高精度UUV浮力調節裝置控制驅動技術研究

田冠枝，苑利維，宋顯成，姜麗婷，李真山

(北京精密機電控制設備研究所，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）能夠在水下進行探測、打撈等工程作業，因此在海洋開發中得到廣泛應用[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。因此必須采用浮力調節裝置實現浮力補償以增強水下無人航行器（UUV）自身的環境適應能力[3-4]。

浮力調節裝置從調節手段來講主要有海水泵式和油囊式2種形式[5]。海水泵式浮力調節裝置與傳統的油囊式浮力調節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。根據實際試驗經驗可知，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，需要花費更多的人力成本的缺點。本文中的高精度油囊式浮力調節裝置采用位移傳感器采集油箱內活塞的位置信息，由位置信息計算出油箱內油液的體積，可精確計算出浮力調節的容積，彌補了采用流量計積分計算體積導致的精度差的問題。高精度浮力調節裝置精度控制的關鍵在于控制驅動技術，它的功能、性能直接影響裝置工作時能否達到預期精度，本文對該裝置的控制驅動技術進行研究。

1 浮力調節裝置結構與工作原理

油囊式浮力調節裝置的主要結構如圖1所示。該裝置主要由控制驅動器、永磁同步電機、泵、油箱、多級液壓缸、位移傳感器、活塞、油囊、電磁開關閥、單向閥等組成。其中位移傳感器用于采集油箱內活塞的位置，泵用于吸油，電機用于拖動泵旋轉，控制驅動器用于接收位移信息、控制電機旋轉，電磁開關閥用于開通、關斷油箱與油囊之間的油路。

圖1 浮力調節裝置結構圖Fig.1 Framework of buoyancy regulation device

浮力調節裝置主要有2個工作狀態，即浮力增加或浮力減小。控制驅動器接收上位機指令，判斷指令要求浮力增加還是減小，當浮力增加時，控制驅動器發出控制信號控制電磁開關閥打開，并發出PWM信號控制電機正轉，電機帶動泵從油箱吸油，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腔，系統浮力增加。當浮力減小時，驅動器發出控制信號控制電磁開關閥打開，并發出PWM信號控制電機反轉，電機帶動泵從油囊吸油，一部分油液從油囊流出，另一部分油液從多級套筒內腔流出，這兩部分油匯合后流進油箱，系統浮力減小。

2 浮力調節裝置控制驅動器整體設計

浮力調節裝置控制驅動器主要由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理電路、線位移傳感器信號調理電路、電磁閥門信號調理電路與旋轉變壓器解碼電路等組成。

浮力調節裝置控制驅動器通過RS485通信接收上位機的容積調節指令，通過線位移傳感器、旋轉變壓器、電流傳感器及相應的調理電路分別采集多級液壓缸活塞的位置、電機的轉子位置和電機相電流信息，由DSP進行容積環、速度環、電流環的閉環控制運算后，發出相應的PWM信號給IPM模塊，從而驅動電機帶動泵旋轉，將油液從油箱吸到油囊，或從油囊排到油箱，從而改變油囊內油液的體積，進而實現浮力的調節。浮力調節裝置結構及控制驅動器示意圖如圖2所示。

3 浮力調節裝置軟件設計

3.1 軟件設計

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

圖2 控制驅動器及系統結構示意圖Fig.2 Sketch of controller and driver and system framework

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

3.2 控制算法

該浮力調節裝置中電機為永磁同步電機，采用id=0的矢量控制方法能夠得到比較理想的系統效率，并且該方法比較容易實現[6]。該方法相對于其他控制方法而言簡單易行，只要能準確檢測出轉子空間位置，通過控制驅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矩。

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

為節省整套裝置的物理空間，平衡油箱內活塞兩側的壓力，油箱內部采用套筒式多級液壓缸設計，使整套裝置具有調節容積大、占地空間小的優點。多級液壓缸每次先移動直徑最大的液壓缸，當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部結構如圖5所示。

圖5 套筒式多級液壓缸內部結構圖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＞···＞；各級液壓缸對應的浮力調節的截面積，并且＜＜···＜；定義當前第N級液壓缸的實際位置為；并定義上一次對應的位置為；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的油箱容積量最大；定義時多級液壓缸對應的油箱容積量最小。

該裝置中所用傳感器為位置傳感器，但該系統需要調節的物理量為容積，因此需要通過軟件實現位置與容積的變換。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 控制驅動器輸出能力驗證

浮力調節裝置在海水中時，系統會受到海水的壓力，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，對系統進行加載，采用測試儀讀取電機相電流、轉速等信息。

圖7 浮力調節裝置加載試驗平臺Fig.7 Load experiment platform of buoyancy regulation device

浮力調節裝置在水深800 m時，系統受到的壓力約為8 MPa。采用液壓模擬負載臺在泵的出口處加壓力，最初壓力約為3 MPa，在810 s時將壓力變為8 MPa，此時采集的電機相電流與轉速波形如圖8所示。

圖8 電機轉速與電流波形圖Fig.8 Rotate speed and current waveform of motor

從圖中可以看出，當對泵加載3 MPa時，電機能夠正常啟動，啟動后在轉速閉環下能夠保證轉速穩定，并具有一定的輸出扭矩，系統具有良好的動態相應；在加載壓力變為8 MPa時，控制驅動器能夠迅速適應負載突變，調整控制參數，使系統轉速保持穩定，并具有足夠的輸出轉矩能力。

4.2 系統控制精度驗證

本裝置與普通的浮力調節裝置相比最大的優點是系統精度高，集成度高，不存在累計誤差。當每次調節容積為20 L時，測試儀采集對應的容積曲線如圖9所示，當容積指令為20 L，40 L，60 L，80 L時，反饋調節的實際容積約為19.6 L，39.7 L，59.6 L，79.8 L，可以看出系統控制精度高，存在非常小的靜態誤差，并且不存在累計誤差。

5 結 語

圖9 系統容積曲線Fig.9 Volume curve of system

本文提出了高精度UUV浮力調節裝置控制驅動器的一種設計方法，包括硬件主功能電路的設計，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計。采用模擬負載臺對系統進行加載，驗證了該控制驅動器的動態相應能力、輸出能力。采用試驗對系統控制精度進行驗證，驗證了該控制算法的控制精度，表明該控制驅動器滿足浮力調節裝置的性能需求，并且還可應用于其他類型浮力調節裝置，為高精度浮力調節裝置控制驅動器的設計提出了新思路、新方法。