1 电液执行器概述

　　1.1 定义

　　电液执行器(Electro-Hydraulic Actuator，EHA)是融合电力驱动与液压传动技术的新型机电液一体化装置，通过伺服电机直接驱动液压泵，进行“电能-液压能-机械能”的二次能量转换，实现直线或旋转运动中位置、速度(转速)和力(转矩)精确控制。

　　1.2 基本原理及分类

　　⑴基本原理。EHA系统通常由伺服电机、双向液压泵、液压缸/液压马达、液压阀及蓄能器等主要元件构成。 EHA的其核心工作原理是泵控容积调速，通过机电液一体化集成设计实现高效能量转换：高响应的伺服电机接收控制指令，精确改变旋转方向和转速，直接驱动双向液压泵(定量泵或变量泵)。泵的旋转方向决定液压油的流向，转速则线性控制输出至执行元件的油液流量，从而精准控制负载的运动方向、位置和速度。

　　⑵系统分类

　　图1所示为EHA的分类，线性和旋转EHA的共性是都采用泵控容积调速方式对执行元件的运动方向和速度实施控制;目前，线性EHA实际应用相对较多。对于线性EHA，在流量一定时，对称结构的因缸双腔面积相同，故往返速度相同;非对称结构则因两工作腔有效面积不同，故往返速度不同。

　　1.3 核心特点(见表1)

　　1.4 EHA的历史发展与技术演进及应用概况

       1.4.1历史进展与技术演进

　　EHA源于航空领域：1970年代，美国为解决飞机液压管路繁重问题，提出“electrically-based aircraft”构想，采用功率电传作动技术(Power-By-Wire)，以电信号控制驱动器并传输能量，代替液压管路。斯普洛克霍夫(SPROCKHOFF)博士首次将"泵控马达回路" 原理引入液压缸控制领域的开创性研究于1979年在德国亚琛工业大学以博士学位论文形式发表，这一研究作为泵控缸技术发展历程中的早期探索，为后续技术的发展和应用奠定了重要基础。1980年由美国迈阿密大学教授安东尼·埃斯波西托(ANTHONY ESPOSITO)在其所著的《流体动力及应用》一书中，披露了美国斯佩里威格士公司生产的液压马达作为执行元件集成式静液压部件(见图2)。

　　进入1990年代，得益于电磁技术、数字信号处理技术及大功率伺服技术的进步， EHA作动技术迎来了工程样机研制和试飞的高峰。如里程碑事件：①1991年，美国派克(Parker)公司研制的 EHA 作动器在C-130飞机上完成空中试飞并取得满意效果;②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，图3所示为F-18战斗机用EHA。③1998年，英国额卢卡斯公司设计的 EHA 在C-141副翼上完成近1000h的飞行试验;④21世纪初，欧洲各国相继开展EHA研究，英法两国完成集成式 EHA并投入A380 客机应用。

　　在过去20年间， EHA技术在性能、可靠性、重量和成本诸方面取得了显著进步。目前，EHA 技术已成功应用于洛克希德·马丁公司的F-35闪电II战斗机等先进战机的革命性电动飞行控制系统。我国从上世纪80年代开始研究EHA原理，北京航空航天大学和哈尔滨工业大学等先后研制出样机并在EHA的传热、润滑、散热及设计方法等方面取得研究成果 ,2023年与2024年浙江大学先后启动了国家自然基金重大项目“智能电静液驱动执行器基础研究”及及国家重点研发计划“深海水下电液作动器(EHA)研制与应用示范”项目。

　　1.4.2应用概况

　　EHA以其集成度高、能量效率高、功率密度高等优点，被广泛应用于机器人领域(关节机器人、可穿戴机器人、人形机器人等)。例如，日本川崎公司开发的Hydro Servo Muscle EHA系统能够输出最大6000N的力;韩国延世大学设计出的泵控EHA应用于可穿戴机器人。此外，EHA的应用领域还从军用和航天设备扩展到农业和工程机械等民用设备。随着技术和市场的发展，EHA厂商逐渐增多，产品不断改进创新，例如深圳赛诺动力公司针对航天航空及河海领域，基于PBF3D打印技术的旋转直驱伺服阀，研制成功了液压缸体+柱塞泵体+伺服阀体+油箱四合一一体化的多余度电液伺服执行器(EHSA)(图4)，重量较传统EHA减重60%，降低了泄漏风险，提高了系统稳定性和可靠性。同时，EHA在控制算法方面也不断优化，如采用PID与自适应控制、滑模控制等方法，提高了系统的抗干扰能力和动态性能。

　　2 EHA的典型结构原理

　　2.1一般原理

　　2.1.1线性EHA

　　线性EHA的一般液压原理如图5所示,它是一个定排量变转速型EHA-FPVS，其中电机泵1是系统的主油源，执行元件

　　可以是单杆缸2-1或双杆缸2-2，泵1与缸2构成闭式回路。主泵1-2可双向旋转，调节伺服电机1-1的转速即可改变液压缸的输入流量及速度。管路14和15的压力随电机泵的转向而变，即管路14为高压，则管路15就为低压，反之亦然。溢流阀5和6分别用于管路14和15的双向过载安全保护。补油泵3第一个作用是可经液控单向阀7或8的分别向低压管路14或15供油(其中阀7正向推开时，则阀8关闭，反之亦然)，泵3的第二个作用是为蓄能器17补偿因单杆缸两工作腔面积不同造成的流量差提供通路(注：当系统的执行元件为等直径双杆缸2-2时，蓄能器17可去掉，阀7和8则可改为普通单向阀)。过滤器9和10用于补油泵的吸油和排油过滤。差压式梭阀11、溢流阀12和冷却器13用于系统的热交换(低压管路的)。溢流阀4的设定补油压力要略高于溢流阀4的调整压力，以保证梭阀换向时能将低压管路的热油经溢流阀12放出一部分到油箱，新的冷油不断进入低压管路。

　　2.1.2 旋转型EHA

　　旋转型EHA(以图2所示静液压部件为例)的液压原理如图6所示，它是一个变排量泵恒转速型EHA-VPFS，其中变量泵1-2是系统的主油源，执行元件为双向定量液压马达2，二者构成闭式回路。主泵1-2为可正反向旋转的变量泵，调节泵1-2的排量即可改变该泵输送给马达的流量，进而改变马达的转速。管路9和10的压力随电机泵的转向而变，即管路9为高压，则管路10就为低压，反之亦然。溢流阀7和8分别用于管路9和10的双向过载安全保护。补油泵1-3可经单向阀5或6的分别向低压管路10或9供油(其中阀5正向推开时，则阀6关闭，反之亦然)，补油压力由溢流阀3设定。过滤器4用于补油泵的排油过滤。

　　2.2 典型结构

　　2.2.1 线性EHA

　　⑴对称结构线性EHA。图7所示为用于A380副翼的对称结构线性EHA(定排量变转速型EHA-FPVS),也称电动静液作动筒。变速电机(下简称电机)与双定量泵组成的电机泵，其执行元件为双杆液压缸，泵、缸组成闭式容积调速回路。系统采用三相交流电源AC供电。电磁阀用于液压缸工作模式(机翼襟翼的展开与收起等动作的)选择和切换。系统的控制器为飞行控制计算机，系统设有位移传感器、压力传感器和速度传感器等，以实现对 EHA 系统的精确控制和实时监测。

　　当EHA系统接收到控制信号后，电机驱动双向定量泵以特定的转速和转向旋转，向系统提供压力油，实现了电能到液压能的转换。在液压缸工作腔的活塞上产生的液压力推动活塞(杆) 往复运动克服负载而做功，缸另一腔的回油则被液压泵吸入，实现了液压能到机械能的转换。缸的运动方向和速度则由电机的转向和转速决定。为了确保EHA系统能够精确地按照预定要求工作，系统采用了闭环控制策略。系统中的传感器实时监测执行元件的位移、速度、电流和系统压力等参数，并将这些信息反馈给控制系统。控制系统通过对反馈信号与预设的目标值进行比较，根据偏差值调整电机的控制信号，使电机的运行状态发生改变，进而调整定量泵的输出流量和压力，最终使缸的实际运行参数趋近于目标值。这种闭环控制方式有效地提高了EHA系统的控制精度和稳定性，使其适应复杂多变的工作环境和要求。

　　⑵非对称结构线性EHA。图8a所示为一种国产非对称线性EHA的实物外形图，它由电机泵1(永磁同步电机+静音双向齿轮泵)、控制阀组2、皮囊式蓄能器3和单杆活塞缸4及安装支架5等组成。结合图8b可知，该EHA为定排量变转速型EHA-FPVS，具有以下显著技术优势：①使用便捷：用户只需将购回的EHA通过安装支架装到主机(例如堆高车、挖掘机等)工作机构近旁，即可由液压缸驱动负载完成所需的工作，而无须再自行设计制造和安装调试;②操纵简便：用户通过操控手柄，即可便利地向控制器15发出指令信号，改变电机泵的旋转方向，从而改变液压缸及其负载的运动方;③闭式回路补油：与图4不同的是，该EHA的闭式油路低压侧并非采用补油泵补油，而是采用液压蓄能器4完成，该蓄能器兼具防止液压油气穴功能;④流量补偿： 由于液压缸非对称(单杆缸上下腔有效面积不同)，缸进退时两腔相差的流量(不对称流量)通过皮囊式蓄能器10来进行补偿和回收;⑤节能：整个系统结构简单紧凑，体积小;无节流和溢流及管流损失，运转稳定可靠(电磁阀9作为旁通阀，在系统出现故障时通电打开，液压油直接经阀9返回泵1-2，起到隔离故障的作用)，噪音低，智能高效，节能达40%;

　　⑥系统通过典型的的三环伺服策略：外环-液压缸位置控制(传感器13位移反馈)、中环-转速控制(电机内的编码器速度反馈)及内环-电流控制(电机电流反馈，保证电机不至超载而烧损电机)实现系统的闭环快速精确控制。工作时， 电机驱动液压泵旋转，输出成比例流量的液压油，控制液压缸的速度，当缸的位移传感器13检测出与给定指令接近时，控制器调节使电机转速逐渐降低，直至控制误差范围，与维持液压缸要求位置的内泄露量相符。其他液压元部件则不参与伺服控制。⑦该EHA是为挖掘机16而开发的(其电压300V,功率4kw,转速0~3500r/min可调)，在挖掘机的动臂、斗杆、铲斗可分别装上EHA，速度可调控，响应快。

　　⑶多缸线性EHA。针对某些专用机械设备的特殊需要，目前有的生产厂商新进还推出了数智化多缸线性EHA，如图9所示的三缸EHA。其特点为：①将电机泵1(泵为螺旋齿静音齿轮泵)、液压缸2(三个)、小型油箱3、阀件和管路等集成为一体，结构紧凑，体积小，其功率为30~150HP。②作为某些特定机械设备(角度和旋转翻外机)的液压动力单元，使用维护便捷。

　　2.2.2旋转EHA

　　旋转EHA，除了图2所示的结构型式外， 图10所示的静液压装置HTs(Hydrostatic Transmissions)作为典型的通用部件之一，它是由双向变量泵+定量马达构成的变排量泵恒转速型EHA-VPFS(丹佛斯的 LDU20闭式回路传动单元)，其输入功率22kw,最大压力345bar,外部补油压力5bar，可用于草坪护理机、小型农业机械，相当便利。

　　3 典型应用场景

　　EHA 凭借其独特的技术性能优势，在众多领域中发挥着关键作用，为各行业的发展提供了强大的技术支持。其典型应用场景有：①航空航天。如在飞机舵面控制中(图11a)，替代传统集中式液压系统，消除管路泄漏风险，功率密度提升30%以上;在起落架收放中，无人机EHA系统通过导线替代管道，可靠性提升且维修时间减少50%。②机器人及自动化。足式机器人(如机器狗)采用EHA关节驱动(图11b)，实现20 Nm/kg的扭矩密度，超越传统电机方案;太阳能板跟踪系统利用EHA实现±0.1°角度控制及精密定位。③工程机械。如装载机、挖掘机采用三腔缸EHA (图11c)进行铲斗平衡，实现流量自补偿，功率密度提升40%;液压升降路障，集成化设计使安装时间减少70%。

　　④特殊环境设备。如深海/高温设备，封闭式液压回路(图11d)耐受极端压力与温度。医疗设备，手术床、轮椅坡道等场景实现静音、无泄漏操作。此外，EHA还在军事装备领域(如舰船与潜艇、装甲车辆)、工业自动化领域(如水处里中的阀门启闭远程控制、机床、工业机械臂及精密测试平台)、医疗及特殊领域(如手术床、坡道轮椅等医疗设备，深海探测等)获得了日益广泛的应用。

　　4 技术挑战与发展方向

　　4.1技术挑战及局限性

　　尽管EHA具有诸多优势，但其发展仍面临以下一些技术挑战和局限性(见表2)。

　　4.2最新研究进展及未来突破方向

　　针对上述挑战，国内外研究人员正在多个方向进行创新研究(见表3)。

　　5 市场规模、发展前景及发展趋势

　　5.1市场规模分析

　　根据多家研究机构的数据， EHA市场呈现稳步增长趋势:①全球市场。2024年全球EHA收入规模约20.5 亿元人民币，预计到2031年收入规模将接近30.2 亿元人民币， 2025~2031年年均复合增长率(CAGR)为5.7%。2025 年全球EHA市场规模将达到3.22 亿美元，预计2032 年达到4.92亿美元， CAGR为 6.25%(2025~2032)。另有报告预测，到2033年全球EHA市场规模将达到4.714亿美元，CAGR为3.5%。②中国市场。2022年节能型电液执行机构市场规模已达87.6亿元，占整体市场规模的34.8%，较 2019年提升12个百分点，CAGR达18.9%。2025年中国EHA市场规模预计达到7.33亿元人民币。

　　5.2增长驱动因素

　　①自动化程度提升。工业自动化和智能制造的发展推动了对高精度、高可靠性执行器的需求增长;②节能环保需求。EHA 的按需供能特性符合全球节能环保趋势，有助于减少碳排放;③技术进步。EHA技术不断创新，性能持续提升，应用领域不断扩大;④航空航天与国防需求。航空航天和国防领域对高性能、高可靠性执行器的需求持续增长，特别是在新一代战机和航天器中;⑤国产化替代。中国市场对国产化高端装备的需求增长，为国内EHA研发开发制造商提供了发展机遇。

　　5.3 未来发展趋势

　　①高电压等级应用。未来E HA将向高电压等级

　　(540VDC)系统应用方向发展，提高系统效率和功率密度;②混合架构。与机电作动器(EMA)的混合架构将成为未来重要发展方向，充分发挥两种技术的优势;③智能化升级。通过集成传感器、执行器和控制系统，实现更高效、更精确的执行，基于数字孪生的预测性维护技术将得到广泛应用;④集成化设计。EHA将朝着更高功率密度、更紧凑的方向发展，通过优化结构设计和采用先进制造工艺，进一步减小体积和重量，同时提高承载能力和输出功率;⑤标准化推进。ISO 22072和SAEARP6154 等标准为 EHM (电静液模块)子系统的标准化奠定了基础，未来 EHA 的标准化工作将进一步推进，以助力EHA 的通用性和互换性的提高，研发和生产成本的降低;为EHA的全球应用和市场推广提供技术基础，促进国际贸易和技术交流;也助力规范EHA的测试和评估方法，提高产品质量和可靠性。

　　6 结语

　　电液执行器 (EHA) 作为一种机电液融合一体的新型执行器，凭借其高效能量转换、按需供能、高功率密度等优势，已在航空航天、军事装备、工程机械、机器人等领域展现出广阔的应用前景。未来，随着高电压等级应用、混合架构、智能化控制等技术的发展，以及ISO 22072、SAE AIR6353 等标准的推进及本土化适配，EHA 将朝着更高功率密度、更智能化、更标准化的方向发展，市场规模有望在 2025~2032 年保持 近6.25%的年复合增长率。此外，EHA技术仍面临动态性能不足、非线性特性、温升问题等挑战，需要进一步的研究和创新来解决。未来研究方向可关注EHA与人工智能AI、物联网等新兴技术的融合，以及在工业及新能源、深海探测等新兴领域的应用拓展，这些都可能为 EHA 技术带来新的发展机遇，无疑也将助力技术产业化落地与全球竞争力提升。