（机械工程专业论文）深海水下液压机械手驱动系统压力适应型控制器研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 论文研究了深海水下液压机械手驱动系统的压力适应型控制器，主要包括e c u 控制单 元、直流无刷电机控制器以及比例控制放大器。针对水下机械手对控制器的设计要求，完 成了上述三款控制器的硬件电路研制和控制软件程序；针对深海特殊的作业环境，提出了 提高控制器耐压性、可靠性的设计方案；针对比例阀箱和无刷直流电机内舱有限的装载空 间，提出了控制器小型化、集成化的设计方案。 论文通过抗压试验、老化试验以及调试和联调试验对研制的三款控制器性能进行了检 验，实验结果表明：三款压力适应型控制器能够满足深海水下高压、潮湿等恶劣环境的作 业要求；三款控制器的硬件电路和软件控制程序也满足设计要求，能够确保水下机械手稳 定、可靠的进行深海作业。 论文总共分为七章： 第一章介绍了课题的研究背景，以及国内外深海水下液压机械手的发展状况，通过对 水下机械手液压驱动系统的特点和总体构成介绍，引出了本课题的研究意义和研究内容。 第二章从水下机械手液压驱动系统构成出发，提出了本课题所要研制的三款压力适应 型控制器；针对深海特殊的作业环境，提出了控制器耐压性、可靠性以及其结构小型化、 集成化的设计方案；最后介绍了控制器的软件开发环境和所要实现的功能。 第三章详细介绍了整个电控系统抗压元器件的选型和功能电路实现，如滤波电容、电 源模块以及功能模块的电容等；及电控系统闭环控制信号反馈传感器的选择及其抗压功能 保证。 第四章详细介绍了水下机械手整个电控系统的小型化和集成化功能和结构实现，根据 电控系统的功能需求，选择了所需的集成芯片；针对控制器有限的装载空间，实现了p c b 板的小型化设计。 第五章介绍了包括比例控制放大器电流闭环、机械手位置闭环、电机转速闭环和电机 电流闭环的水下机械手整个电控系统的闭环控制；针对闭环控制需求，还编制了一套相应 的软件控制程序。 第六章介绍了压力适应型控制器的抗压、可靠性和联调试验，给出了实验方法、装置 和结果。 第七章总结了课题的主要研究成果，并在此基础上对论文的发展前景进行了展望。 关键词：深海水下液压机械手；压力适应型；控制器；结构优化；闭环控制 u 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t l l i s 廿1 e s i si i l v e s t i g a t e sp r e s s u r ea d a 埘v ec 0 砷o l l e rf o rd e 印- s c ah y d r a u l i cu 1 1 d e r 慨r m a 血p u l a t o r ，m l u d 崦e c uc o n 哟lu i l i t b r u 圳e s sd cm o t o rc 0 n 仃i d l l e r 锄d 也ep r o p o n i o n a d c o m r o la m p l i f i 既a c c o r d i i l gt o 廿l ec o m r o l l e rd e s i 弘r e q u i r e m e m sf o rl l l l d e r 戳吮rm a i l i p u l a t o r ， t l l r e et y p e so fc o m r o l l e rh 乏们w a r ec i r c u 确e sa n dt h e i rc o m r o ls o f t 、a 爬p r o 伊锄sh a v eb e e n d e v e l o p e d ；b e c a u s eo fm es p e c i a lo p e r a t i i l ge n v i r 0 衄e n ti i ld e 印s e a ，n l er e l ia _ b i l i 够a n da b i l i 够 o fr e s i s t a n tt 0l l i 曲p r e s s u r ei nd e 印s e ao fc o 咖r 0 1 l e rs h o u l e db ec o n s i d e r e d ；f o rt l l ep r o p o r t i o i 谢 v a l v eb o x 觚db r u s l l l e s sd cm o t o rc a b i i ls p a c ei sl 砌t e d ，c o 姗l l e rd e v e l o p e ds h o u l db e s m a l l e r 锄di n t e g r a t e d t h ep e r f o m 锄c eo fu l e s em r e et y p e so fc o m r o l l 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rh ) 删i cd r i v es y s t 锄，西v e st h es i g i l i f i c a i l c eo ft h i s r e a r c hp r o j e c t sa r l dr e s e a r c hc o m e n t c h 砌2 ，觚t l y ，s t a n s 舶mm ec o 埘i t u t i o no fh y d r a u d i c 曲v es y s t e m ，i ts h o u l dd e v e l o p n l r e ep r e s s u r e 缸i a p t i v ec o m r o l l e r ；s e c o i l d l y ，p r o p o s e dt l l e r e q u i r e n l e n t s o fm 曲p r e s s u r e f e s i s t a i l c e ，r e l i a b i l i 锣a n di 1 1 t e 唧够o fm e s ec o n t r o l l e r s ；f i r 湖1 y ，r a i s e ds o 衔a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fn l ec o n n 0 1 1 e r s c h 印t e r3 ，d e t a i l st l l e l e c t i o no f 锄t i 一蛐r e s sc o m p o n e n t sf 0 tt l l ee l e c t r o l l i cc o n 仃o ls y s t e m ， s u c h 硒f i l t e rc a p a c i t o r ，c a p a c i t o ro fp o w e rm o d u l e 锄df 岫c t i o nm o d l l l e s ，e t c ；- ，趾l dt h es i g n a l f e e d b a c ks e n s o r 、杭t 1 1i t ss 仃u c t u r em o d i f i c a t i o nf 1 0 rs p l e c i a lw o d d n ge n v 的衄e m c h 珥 t e r4 ，d e s c r i b e st h ea c l l i e v e m e n t so fi i l t e 铲缸e ds 劬j c t u r ea n df i l n c t i o n ，b a s eo n 也e 如i l c t i o nr e q u i r e m e n t so fo v e r a l lc o m r o ls y s t e 】：nf o ru n d e rw a ：t e rm 锄i p u l a t o f ，s e l e c tp r o p r i a t e i c sa n do p t i r i l i z e 吐1 ed e s i 伊o fp c b 向rl 砌t e dl o a d i n gs p a c e c h a p t e r5 ，d e s c r i b e s 也ec l o s e d - 1 0 0 pc 0 曲的1o fm ec 0 i l ：的ls y s t c 髓，i n c l u d i i l gc u r r e m c l o s e d - l o o po fp r o p o i t i o r l a lc o n 们l 觚l p l i f i e r ，p o s i t i o nc l o s e d 1 0 0 p o fn l a n i p u l a t o r ，s p e e d c l o s e d l o o p 趾dc u r r e n tc l o d l o o po fm o t o r ；p r o p o s e das e to fc 0 玎e s p o n d i n gc o n o lp r o g r 锄 f o rc l o s e dl o o pc o n t r 0 1 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a p t e r6 ，d e s c 曲e st i l eb e a rl l i g hp r e s s u r et e s t ，a g i n gt e 咄d e b u g 觚dj o h t e s to ft l l r e e c o m r 0 1 l e r s ，谢t l le x p e r i m e n _ t a lm e n l o d s ，e q u i p m e n t s 锄dr e s u l t si l l c l u d e d c h a p t e r7 ，蝴撕z e s 血en m i i lf i i l d m g so f 恤s u b j e c t ，锄dp u l sf 0 刑莉p r o s p e c to f “s r e s e 锄c h k e yw o r d s ：d e e p s e a u n d e r w a t e rh y d r a u d i c m a n i p u l a t o bp 1 e s s u r ea d a p t i v e ， c o n t r o u e b s tr l 哪c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，c i o s e d - i o o pc o n t r 0 1 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本学位论文是在导师顾临怡教授的热心指导、亲切关怀和鼓励下完成的。从课题方 向的选择到最后项目的完成，顾老师都始终给予了我不懈的支持和悉心的指导。顾老师学 识渊博、科学态度严谨、工作勤奋、对任何事都精益求精，时刻激励着我，使我受益终生； 不仅在学业上，顾老师在思想上、生活上也给予了我无微不至的关怀，在此谨向我的导师 顾临怡教授致以崇高的敬意和衷心的感谢。 由衷感谢杭州宇控机电工程有限公司的付志敏工程师、吴新然工程师、陈浩军工程师， 感谢他们在课题研究和实验调试过程中的帮助和指导；感谢车间的师傅们，感谢他们在实 验台架安装和调试过程中给予的帮助和支持。 感谢同实验室的师兄弟和师姐妹们，特别感谢我的师兄李玮硕士，没有他的悉心指导， 我的科研不会这么顺利；感谢罗高生博士、李林博士、朱康武博士、王兆强博士、周峰博 士、张青苗硕士、王字鑫硕士、徐鹏硕士、周明明硕士、韩俊硕士、彭鹤硕士、杜浩博硕 士、马新军硕士、胥本涛硕士、林高钦硕士、高明硕士、王尧尧博士、贾现军硕士，感谢 他们在我的研究生期间给予了我生活、工作和学习上的莫大关照，从他们身上我学到了很 多宝贵的财富，祝他们学业顺利、前程似锦。 感谢同宿舍的李静博士、刘文娟博士、张小娟硕士，感谢她们陪我度过了欢乐和悲伤， 衷心祝愿她们工作顺利、心想事成。 感谢浙江大学对我的栽培，感谢浙江大学机电所给我提供了良好的学习环境和实验条 件，感谢所有给我授过课的老师，祝她们身体健康、事业顺利；感谢机电0 9 硕士班的全 体同学，祝他们在新的人生旅途上一帆风顺。 最后，感谢我的父母，他们无限的关爱、支持和鼓励，给了我莫大的信心和动力，使 我取得了很大的进步! 在此献上我最最真挚的祝福，祝愿他们身体健康、万事如意。 张艳 2 0 1 2 年2 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 美国s c l l i l l i n g 公司的水下机械手系列2 图1 2 英国h y d r o l e k 公司的水下机械手。3 图1 3 加拿大i s e 公司的机械手。4 图1 - 4 哈尔滨工程大学s 1 w r i i 型水下机械手5 图1 5 浙江大学研制的仿形手柄式水下机械手5 图1 6 水下液压机械手系统组成7 图2 1 水下机械手控制系统结构框图。9 图2 2e c u 控制单元硬件构架图l0 图2 3 电机控制器系统结构框图1 1 图2 _ 4 比例放大器的典型构成1 2 图2 57 5 0 w 电机实物图1 3 图2 6 七功能机械手阀箱图。1 4 图3 1 隔离电源模块实物图1 8 图3 2 隔离电源模块应用原理图18 图3 37 8 0 5 电源模块应用原理图1 9 图3 _ 4 颤振信号发生电路1 9 图3 5m c 3 3 0 3 5 振荡电路一2 0 图3 6m c 3 3 0 3 9 振荡电路2 0 图3 7 智能功率模块振荡电路2 1 图3 8 精密导电塑料角度位移传感器实物外形尺寸图( m m 级) 2 1 图4 1a t m e g a l 2 8 0 的封装引脚图2 6 图4 2a t m e g a l 2 8 0 内部结构图2 7 图4 3a t m e g a l2 8 0 及其外围电路原理图2 8 图4 - 44 8 5 通讯接口电路2 9 图4 52 3 2 通讯接口电路3 0 图4 6u l n 2 0 0 3 结构方框图3 0 图4 7u l n 2 0 0 3 应用电路3l 图4 8 程序烧写电路3l 图4 9a t m e g a 儿2 8 封装引脚图3 2 图4 1 0a t m e g a l 2 8 内部结构图3 3 图4 1 la t m e g a l 2 8 外围电路原理图。3 4 图4 1 2f s b b l 5 c h 6 0 模块内部结构图3 5 图4 1 3 功率逆变电路图3 6 图4 1 4m c 3 3 0 3 5 引脚图3 7 图4 1 5m c 3 3 0 3 5 典型应用原理图3 8 图4 1 6m c 3 3 0 3 5 应用电路图3 9 图4 1 7p c 4 1 0 内部结构图4 1 图4 1 8 模拟量隔离输出原理图4 l 图4 1 9 模拟量滤波取反原理图4 2 图4 2 0 模拟开关应用原理图4 2 图4 2 1 光耦隔离原理图4 3 v 浙江大学硕士学位论文图目录 图4 2 2e c u 控制单元布线图。4 3 图4 2 3 模拟量隔离输出模块布线图4 4 图4 - 2 4e c u 控制单元实物图4 4 图4 2 5 电机控制器实物图4 5 图4 2 6 比例控制放大器p c b 图4 5 图4 2 7 比例控制放大器安装图4 6 图5 1 脉宽调制器4 7 图5 2 电流负反馈单元4 8 图5 3 功率驱动电路4 8 图5 4 抗混叠滤波电路图4 9 图5 5 电流传感器原理图5 0 图5 5 电流传感器反馈信号处理电路5 0 图5 7 滤波电路51 图5 8m c 3 3 0 3 9 内部结构图5 2 图5 9 转速信号倍频电路5 2 图5 1 0l m 2 9 0 7 结构图5 3 图5 1 1l m 2 9 0 7 应用电路。5 3 图5 1 2 转速测量电路5 4 图5 1 3 转速鉴相电路。5 4 图5 1 4 控制程序流程图。5 5 图5 1 5 串口接收的中断函数以及定义的帧发送函数的程序结构流程图5 6 图5 1 6 电机双闭环调速系统结构图6 1 图5 1 7 双闭环系统启动时转速和电流响应6 1 图5 1 8 程序整体流程图6 4 图5 1 9 系统主程序初始化6 5 图5 2 0 启停子程序流程图。6 6 图5 2 1 模拟量采样程序流程图6 7 图5 2 2 输入输出鉴相程序流程图6 8 图5 2 3 转速电流p i 调节程序流程图。7 0 图6 1 抗压试验装置图7 1 图6 2 比例控制放大器输入输出数据曲线7 2 图6 3 串口调试c o i m i x 界面7 3 图6 4 控制器执行器实验台架7 4 图6 5 电机测试台架7 5 图6 6 效率及工作特性曲线7 5 图6 7 恒温恒湿箱。7 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 水是万物生存的基础，从远古时代起，人们就对浩瀚的大海充满着向往。1 9 世纪以来， 随着地球陆地上资源的不断消耗，人们将目光投向了另一个巨大能源库海洋，海洋中 蕴含着大量的生物、矿物资源和能源，因此，从这一时期开始人类就大幅度的利用各种手 段对海洋进行探索。进入2 1 世纪以后，随着各种深海探索设备的出炉，人们对海洋的探 索已经从最早的近海往深海发展；而且，伴随着现代高新技术的发展，已与深海探索设备 实现了完美的结合，海洋探索对整个人类社会充满着极强的吸引力和挑战性，同时是一个 国家经济实力和技术实力的集中表现卜5 】。 水下机器人诞生于2 0 世纪5 0 年代，是实现海洋作业和探查的重要深海作业工具之一。 水下机器人可以按功能分为水下观测型和水下作业型两大类。作业型机器人是用来完成复 杂多变的深海作业和取样的，因此必须给其配备耐压、灵活的水下作业机械手；观测型机 器人，主要是完成深巡航、观察和探测等任务，无需另外配备作业型机械手【6 。】。 目前，水下机器人的研究、推广、应用和普及主要包括以下几个方面：深海自然资源 的开采、探测和利用，深海港口的保护和打捞，深海水下摄影、采样以及国家的国防军事 等【8 - 1 2 1 。 1 2 水下作业型机械手发展概况 1 2 1 水下作业型机械手的发展 作为一种通用深海作业工具，水下机械手自五十年代末期伴随着潜水器一起问世以来， 一直承担着代替人类进行深海复杂多变、艰难或危险等工作，是实现海洋开发中深海水下 装备必不可少的一部分【1 3 1 。 经过几十年的不断完善和更新，水下机械手已经达到比较成熟的水平；然而，就机械 手控制方式而言，针对深海环境的不可预知性以及作业要求的多样性等因数，其控制方式 的研究已成为了国内外相关课题中的难点和重点。因此，设计出一套适合于深海环境水下 机械手驱动系统的压力适应型控制器，对于改善和提高机械手作业性能是非常必要和有意 义的。 1 2 2 国外水下作业机械手研究现状 目前，国外商用r o v 机械手产品设计研究中，比较具有特色的国家及公司主要包括美 国的s c h i ll i n g 、英国的h y d r o l e k 、加拿大的i s e 公司等。 l 浙江大学硕士学位论文绪论 t i t a n 4o r i o n7 p 7 r 图1 1 美国s c h i l l i n g 公司的水下机械手系列 图卜1 所示的是美国s c h i l l i n g 公司自主研发的系列水下机械手。第一款是5 功能机 械手一r i g m a s t e r ，第二敖是7 功能机械手- c o n a4 ，第三款是7 功能机械手一t i t a n 4 ，第 四款是7 功能机械手一o r i o n7 p 7 r ，他们都能用作搭载在水下机器人上的工具系统，且 能够实现伸、缩、转、摆、握、张等诸多功能【1 4 1 。 2 浙江大学硕士学位论文绪论 表卜1s c h i l1 i n g 公司四款机械手技术指标 产品型号r i g m a s t e r c o n a4 t i t a n 4 o r i o n7 p 7 r 类型 重工作型重工作型重工作型 中度工作型 功率来源液压液压液压液压 旋转位置控旋转旋转或位置控位置控制旋转或位置控 制制制 功能个数5 功能7 功能7 功能7 功能 材料 氧化合金、不氧化合金、不 钛合金氧化合金、不 锈钢、钛合金锈钢锈钢 最大臂展9 9 6 姗1 8 0 6 鲫 1 9 1 6 衄1 5 3 2 m m 控制装置旋臂控制器操控手臂复制操控手臂复制操控手臂复制 耐压等级 6 5 0 0 米3 0 0 0 米6 5 0 0 来( 7 0 0 06 5 0 0 米 米) 最大臂展悬重 2 7 0 k g1 7 5 k g1 2 2 k g6 8 k g 一 6 1 k g1 0 7 k g9 7 k g5 4 k g 水中重量 4 5 k g 73 k g 7 6 k g 3 8 k g 图卜2 所示的是英国h y d r o l e k 公司自主研发的系列水下机械手。 图卜2 英国h y d r o l e k 公司的水下机械手 第一款是5 功能电动机械手，可以作为水下机器人上搭载的工具系统，抓重4 0 公斤， 耐压等级为2 0 0 0 米，能够实现伸、缩、转、摆、握、张等诸多功能【1 5 】。 第二款是6 功能机械手h l k h d 6 ，耐压等级设计为2 1 0 0 m 、空中重量和水中重量分别 浙江大学硕士学位论文绪论 为2 8 k g 和2 2 k 卧最大腕部力矩为3 8 n m 、负载最大能力为3 0 k g 、工作范围为1 m ，可装载 用于小型及中型工作级r o v 上，目前应用比例广泛【1 3 l5 1 。 图卜3 所示的是加拿大i s e 公司自主研发的系列机械手，他们作为i s e 公司的推出的 系列产品，都能够实现电缆切割、电缆修复以及生物及地质取样等作业【1 6 】。其中，以 m a g n u m 7 f 型机械手最为经典，其控制方式可采用主从式和开关式两种控制方式，也可以 根据实际需要加上力反馈控制方法；该型号机械手耐压等级设计为1 2 5 0 m 、空中重量为 7 1 k g 、负载最大能力为2 9 5 k g 、最大腕部力矩为1 9 0 n m ，工作范围为1 5 m ，手爪张开距 离为7 5 衄，是一敖功能丰富、冲击力强、装载空间较小的应用广泛的商业型机械手1 1 3 】。 m a g n 岫6 f 迷你型m a g n u m 7 f 图卜3 加拿大i s e 公司的机械手 1 2 3 国内水下作业型机械手研究现状 国内水下机械手的研究工作相比于国外而言，由于起步比较晚，所以技术上比较落后， 与国外的差距较大。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 图卜4 哈尔滨工程大学s i 帆一型水下机械手 图卜4 是哈尔滨工程大学研制的s i w r 一型水下机械手，该机械手具有五个自由度， 通过其末端的液压对接腕，可根据实际作业时的要求，连接相应的作业工具来完成相应的 作业需求任务；同时，该机械手还可以通过指令实现自动换接作业工具的功能【1 7 】。 图卜5 浙江大学研制的仿形手柄式水下机械手 浙江大学研制的如图1 5 所示的水下机械手，是一款7 功能水下机械手，其操作模式 是利用一套相比于实际操作手柄而言，缩小了1 8 的小型手柄，它能够实现主从式的闭环 位置控制，其设计参数分别为：耐压等级可达7 0 0 0 m 、全伸长距离2 1 m 、空中质量小于 1 0 0 k g 、水中质量小于7 5 k g 、全伸长额定举力6 0 k g 、前臂额定力矩3 5 0 n m 、腕关节额定 力矩1 8 0 n m 等【1 刀。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 水下机械手整体控制系统概述 1 3 1 水下机械手电液控制系统特点 深海机械手作业系统主要分为机械手及其控制系统( 包括连接两者之间的辅助部分) 两大部分【1 8 】本课题中，水下机械手控制系统采用液压驱动，它具有一般液压机械手的共 有特点，主要包括以下几个方面： 1 ) 液压系统本身的特点是重量较轻、结构紧凑以及驱动力较大等，因此，以液压系 统驱动的水下机械手同样具有重量轻、结构紧凑、密封性好以及可获得较大的力或力矩等 特点；同时，体积较小和重量较小是应用于机械手液压驱动控制系统中的液压马达的主要 特点，相对于同功率电机驱动控制而言，其运动惯量低于同功率电机的1 0 、且启动时间 也不足同功率电机的1 0 ，这些特点都给水下液压机械手的作业提供了优势【嘲。 2 ) 水下液压机械手都采用多自由度的结构是建立在其作业特点多样性的基础上的， 机械手本体通过安装多个控制阀就能实现对机械手每个关节的速度和位移控制，控制功能 相当强大；同时，液压系统采用变量泵或调速阀，能在较大范围内实现无极调速【1 9 1 。 3 ) 由于电液比例元件本身的优点是工作稳定可靠、对介质污染不敏感以及重复精度 高等，因此，对于水下机械手恶劣的深海工作环境，相对于其他控制系统来说，电液控制 系统更能够适应深海作业。 此外，水下液压机械手针对其特殊的工作环境，其液压驱动系统还具有其他特点： 1 ) 水下机械手液压驱动系统的各组成部分均工作于深海水下环境，受各方面综合因 素的影响和限制，这就要求水下机械手液压驱动系统结构要小巧紧凑，体积不能过大，重 量也要小等，即整个驱动系统在结构上要尽可能的实现小型化和集成化【2 0 】。 2 ) 由于水下机械手的工作环境为深海几千米的海底，这就对整个液压驱动系统的压 力适应性、泄漏性、和可靠性提出了新的要求【2 0 】。 1 3 2 水下机械手电液控制系统主要构成 水下液压机械手整体系统主要包括p c 机( 即所谓的上位控制系统) 、液压源、控制阀 箱、机械手本体以及系统之间连接器件电缆和油管等组成，其系统组成图如1 6 所示【1 7 1 ； 按功能划分，机械手液压驱动系统主要由四大部分组成：动力单元、控制单元、执行元件 以及辅件部分【1 9 1 6 浙江大学硕士学位论文绪论 图卜6 水下液压机械手系统组成 液压油源是为机械手作业提供液压能的动力单元，其核心部分是液压泵，液压泵借助 电机或其他动力源驱动，以实现机械能向液压能的转换；此外，液压油源还包括油箱、过。 滤单元、调压单元以及油温控制单元等【2 1 1 。 控制单元包括各种类型的驱动阎，其作用主要是保证执行元件获得所要求的运动速度、 。 力或力矩、转速以及方向等，本课题中机械手的控制单元主要采用比例阎驱动【2 1 1 执行元件主要包括液压缸和液压马达等，其作用是将液压能转化为机械能，输出到机 械手上，以实现机械手的深海作业要求，本课题中机械手的执行元件为液压缸和液压马达 【2 l 】 1 4 课题的研究意义和内容 1 4 1 研究意义 目前，随着我国海洋事业的大幅度发展，水下机器人得到了广泛的研究和应用，而水 下液压机械手作为水下机器人的最重要的作业执行部分，其液压驱动系统控制器的研究工 作受到了越来越多人的关注f 2 2 1 ；同时，由于深海环境的恶劣性，机械手液压驱动系统控制 器往往放置在密封耐压的箱体内，这就对控制器的设计提出了新的要求。 以比例控制放大器的设计为例，由于其工作在密封且充油的耐压比例阀箱体内，所以 控制器的设计就要求具有一定的耐压能力；同时，针对箱体尺寸的有限性，对控制器尺寸 也提出了小型化、集成化的要求；另外，由于其外部工作环境具有一定的温湿度，故也要 求控制器具有一定的可靠性。 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 针对深海特殊的作业环境，本课题中提出的压力适应型机械手控制器的研制，将使得 深海机械手的作业更加可靠、稳定，设备的结构更加紧凑，同时也为其他深海设备控制器 的研究工作提供了借鉴1 1 4 2 研究内容 本论文中，针对水下机械手液压驱动系统的总体构成，主要研究开发了液压源中驱动 液压泵作业的直流无刷电机控制器、驱动比例阀作业的比例控制放大器以及给比例控制放 大器提供控制信号的e c u 控制单元，整个论文具体的研究工作主要包括以下四个方面： 1 ) 针对水下液压机械手恶劣的工作环境，研究和确定了液压机械手驱动系统控制器 总体设计方案 2 ) 针对深海压力高的工作环境，提出了机械手控制器耐压性设计方案，包括模块电 路抗压元器件和传感器的选型及其抗压功能实现；针对控制器有限的装置集成空间和功能 需求，提出了集成元器件的功能选择和控制器小型化、集成化的设计方案；此外，针对深 海恶劣的不可预知性作业环境，还对控制器提出了可靠性的要求。 3 ) 根据水下液压机械手的作业要求，论文主要开发设计了包括直流无刷电机控制器、 e c u 控制单元和比例控制放大板的各功能模块及其参数设计；同时，对直流无刷电机控制 器和e c u 控制单元还设计开发了适应机械手作业要求的软件程序。 4 ) 根据已设计的水下液压机械手控制器，分别对其进行了性能测试、耐压测试和可 靠性测试；同时，针对比例放大板和e c u 工作的协调性和一致性，对其进行了联调实验； 此外，还进行了机械手控制器的执行器实验，以保证机械手控制器与机械手之间工作的协 调性。 1 5 本章小结 本章简要介绍了国内外深海水下液压机械手的发展状况和研究现状，重点概述了水下 机械手液压驱动系统的特点和机械手的系统组成，在对机械手液压驱动系统特点详细介绍 的基础上，论述了机械手液压型驱动控制系统的优越性；同时，通过对机械手液压驱动系 统组成的介绍以及对水下机械手工作环境苛刻，承受外界压力大、作业空间有限等问题， 引出了本论文的研究意义和内容，并重点阐述了本论文所要开展的主要研究工作 浙江大学硕士学位论文2 水下机械手驱动系统压力适应型控制器总体设计方案 2 水下机械手驱动系统压力适应型控制器总体设计方案 2 1 引言 本课题所设计的深海水下液压机械手是国家8 6 3 重点项目深海4 5 0 0 米r o v 设计中的子 项目，为七功能液压机械手，其工作深度在水下4 5 0 0 米，工作条件相当恶劣，表现为工 作压力随着机械手作业时的下降深度增加而增加、可见度低、温度低以及复杂的海底地形 结构和环境等。因此，针对水下机械手工作环境的恶劣性，其液压驱动系统控制器的设计 应考虑包括耐压性、可靠性以及p c b 板设计的工艺性等多重因数，从而提高机械手可靠性、 稳定性的深海作业性能。 2 2 压力适应型控制器硬件结构 2 2 1 水下机械手液压驱动型控制系统构成 水下液压机械手整体控制系统主要包括岸上和水下两个部分，本课题研究的重点主要 在水下部分，由下图所示，水下液压驱动系统的组成部分和功能主要概况为： 机械手水下液压驱动系统部分主要包括比例控制放大器、e c u 控制单元、比例阀组、 油缸、马达、液压油源以及传感器等；本课题所要完成的工作为包括e c u 控制单元、比例 控制放大器以及一款小流量液压源无刷直流电机控制器的软、硬件设计三部分机械手液压 驱动系统的电控系统的压力适应型控制器研制。 图2 1 水下机械手控制系统结构框图 水下比例阀驱动控制电路的作业原理是将岸上控制系统给出的阀控信号输入给e c u 控 制单元和比例控制放大板，该信号经处理后，带动比例液压阀组，控制驱动机械手作业的 9 浙江大学硕士学位论文2 水下机械手驱动系统压力适应型控制器总体设计方案 执行元件动作，并最终实现对水下液压机械手的作业动作控制； 水下电机控制器的工作原理是将电机控制信号输入给电机控制器，以此驱动液压泵， 实现机械能向液压能的转换，并最终实现给机械手作业提供液压能、供油和补油等。 2 2 2 水下机械手液压驱动系统控制器设计内容 由图2 1 水下机械手控制系统结构框图可知，机械手液压驱动部分电控系统控制器主 要包括e c u 控制单元、比例控制放大板和电机控制器。 2 2 2 1e c u 控制单元 通用性e c u 控制器以一款片上硬件资源极丰富的单片机为核心，并充分利用其硬件资 源进行扩展，使其能够胜任大部分的下位机控制系统的核心硬件，体积小，集成率高。同 时，需要兼顾机械手的比例控制驱动系统的要求，能够搭载双路输出的比例控制放大器， 对机械手的双路比例阀进行控制。在此处，主要讨论其作为比例阎控制驱动系统控制单元 的硬件结构。 该系统由驱动与输出组成，且是一个开环的控制系统。如图所示，信号传递的顺序为 控制信号一一e c u 一一双路比例放大板一一双路比例阎。涉及到的核心硬件就是e c u 控制 器，模拟量隔离输出模块以及双路比例控制放大器。 驱动 图2 2b c u 控制单元硬件构架图 2 2 2 2 直流无刷电机驱动控制器 本课题中，开发了一款以7 5 0 w 直流无刷电机驱动的小流量液压源，此液压源主要用于 水下液压机械手驱动系统的高压舱实验( 高压舱实验时，转速相对较慢，对流量的要求也 不高) 和其他小流量场合的岸上和深海设备，不适应于本课题中七功能机械手的深海作业； 在实际设计中，7 5 0 w 直流无刷电机控制器的开发均按照深海恶劣的作业环境进行研制， 包括耐压性、可靠性等；由于液压源对直流无刷电机的控制性能要求不高，表现为只需要 1 0 浙江大学硕士学位论文2 水下机械手驱动系统压力适应型控制器总体设计方案 打开和关闭两个状态，本课题实际设计电机控制器时考虑了其综合应用的场合，开发了包 括电机转速反馈和电机电流反馈的双反馈闭环控制系统。 表2 17 5 0 w 水下直流无刷电机电气参数表 额定功率( w ) 7 5 0 额定电压( v ) 3 1 0 额定电流( a ) 3 0 2 最大电流( a ) 6 0 5 极对数 4 相数 3 额定转速( r m p ) 1 5 0 0位置传感器安装角度( 度)1 2 0 额定输出转矩( n m ) 4 7 8 最大输出转矩( n m ) 9 。5 5 缝建弱燕缓 图2 3 电机控制器系统结构框图 图2 3 为本课题中电机控制器系统结构图，具体的研究内容将在后续的章节中介绍， 具体的控制器主要实现的功能为田之刀： 1 ) 对反馈的电机转子信号、脉冲调制信号、电机转向信号以及制动控制信号进行反 馈，经采集处理后，用以给驱动上下桥臂工作的六路功率开关管提供控制信号，以实现电 机的转向或制动控制等； 2 ) 根据电机的转速调节要求，产生使电机的电压随给定转速信号而自动变化的脉冲 调整信号； 3 ) 对电机采用转速闭环和电流闭环的双闭环调节控制，提高系统的整体工作性能； 4 ) 此外，还具有包括短路、过流等在内的各种故障保护功能。 2 2 2 3 比例控制放大器 比例控制放大器是一种电子装置，它不仅能用来对比例电磁铁提供所需的性能电流， 还能对整个电液比例控制系统进行开环或闭环控制【2 。本课题中，驱动机械手执行元件动 浙江大学硕士学位论文2 水下机械手驱动系统压力适应犁控制器总体设计方案 作的比例阎控制信号由比例控制放大板提供，实现电流信号向力或位移的转换，以实现机 械手的动作。 本课题中，比例控制放大器的设计为双路式，即比例阀在通电工作时，始终只让一路 比例电磁铁通电工作，而另一路不工作；主要设计参数如下：供电电压：1 2 v 、输入电 压：一5 一+ 5 v 、最大输出电流：5 0 0 m a 、颤振频率及波形：1 0 0 1 8 0 h z 的三角波；此外，针 对比例放大器与比例阀密封在阀箱中，比例放大器还必须具有耐压性和可靠性等性能【2 引。 一石三：曩 靠宪巴幽 莲旧 吖研同执行雏琵 叫竺苎p 匕 图2 4 比例放大器的典型构成 如上图2 4 所示，为比例控制放大器典型构成，它主要包括电源模块、输入接口单元、 颤振信号发生电路、信号处理电路、功率驱动电路以及信号反馈放大电路等1 2 9 。3 1 】。 2 3 压力适应型控制器设计方案 2 3 1 压力补偿技术 本课题中，无论是应用于机械手高压舱试验的小流量液压源还是控制阀箱，针对其特 有的深海作业环境，都必须考虑各部分所能承受的相应环境海水深度的压力，一旦其内部 压力比外部海水的压力低，将会引起海水进入控制阀箱，而引起比例阀箱乃至整个液压机 械手驱动控制系统的损坏，最终导致机械手不能作业，整个系统瘫痪，因此，必须在整个 液压机械手驱动系统中采用压力补偿技术保证内外压力的平衡性【3 2 】