王　彪，谷志珉，吳　超，葛　彤

(1．上海交通大學(xué)，上海200240; 2．國(guó)家海洋局北海技術(shù)中心，山東青島266033)

水下機(jī)器人在線絕緣檢測(cè)系統(tǒng)研究

王彪1，谷志珉2，吳超1，葛彤1

(1．上海交通大學(xué)，上海200240; 2．國(guó)家海洋局北海技術(shù)中心，山東青島266033)

摘要:為提高水下機(jī)器人在未知危險(xiǎn)工作環(huán)境下的可靠性和生存性，對(duì)水下機(jī)器人在線絕緣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。描述基于輔助電源法的絕緣檢測(cè)原理及絕緣電阻計(jì)算公式，設(shè)計(jì)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、采樣電路和隔離電路構(gòu)成，電源輸入、信號(hào)輸入和信號(hào)輸出相互隔離。最后，通過模擬試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞:水下機(jī)器人;絕緣電阻;檢測(cè);輔助電源;隔離

Research on on-line insulation detection system for underwater vehicles

WANG Biao1，GU Zhi-min2，WU Chao1，GE Tong1
(1．Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China;
2．North China Sea Branch of State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China)

Abstract:In order to increase the reliability and survivability of underwater vehicles in unknown，hazardous environment，an on－line insulation detection system has been developed in this paper．The insulation detection principle based on auxiliary source is described and the calculation formula of insulation resistance is presented．The designed system consists of power supply，sampling circuit and isolation circuit while power supply，signal input and signal are isolated from each other．Finally，experiment results demonstrate the effectiveness of the insulation detection system．

Key words:underwater vehicle; insulation resistance; detection; auxiliary source;isolation

0　引言

水下機(jī)器人作業(yè)過程中面臨復(fù)雜海況和惡劣的工作環(huán)境，且現(xiàn)代水下機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，因此對(duì)可靠性和生存性提出了更高的要求。電子系統(tǒng)作為水下機(jī)器人的控制核心，其健康狀態(tài)是水下機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)和安全返航的前提。電子系統(tǒng)使用電力作為主要?jiǎng)恿υ矗姵?、二次電源、直流傳輸母線、傳感器、直流負(fù)載等都會(huì)涉及絕緣問題，且由于水下機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，溫度、鹽度的變化，海水腐蝕都會(huì)引起絕緣的損傷和破壞，使絕緣性能下降，電能消耗增加，影響水下機(jī)器人正常工作，嚴(yán)重時(shí)還可能造成次生故障，導(dǎo)致水下機(jī)器人失事事故。因此，絕緣檢測(cè)是水下機(jī)器人安全系統(tǒng)的一個(gè)重要部分［1］。

現(xiàn)有直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測(cè)方法主要有電橋法［2］、改進(jìn)電橋法、交流信號(hào)注入法和直流漏電流法。電橋法基于電橋平衡原理，應(yīng)用廣泛，但該方法無(wú)法檢測(cè)正負(fù)極絕緣同時(shí)下降的情況，同時(shí)正負(fù)極絕緣差值較大時(shí)會(huì)造成誤報(bào)警。改進(jìn)電橋法［3］，又稱乒乓電橋法，通過切換電橋兩臂電阻值的大小，使電橋沒有一個(gè)固定的平衡點(diǎn)，此方法需要電子開關(guān)或繼電器，可靠性差，且有動(dòng)作延時(shí)。交流信號(hào)注入法［4］需向系統(tǒng)注入附加測(cè)試信號(hào)，會(huì)給直流系統(tǒng)本身帶來(lái)影響，測(cè)量精度易受直流系統(tǒng)分布電容影響。直流漏電流法［5］，因漏電流較小，難以測(cè)量，精度和靈敏度都難以提高。水下機(jī)器人絕緣檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性好，漏報(bào)率低，檢測(cè)系統(tǒng)與被檢對(duì)象電氣隔離。鑒于此，本文基于文獻(xiàn)［6］中提出的輔助電源法，設(shè)計(jì)水下機(jī)器人

在線絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被檢對(duì)象與輸出信號(hào)的電氣隔離，具備良好的動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力。

1　絕緣檢測(cè)原理

絕緣電阻測(cè)量原理如圖1所示。圖中，R+和R－為待測(cè)的正、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻，Vs為輔助電源，R1為采樣電阻，R2起限流和分壓作用。調(diào)整R1和R2的阻值，可使系統(tǒng)適應(yīng)不同電壓等級(jí)的絕緣測(cè)量。輔助電源正極經(jīng)R1和R2與待測(cè)電壓的負(fù)極相連，輔助電源負(fù)極與電子艙殼體相連。在待測(cè)系統(tǒng)絕緣良好的情況下，輔助電源沒有電流回路，漏電流為0，采樣電壓V1為0;在絕緣下降的情況下，輔助電源通過R+和R－形成閉合回路，產(chǎn)生漏電流，通過采集R1上的電壓計(jì)算絕緣電阻值，由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并切斷待測(cè)系統(tǒng)的電源。檢測(cè)原理的等效電路如圖2所示，由電路定律，絕緣電阻計(jì)算公式如下:

圖1　絕緣電阻測(cè)量原理Fig.1　Insulation resistance detection principle

圖2　檢測(cè)原理等效電路Fig.2　Equivalent circuit of detection principle

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上絕緣檢測(cè)原理開發(fā)的絕緣檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。本系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、采樣電路和隔離電路構(gòu)成，為保證絕緣檢測(cè)的可靠性，電源輸入、信號(hào)輸入和信號(hào)輸出相互隔離。

圖3　絕緣檢測(cè)電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of insulation detection

2.1電源系統(tǒng)

系統(tǒng)工作電源選用24 V DC，一方面可以省去產(chǎn)生低等級(jí)電壓所需的二次電源，簡(jiǎn)化水下機(jī)器人電源系統(tǒng)，減少硬件開銷，另一方面，水下機(jī)器人供電電池(自治式水下機(jī)器人)或應(yīng)急電池(無(wú)人遙控水下機(jī)器人)多為24 V，可直接為絕緣檢測(cè)系統(tǒng)供電。隔離電源選用MORNSUN公司IA_S－1W系統(tǒng)隔離穩(wěn)壓雙路輸出DC－DC模塊電源。U6為隔離電路初級(jí)運(yùn)放提供工作電源，同時(shí)為采樣電路提供輔助電源。U7提供隔離電路次級(jí)運(yùn)放所需的工作電源。

2.2采樣電路

輔助電源采用負(fù)電源，這樣系統(tǒng)的輸出信號(hào)為負(fù)電壓信號(hào)，與其他傳感器信號(hào)區(qū)分明顯，易被控制計(jì)算機(jī)識(shí)別。關(guān)于R1和R2的選取，根據(jù)絕緣檢測(cè)的等效電路和絕緣電阻計(jì)算公式，當(dāng)R+=0時(shí)，V1達(dá)到最大，取V1為信號(hào)邊界－10 V，此時(shí)

漏電流I= 10/R1。R1和R2上的功率需滿足

將式(3)代入式(4)和式(5)，最終得到

2.3隔離電路

采樣電壓被控制計(jì)算機(jī)采集，為確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不受被測(cè)對(duì)象的影響，采用線性隔離放大電路傳輸采樣電壓。隔離電路同時(shí)還能消除系統(tǒng)中模擬信號(hào)回路因共地引起的噪聲干擾及其他原因引起的干擾信號(hào)。本文選用HP公司的高線性度模擬光電耦合器HCNR201為核心搭建雙極信號(hào)隔離電路。此處，保留對(duì)正輸入信號(hào)的隔離功能，當(dāng)輔助電源為正電源時(shí)，隔離電路無(wú)需改動(dòng)可良好兼容。由于二極管D1和D2的作用，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)D2導(dǎo)通，D1截止，放大器U1呈開環(huán)狀態(tài)，光耦U5工作，U2關(guān)斷;當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，則正好相反。當(dāng)HCNR201的光敏光極管受光后，其輸出信號(hào)將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂，第5和第6端輸出的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放入放大后輸出。電位器R7的作用是調(diào)節(jié)運(yùn)放輸入偏置電流的大小。電容C1和C6為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號(hào)，降低電路的輸出噪聲，其容值可以根據(jù)電路的頻率特性來(lái)選取。放大器U3的作用是把光耦輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)以供后級(jí)電路使用，并增加負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，降低輸出阻抗。調(diào)整電阻R4的值可以調(diào)整信道的增益。

3　系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行模擬試驗(yàn)的平臺(tái)接線如圖4所示。直流穩(wěn)壓電源為絕緣檢測(cè)電路板提供工作電源，并模擬被測(cè)電壓。絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)由研華公司模擬量輸入模塊采集，然后通過RS485接口發(fā)送到工控機(jī)。在被測(cè)對(duì)象正、負(fù)極與大地之間接入精度電阻，再將絕緣電阻的實(shí)際值和測(cè)量值進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4　模擬試驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.4　Sketch of test platform

表1　絕緣電阻測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.1　Experiment results of insulation resistance detection

試驗(yàn)結(jié)果表明，在單點(diǎn)接地的情況下，絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量值與實(shí)際絕緣電阻值吻合較好，檢測(cè)范圍廣，測(cè)量誤差滿足水下機(jī)器人的實(shí)際需求。從表中可看出，相同的接地電阻，不同電壓等級(jí)接地，測(cè)出的采樣電壓不同?？紤]到水下機(jī)器人的外圍設(shè)備更容易發(fā)生絕緣下降的情況，設(shè)計(jì)上外圍設(shè)備就盡量采用同一等級(jí)電源。實(shí)際應(yīng)用中，不管是哪個(gè)等級(jí)電壓絕緣下降，絕緣電阻采用“虛阻”值計(jì)算，即按式(1)和式(2)計(jì)算的阻值來(lái)顯示和報(bào)警。對(duì)于同一采樣電壓，發(fā)生絕緣下降的電壓等級(jí)越低，計(jì)算所得絕緣電阻阻值也越小。

4　結(jié)語(yǔ)

絕緣檢測(cè)作為水下機(jī)器人安全狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)，是未來(lái)智能化水下機(jī)器人不可缺少的環(huán)節(jié)。針對(duì)水下機(jī)器人的工作特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了水下機(jī)器人在線絕緣檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被檢對(duì)象與輸出信號(hào)的電氣隔離，具備良好的動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地檢測(cè)單點(diǎn)絕緣破壞的狀況，滿足水下機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。但是該系統(tǒng)難以區(qū)分多點(diǎn)接地情況下的絕緣故障源，只能通過“虛阻”值進(jìn)行估算，精確的故障定位有待研究。

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作者簡(jiǎn)介:王彪(1986－)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人技術(shù)。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109132)

收稿日期:2014－09－05;修回日期: 2014－11－13

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0043－03doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.010

中圖分類號(hào):U674．941; U672．74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A