0 引　言

随着人们对海洋探索的不断深入，需要水下操作的项目越来越多，水下无人航行器（UUV）能够在水下进行探测、打捞等工程作业，因此在海洋开发中得到广泛应用^{[1 – 2]}。但海洋动力要素的变化会引起水下无人航行器（UUV）浮力变化，使航行器受力情况发生变化，以至于航行器在不同海域不具备相同的航向动力参数。因此必须采用浮力调节装置实现浮力补偿以增强水下无人航行器（UUV）自身的环境适应能力^{[3 – 4]}。

浮力调节装置从调节手段来讲主要有海水泵式和油囊式2种形式^[5]。海水泵式浮力调节装置与传统的油囊式浮力调节装置一般采用流量计测量液体的流量，然后对流量积分计算出变化的液体体积。根据实际试验经验可知，采用流量积分计算油液体积的方法存在很大的积累误差，并具有集成度低，需要花费更多的人力成本的缺点。本文中的高精度油囊式浮力调节装置采用位移传感器采集油箱内活塞的位置信息，由位置信息计算出油箱内油液的体积，可精确计算出浮力调节的容积，弥补了采用流量计积分计算体积导致的精度差的问题。高精度浮力调节装置精度控制的关键在于控制驱动技术，它的功能、性能直接影响装置工作时能否达到预期精度，本文对该装置的控制驱动技术进行研究。

1 浮力调节装置结构与工作原理

油囊式浮力调节装置的主要结构如图1所示。该装置主要由控制驱动器、永磁同步电机、泵、油箱、多级液压缸、位移传感器、活塞、油囊、电磁开关阀、单向阀等组成。其中位移传感器用于采集油箱内活塞的位置，泵用于吸油，电机用于拖动泵旋转，控制驱动器用于接收位移信息、控制电机旋转，电磁开关阀用于开通、关断油箱与油囊之间的油路。

浮力调节装置主要有2个工作状态，即浮力增加或浮力减小。控制驱动器接收上位机指令，判断指令要求浮力增加还是减小，当浮力增加时，控制驱动器发出控制信号控制电磁开关阀打开，并发出PWM信号控制电机正转，电机带动泵从油箱吸油，油液从油箱流出，一部分流向油囊，另一部分流向多级套筒内腔，系统浮力增加。当浮力减小时，驱动器发出控制信号控制电磁开关阀打开，并发出PWM信号控制电机反转，电机带动泵从油囊吸油，一部分油液从油囊流出，另一部分油液从多级套筒内腔流出，这两部分油汇合后流进油箱，系统浮力减小。

2 浮力调节装置控制驱动器整体设计

浮力调节装置控制驱动器主要由DSP及其外围电路、RS485通信电路、IPM模块及其外围电路、电流传感器及其信号调理电路、线位移传感器信号调理电路、电磁阀门信号调理电路与旋转变压器解码电路等组成。

浮力调节装置控制驱动器通过RS485通信接收上位机的容积调节指令，通过线位移传感器、旋转变压器、电流传感器及相应的调理电路分别采集多级液压缸活塞的位置、电机的转子位置和电机相电流信息，由DSP进行容积环、速度环、电流环的闭环控制运算后，发出相应的PWM信号给IPM模块，从而驱动电机带动泵旋转，将油液从油箱吸到油囊，或从油囊排到油箱，从而改变油囊内油液的体积，进而实现浮力的调节。浮力调节装置结构及控制驱动器示意图如图2所示。

3 浮力调节装置软件设计 3.1 软件设计

浮力调节装置控制驱动器软件主要由主程序和中断服务程序组成。其中主程序主要完成DSP的初始化，然后开启定时器中断。中断服务程序主要完成接收RS485控制指令，读取位移传感器位置、旋转变压器码值、电机相电流等信息，完成三闭环控制，并反馈状态信息给上位机等工作。控制驱动器软件流程图如图3所示。

3.2 控制算法

该浮力调节装置中电机为永磁同步电机，采用id=0的矢量控制方法能够得到比较理想的系统效率，并且该方法比较容易实现^[6]。该方法相对于其他控制方法而言简单易行，只要能准确检测出转子空间位置，通过控制驱动器使三相定子的合成电流位于q轴上，控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。

浮力调节装置电机矢量控制的工作原理如图4所示。通过位移传感器及相应处理程序检测出多级液压缸内油液的体积，给定容积 ${V^*}$ 与反馈容积 $V$ 相比较的偏差经PI控制器后作为速度环的给定信号 ${n^*}$ ，通过旋转变压器及其解码电路检测出电机角度 ${\theta _e}$ 和转速 $n$ ，给定转速 ${n^*}$ 与转速 $n$ 相比较，偏差经PI控制器后作为电流环的给定信号 $i{_q}^*$ ，定子相电流 ${i_a}$ 、 ${i_b}$ 经Clarke变换和Park变换转换到dq旋转坐标系中。dq坐标系中的电流信号再与他们的参考输入 ${i_d}^*$ 、 $i{_q}^*$ 相比较，其中 ${i_d}^*$ =0，经电流PI控制器后输出直轴电压 $u_d^*$ 和交轴电压 $u_q^*$ ，经Park逆变换后得到 $u_{\alpha} ^*$ 和 $u_{\beta} ^*$ 。最后经过SVPWM算法后输出PWM控制信号驱动IPM模块工作。

3.3 多级液压缸容积控制程序设计

为节省整套装置的物理空间，平衡油箱内活塞两侧的压力，油箱内部采用套筒式多级液压缸设计，使整套装置具有调节容积大、占地空间小的优点。多级液压缸每次先移动直径最大的液压缸，当直径最大的液压缸走到顶部才会移动直径次之的液压缸，然后依次类推，直到直径最小的液压缸走到顶部。套筒式多级液压缸内部结构如图5所示。

定义油箱的截面积为S；定义第N级液缸截面积为 ${S_n}$ ，并且 ${S_1}$ > ${S_2}$ ···> ${S_n}$ ；各级液压缸对应的浮力调节的截面积 ${S_i}^{\prime} = S - {S_i}$ ，并且 ${S_1}^{\prime} $ < ${S_2}^{\prime} $ <···< ${S_n}^{\prime} $ ；定义当前第N级液压缸的实际位置为 ${X_n}$ ；并定义上一次对应的位置为 ${X}_{n\;pre}$ ；定义第N级液压缸的最大位置为 ${X_{n\max }}$ ；定义 ${X_1}$ = ${X_2}$ =···= ${X_n}$ =0时多级液压缸容积对应的油箱容积量最大；定义 $X = \sum\limits_{j = 1}^n {{X_{n\max }}} $ 时多级液压缸对应的油箱容积量最小。

该装置中所用传感器为位置传感器，但该系统需要调节的物理量为容积，因此需要通过软件实现位置与容积的变换。容积控制程序流程图如图6所示。

4 试验验证 4.1 控制驱动器输出能力验证

浮力调节装置在海水中时，系统会受到海水的压力，海水深度每增加100 m，压力约增大1 MPa。此时若需要向油囊充油，则需要克服海水的压力。为验证控制驱动器的输出能力，搭建试验平台如图7所示。采用液压模拟负载台在泵的出口处加压力，模拟水深对油囊造成的压力，对系统进行加载，采用测试仪读取电机相电流、转速等信息。

浮力调节装置在水深800 m时，系统受到的压力约为8 MPa。采用液压模拟负载台在泵的出口处加压力，最初压力约为3 MPa，在810 s时将压力变为8 MPa，此时采集的电机相电流与转速波形如图8所示。

从图中可以看出，当对泵加载3 MPa时，电机能够正常启动，启动后在转速闭环下能够保证转速稳定，并具有一定的输出扭矩，系统具有良好的动态相应；在加载压力变为8 MPa时，控制驱动器能够迅速适应负载突变，调整控制参数，使系统转速保持稳定，并具有足够的输出转矩能力。

4.2 系统控制精度验证

本装置与普通的浮力调节装置相比最大的优点是系统精度高，集成度高，不存在累计误差。当每次调节容积为20 L时，测试仪采集对应的容积曲线如图9所示，当容积指令为20 L，40 L，60 L，80 L时，反馈调节的实际容积约为19.6 L，39.7 L，59.6 L，79.8 L，可以看出系统控制精度高，存在非常小的静态误差，并且不存在累计误差。

5 结　语

本文提出了高精度UUV浮力调节装置控制驱动器的一种设计方法，包括硬件主功能电路的设计，以及软件中主程序、中断程序、控制算法、多级液压缸容积控制程序的设计。采用模拟负载台对系统进行加载，验证了该控制驱动器的动态相应能力、输出能力。采用试验对系统控制精度进行验证，验证了该控制算法的控制精度，表明该控制驱动器满足浮力调节装置的性能需求，并且还可应用于其他类型浮力调节装置，为高精度浮力调节装置控制驱动器的设计提出了新思路、新方法。