、出口处，将机用EHA系统的发热情况充分考虑在内，在EHA受温方面为后续电静液作动器系统的设计提供了新的思路。
2020年，李文定采用基于模糊理论的三种电静液执行器冗余管理方法，针对一个设计的硬件无关冗余回路，研究了智能管理方案和实现策略。将模糊聚类与Mamdani模糊控制、模糊神经网络和冗余管理相结合，进行故障识别、隔离和系统重构。在分析算法的基础上建立了环路仿真模型。该方法缓解了传统数学比较方法在处理冗余投票问题时的误判问题，避免了EHA设计中存在的不确定性。
3.3 元器件研究
在EHA系统中，电机和泵是其组成的核心部件，对其输出性能有重要影响。传统电机和泵面临着惯性大、动态响应低等问题，因此，相关研究人员基于前人的研究，在电机和泵的设计中分别给出了一种思路。
（1）新型双谐振动磁管式直线振动电机
该直线振荡电机的运动类型为动磁体，与动圈式和动铁式电机相比，具有更高的力密度，更稳定的冲程内推力，其机械结构如图7所示。该电机的定子是由多个e型槽串联而成，传动装置由铁磁管组成，铁磁管上装有准哈尔巴赫永磁体，移动器由两端的直线轴承引导。哈尔巴赫阵列的自屏蔽效应有利于移动体中空设计，不仅减少了移动体质量，还为放置谐振弹簧留出了空间，便于整体设计。当与双谐振系统频率匹配时，既能实现高效率，又能实现功率因数。
图7 新型双谐振动磁管式直线振动电机的机械结构
（2）创新可控液压泵
使用一个由电动线性级驱动的线性抽油机对夹紧半主动差动离合器的油流进行加压，如图8所示。其传输分为机械减速、螺杆传输和液压传动模块。在液压传动模块中，夹紧装置可脱离抽油装置的位置，使得在车辆设计上保持较高的自由度。与常规泵相比，创新可控液压泵的泄漏和体积损失很低，在后续的仿真中表明，该液压泵设计响应非常快，近似为一个二阶系统，谐振频率为20~30 Hz，等效阻尼系数为0.1~0.2。
图8 创新可控液压泵
4 EHA未来趋势以及在阀门行业的应用
随着工业4.0、大数据、区块链和材料科学等相关学科的不断发展，EHA液压功率密度大的优势将会得到更大的发挥空间，EHA的未来趋势会向着大型化、微型化、简单化、数智化等方向发展。
在阀门行业中，EHA具有高度集成、装置体积小、元器件数量少、可靠性高、省去复杂管路等优点，EHA将会在球阀、闸阀、蝶阀的快关操纵装置和调节装置中得到更加广泛的应用。
5 结语
EHA具有管道少、高能效、结构紧凑、维护成本低等优点，在某些场合可以取代庞大复杂的液压系统。EHA技术开始于航空航天，现在已经扩展到许多其他行业。本文通过介绍EHA的发展历史和国内外学者们的研究现状，引出了EHA的研究热点，并对学者们的研究成果进行了阐述。EHA的未来趋势会向着大型化、微型化、简单化、数智化等方向发展，并且将会在阀门行业得到更加广泛的应用。