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(duì)海洋探索的不斷深入，需要水下操作的項(xiàng)目越來(lái)越多，水下無(wú)人航行器（UUV）能夠在水下進(jìn)行探測(cè)、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(dòng)力要素的變化會(huì)引起水下無(wú)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(dòng)力參數(shù)。因此必須采用浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)浮力補(bǔ)償以增強(qiáng)水下無(wú)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(lái)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(jì)測(cè)量液體的流量，然后對(duì)流量積分計(jì)算出變化的液體體積。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知，采用流量積分計(jì)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(diǎn)。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(jì)算出油箱內(nèi)油液的體積，可精確計(jì)算出浮力調(diào)節(jié)的容積，彌補(bǔ)了采用流量計(jì)積分計(jì)算體積導(dǎo)致的精度差的問(wèn)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(dòng)技術(shù)，它的功能、性能直接影響裝置工作時(shí)能否達(dá)到預(yù)期精度，本文對(duì)該裝置的控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)器、永磁同步電機(jī)、泵、油箱、多級(jí)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(dòng)泵旋轉(zhuǎn)，控制驅(qū)動(dòng)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(gè)工作狀態(tài)，即浮力增加或浮力減小?？刂乞?qū)動(dòng)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(shí)，控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)控制電磁開關(guān)閥打開，并發(fā)出PWM信號(hào)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)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(jí)套筒內(nèi)腔，系統(tǒng)浮力增加。當(dāng)浮力減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)控制電磁開關(guān)閥打開，并發(fā)出PWM信號(hào)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)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(jí)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(dòng)器整體設(shè)計(jì)

浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)理電路、線位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路、電磁閥門信號(hào)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(dòng)器通過(guò)RS485通信接收上位機(jī)的容積調(diào)節(jié)指令，通過(guò)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(jí)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(hào)給IPM模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)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(shí)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(dòng)器示意圖如圖2所示。

3 浮力調(diào)節(jié)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

浮力調(diào)節(jié)裝置控制驅(qū)動(dòng)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(shí)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?？刂乞?qū)動(dòng)器軟件流程圖如圖3所示。

圖2 控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)[6]。該方法相對(duì)于其他控制方法而言簡(jiǎn)單易行，只要能準(zhǔn)確檢測(cè)出轉(zhuǎn)子空間位置，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)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(guò)位移傳感器及相應(yīng)處理程序檢測(cè)出多級(jí)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(hào)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器及其解碼電路檢測(cè)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(hào)，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(hào)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(guò)SVPWM算法后輸出PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(jí)液壓缸容積控制程序設(shè)計(jì)

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(jí)液壓缸設(shè)計(jì)，使整套裝置具有調(diào)節(jié)容積大、占地空間小的優(yōu)點(diǎn)。多級(jí)液壓缸每次先移動(dòng)直徑最大的液壓缸，當(dāng)直徑最大的液壓缸走到頂部才會(huì)移動(dòng)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(jí)液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 套筒式多級(jí)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(jí)液缸截面積為， 并且＞···＞；各級(jí)液壓缸對(duì)應(yīng)的浮力調(diào)節(jié)的截面積，并且＜＜···＜；定義當(dāng)前第N級(jí)液壓缸的實(shí)際位置為；并定義上一次對(duì)應(yīng)的位置為；定義第N級(jí)液壓缸的最大位置為；定義==···==0時(shí)多級(jí)液壓缸容積對(duì)應(yīng)的油箱容積量最大；定義時(shí)多級(jí)液壓缸對(duì)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(guò)軟件實(shí)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(yàn)驗(yàn)證

4.1 控制驅(qū)動(dòng)器輸出能力驗(yàn)證

浮力調(diào)節(jié)裝置在海水中時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(shí)若需要向油囊充油，則需要克服海水的壓力。為驗(yàn)證控制驅(qū)動(dòng)器的輸出能力，搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。采用液壓模擬負(fù)載臺(tái)在泵的出口處加壓力，模擬水深對(duì)油囊造成的壓力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載，采用測(cè)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(yàn)平臺(tái)Fig.7 Load experiment platform of buoyancy regulation device

浮力調(diào)節(jié)裝置在水深800 m時(shí)，系統(tǒng)受到的壓力約為8 MPa。采用液壓模擬負(fù)載臺(tái)在泵的出口處加壓力，最初壓力約為3 MPa，在810 s時(shí)將壓力變?yōu)? MPa，此時(shí)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(duì)泵加載3 MPa時(shí)，電機(jī)能夠正常啟動(dòng)，啟動(dòng)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(dòng)態(tài)相應(yīng)；在加載壓力變?yōu)? MPa時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)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(yàn)證

本裝置與普通的浮力調(diào)節(jié)裝置相比最大的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)精度高，集成度高，不存在累計(jì)誤差。當(dāng)每次調(diào)節(jié)容積為20 L時(shí)，測(cè)試儀采集對(duì)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(shí)，反饋調(diào)節(jié)的實(shí)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(jì)誤差。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(dòng)器的一種設(shè)計(jì)方法，包括硬件主功能電路的設(shè)計(jì)，以及軟件中主程序、中斷程序、控制算法、多級(jí)液壓缸容積控制程序的設(shè)計(jì)。采用模擬負(fù)載臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載，驗(yàn)證了該控制驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)相應(yīng)能力、輸出能力。采用試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)控制精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證了該控制算法的控制精度，表明該控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的設(shè)計(jì)提出了新思路、新方法。