高精度UUV浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動技術(shù)研究

田冠枝，苑利維，宋顯成，姜麗婷，李真山

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引 言

隨著人們對海洋探索的不斷深入，需要水下操作的項目越來越多，水下無人航行器（UUV）能夠在水下進(jìn)行探測、打撈等工程作業(yè)，因此在海洋開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但海洋動力要素的變化會引起水下無人航行器（UUV）浮力變化，使航行器受力情況發(fā)生變化，以至于航行器在不同海域不具備相同的航向動力參數(shù)。因此必須采用浮力調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)浮力補(bǔ)償以增強(qiáng)水下無人航行器（UUV）自身的環(huán)境適應(yīng)能力[3-4]。

浮力調(diào)節(jié)裝置從調(diào)節(jié)手段來講主要有海水泵式和油囊式2種形式[5]。海水泵式浮力調(diào)節(jié)裝置與傳統(tǒng)的油囊式浮力調(diào)節(jié)裝置一般采用流量計測量液體的流量，然后對流量積分計算出變化的液體體積。根據(jù)實際試驗經(jīng)驗可知，采用流量積分計算油液體積的方法存在很大的積累誤差，并具有集成度低，需要花費(fèi)更多的人力成本的缺點。本文中的高精度油囊式浮力調(diào)節(jié)裝置采用位移傳感器采集油箱內(nèi)活塞的位置信息，由位置信息計算出油箱內(nèi)油液的體積，可精確計算出浮力調(diào)節(jié)的容積，彌補(bǔ)了采用流量計積分計算體積導(dǎo)致的精度差的問題。高精度浮力調(diào)節(jié)裝置精度控制的關(guān)鍵在于控制驅(qū)動技術(shù)，它的功能、性能直接影響裝置工作時能否達(dá)到預(yù)期精度，本文對該裝置的控制驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行研究。

1 浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

油囊式浮力調(diào)節(jié)裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由控制驅(qū)動器、永磁同步電機(jī)、泵、油箱、多級液壓缸、位移傳感器、活塞、油囊、電磁開關(guān)閥、單向閥等組成。其中位移傳感器用于采集油箱內(nèi)活塞的位置，泵用于吸油，電機(jī)用于拖動泵旋轉(zhuǎn)，控制驅(qū)動器用于接收位移信息、控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電磁開關(guān)閥用于開通、關(guān)斷油箱與油囊之間的油路。

圖1 浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework of buoyancy regulation device

浮力調(diào)節(jié)裝置主要有2個工作狀態(tài)，即浮力增加或浮力減小。控制驅(qū)動器接收上位機(jī)指令，判斷指令要求浮力增加還是減小，當(dāng)浮力增加時，控制驅(qū)動器發(fā)出控制信號控制電磁開關(guān)閥打開，并發(fā)出PWM信號控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動泵從油箱吸油，油液從油箱流出，一部分流向油囊，另一部分流向多級套筒內(nèi)腔，系統(tǒng)浮力增加。當(dāng)浮力減小時，驅(qū)動器發(fā)出控制信號控制電磁開關(guān)閥打開，并發(fā)出PWM信號控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動泵從油囊吸油，一部分油液從油囊流出，另一部分油液從多級套筒內(nèi)腔流出，這兩部分油匯合后流進(jìn)油箱，系統(tǒng)浮力減小。

2 浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器整體設(shè)計

浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器主要由DSP及其外圍電路、RS485通信電路、IPM模塊及其外圍電路、電流傳感器及其信號調(diào)理電路、線位移傳感器信號調(diào)理電路、電磁閥門信號調(diào)理電路與旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路等組成。

浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器通過RS485通信接收上位機(jī)的容積調(diào)節(jié)指令，通過線位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電流傳感器及相應(yīng)的調(diào)理電路分別采集多級液壓缸活塞的位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)相電流信息，由DSP進(jìn)行容積環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的閉環(huán)控制運(yùn)算后，發(fā)出相應(yīng)的PWM信號給IPM模塊，從而驅(qū)動電機(jī)帶動泵旋轉(zhuǎn)，將油液從油箱吸到油囊，或從油囊排到油箱，從而改變油囊內(nèi)油液的體積，進(jìn)而實現(xiàn)浮力的調(diào)節(jié)。浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)及控制驅(qū)動器示意圖如圖2所示。

3 浮力調(diào)節(jié)裝置軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計

浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。其中主程序主要完成DSP的初始化，然后開啟定時器中斷。中斷服務(wù)程序主要完成接收RS485控制指令，讀取位移傳感器位置、旋轉(zhuǎn)變壓器碼值、電機(jī)相電流等信息，完成三閉環(huán)控制，并反饋狀態(tài)信息給上位機(jī)等工作。控制驅(qū)動器軟件流程圖如圖3所示。

圖2 控制驅(qū)動器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of controller and driver and system framework

圖3 控制驅(qū)動器軟件流程圖Fig.3 Flow chart of controller and driver software

3.2 控制算法

該浮力調(diào)節(jié)裝置中電機(jī)為永磁同步電機(jī)，采用id=0的矢量控制方法能夠得到比較理想的系統(tǒng)效率，并且該方法比較容易實現(xiàn)[6]。該方法相對于其他控制方法而言簡單易行，只要能準(zhǔn)確檢測出轉(zhuǎn)子空間位置，通過控制驅(qū)動器使三相定子的合成電流位于q軸上，控制定子電流的幅值，就能很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。

浮力調(diào)節(jié)裝置電機(jī)矢量控制的工作原理如圖4所示。通過位移傳感器及相應(yīng)處理程序檢測出多級液壓缸內(nèi)油液的體積，給定容積與反饋容積相比較的偏差經(jīng)PI控制器后作為速度環(huán)的給定信號，通過旋轉(zhuǎn)變壓器及其解碼電路檢測出電機(jī)角度和轉(zhuǎn)速，給定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速相比較，偏差經(jīng)PI控制器后作為電流環(huán)的給定信號，定子相電流、經(jīng)Clarke變換和Park變換轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。dq坐標(biāo)系中的電流信號再與他們的參考輸入、相比較，其中=0，經(jīng)電流PI控制器后輸出直軸電壓和交軸電壓，經(jīng)Park逆變換后得到和。最后經(jīng)過SVPWM算法后輸出PWM控制信號驅(qū)動IPM模塊工作。

圖4 控制算法總體框圖Fig.4 Framework of control strategy

3.3 多級液壓缸容積控制程序設(shè)計

為節(jié)省整套裝置的物理空間，平衡油箱內(nèi)活塞兩側(cè)的壓力，油箱內(nèi)部采用套筒式多級液壓缸設(shè)計，使整套裝置具有調(diào)節(jié)容積大、占地空間小的優(yōu)點。多級液壓缸每次先移動直徑最大的液壓缸，當(dāng)直徑最大的液壓缸走到頂部才會移動直徑次之的液壓缸，然后依次類推，直到直徑最小的液壓缸走到頂部。套筒式多級液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 套筒式多級液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Framework of multi-stage hydraulic cylinder

定義油箱的截面積為S；定義第N級液缸截面積為， 并且＞···＞；各級液壓缸對應(yīng)的浮力調(diào)節(jié)的截面積，并且＜＜···＜；定義當(dāng)前第N級液壓缸的實際位置為；并定義上一次對應(yīng)的位置為；定義第N級液壓缸的最大位置為；定義==···==0時多級液壓缸容積對應(yīng)的油箱容積量最大；定義時多級液壓缸對應(yīng)的油箱容積量最小。

該裝置中所用傳感器為位置傳感器，但該系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)的物理量為容積，因此需要通過軟件實現(xiàn)位置與容積的變換。容積控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 容積控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of Volume control program

4 試驗驗證

4.1 控制驅(qū)動器輸出能力驗證

浮力調(diào)節(jié)裝置在海水中時，系統(tǒng)會受到海水的壓力，海水深度每增加100 m，壓力約增大1 MPa。此時若需要向油囊充油，則需要克服海水的壓力。為驗證控制驅(qū)動器的輸出能力，搭建試驗平臺如圖7所示。采用液壓模擬負(fù)載臺在泵的出口處加壓力，模擬水深對油囊造成的壓力，對系統(tǒng)進(jìn)行加載，采用測試儀讀取電機(jī)相電流、轉(zhuǎn)速等信息。

圖7 浮力調(diào)節(jié)裝置加載試驗平臺Fig.7 Load experiment platform of buoyancy regulation device

浮力調(diào)節(jié)裝置在水深800 m時，系統(tǒng)受到的壓力約為8 MPa。采用液壓模擬負(fù)載臺在泵的出口處加壓力，最初壓力約為3 MPa，在810 s時將壓力變?yōu)? MPa，此時采集的電機(jī)相電流與轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流波形圖Fig.8 Rotate speed and current waveform of motor

從圖中可以看出，當(dāng)對泵加載3 MPa時，電機(jī)能夠正常啟動，啟動后在轉(zhuǎn)速閉環(huán)下能夠保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并具有一定的輸出扭矩，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)相應(yīng)；在加載壓力變?yōu)? MPa時，控制驅(qū)動器能夠迅速適應(yīng)負(fù)載突變，調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，并具有足夠的輸出轉(zhuǎn)矩能力。

4.2 系統(tǒng)控制精度驗證

本裝置與普通的浮力調(diào)節(jié)裝置相比最大的優(yōu)點是系統(tǒng)精度高，集成度高，不存在累計誤差。當(dāng)每次調(diào)節(jié)容積為20 L時，測試儀采集對應(yīng)的容積曲線如圖9所示，當(dāng)容積指令為20 L，40 L，60 L，80 L時，反饋調(diào)節(jié)的實際容積約為19.6 L，39.7 L，59.6 L，79.8 L，可以看出系統(tǒng)控制精度高，存在非常小的靜態(tài)誤差，并且不存在累計誤差。

5 結(jié) 語

圖9 系統(tǒng)容積曲線Fig.9 Volume curve of system

本文提出了高精度UUV浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器的一種設(shè)計方法，包括硬件主功能電路的設(shè)計，以及軟件中主程序、中斷程序、控制算法、多級液壓缸容積控制程序的設(shè)計。采用模擬負(fù)載臺對系統(tǒng)進(jìn)行加載，驗證了該控制驅(qū)動器的動態(tài)相應(yīng)能力、輸出能力。采用試驗對系統(tǒng)控制精度進(jìn)行驗證，驗證了該控制算法的控制精度，表明該控制驅(qū)動器滿足浮力調(diào)節(jié)裝置的性能需求，并且還可應(yīng)用于其他類型浮力調(diào)節(jié)裝置，為高精度浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動器的設(shè)計提出了新思路、新方法。