本發(fā)明涉及了一種作動器控制系統(tǒng)，涉及體傳動與控制，具體涉及一種深海水下電液作動器eha及其控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、作動器是工程裝備實現(xiàn)運動完成作業(yè)的核心單元。作動器一般分為電動作動器和液壓作動器。其中液壓作動器具有功率密度大、輸出力高并且能承受較高的外部水壓的優(yōu)勢，在海洋工程裝備尤其是深海應(yīng)用領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。然而隨著水下作業(yè)深度的增加，液壓作動器面臨著效率低、能耗大、維護(hù)困難、可靠性不佳等問題，深海高水壓環(huán)境對控制系統(tǒng)耐壓性以及信號穩(wěn)定性帶來考驗，且容易使液壓管路發(fā)生泄漏，難以進(jìn)行有效維護(hù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明所提供一種深海水下電液作動器eha及其控制系統(tǒng)。本發(fā)明具有模塊化、集成度高、能量利用效率高、深海環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，其通過壓力補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償海水壓力，并基于控制系統(tǒng)控制變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)，驅(qū)動柱塞泵為非對稱式液壓缸提供壓力油，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對深海水下電液作動器的運動控制。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明的深海水下電液作動器eha及其控制系統(tǒng)，包括：

4、動力源模塊，用于控制系統(tǒng)的動力提供。

5、壓力補(bǔ)償模塊，連通動力源模塊并用于控制系統(tǒng)油壓和外部海水的壓力平衡，壓力補(bǔ)償模塊作為控制系統(tǒng)的油箱。

6、集成閥組模塊，安裝在動力源模塊和壓力補(bǔ)償模塊之間并連通動力源模塊和壓力補(bǔ)償模塊，集成閥組模塊中包括用于油壓控制的兩個平衡閥和兩個溢流閥。

7、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，安裝在集成閥組模塊上并連通集成閥組模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括非對稱式液壓缸。

8、控制模塊，安裝在動力源模塊和非對稱式液壓缸上并用于動力源模塊、壓力補(bǔ)償模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的非對稱式液壓缸的協(xié)同控制。

9、所述的集成閥組模塊還包括流量匹配閥和集成閥塊，集成閥塊安裝在動力源模塊和壓力補(bǔ)償模塊之間，兩個平衡閥間隔安裝在集成閥塊的一側(cè)并位于動力源模塊內(nèi)部，流量匹配閥和兩個溢流閥間隔安裝在集成閥塊的另一側(cè)并位于壓力補(bǔ)償模塊內(nèi)部；動力源模塊包括變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)、雙向柱塞泵和動力源殼體，動力源殼體安裝在兩個平衡閥所在的集成閥塊的一側(cè)面，兩個平衡閥位于動力源殼體內(nèi)部，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)和柱塞泵安裝在動力源殼體內(nèi)部，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器和花鍵連接雙向柱塞泵的輸出軸，柱塞泵的泵身安裝在兩個平衡閥所在的集成閥塊的一側(cè)面中心并和兩個平衡閥間隔布置；柱塞泵的出油口和進(jìn)油口分別連通集成閥塊內(nèi)部的第一流道a和第二流道b，第一流道a分流為第三流道a1和第四流道a2，第二流道b分流為第五流道b1和第六流道b2，第三流道a1和第一平衡閥的溢流閥的出油口以及單向閥的進(jìn)油口連通，第四流道a2和流量匹配閥的a口和c1口連通，第五流道b1和第二平衡閥的溢流閥的出油口以及單向閥的進(jìn)油口連通，第六流道b2和流量匹配閥的b口和c2口連通，第一平衡閥的溢流閥的進(jìn)油口以及單向閥的出油口連通集成閥塊內(nèi)部的第七流道c，第二平衡閥的溢流閥的出油口以及單向閥的進(jìn)油口連通集成閥塊內(nèi)部的第八流道d，第七流道c分流為第九流道c1和第十流道c2，第八流道d分流為第十一流道d1和第十二流道d2，第九流道c1和第十一流道d1分別連通執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的非對稱式液壓缸的有桿腔和無桿腔，第十流道c2連通第一溢流閥的進(jìn)油口，第十二流道d2連通第二溢流閥的進(jìn)油口，兩個溢流閥的出油口相連，并均通過集成閥塊內(nèi)部開設(shè)的第十三流道e連通至流量匹配閥的t口；壓力補(bǔ)償模塊分別經(jīng)集成閥塊內(nèi)部開設(shè)的第十四流道f1和第十五流道f2連通至流量匹配閥的t口和雙向柱塞泵的補(bǔ)油口；控制模塊安裝在動力源殼體上，控制模塊電連接變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)和非對稱式液壓缸。

10、所述的壓力補(bǔ)償模塊采用皮囊式的壓力補(bǔ)償器，壓力補(bǔ)償器的機(jī)身安裝在流量匹配閥和兩個溢流閥所在的集成閥塊的另一側(cè)面，流量匹配閥和兩個溢流閥位于壓力補(bǔ)償器內(nèi)部充滿的液壓油中，壓力補(bǔ)償器作為控制系統(tǒng)的油箱以進(jìn)行供油。

11、所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊還包括連接件，連接件包括子閥塊和兩根鋼制管道，非對稱式液壓缸的缸身通過子閥塊安裝在集成閥塊的側(cè)方，兩根鋼制管道安裝在非對稱式液壓缸的缸身上并分別將非對稱式液壓缸的有桿腔和無桿腔和集成閥塊內(nèi)部的第九流道c1和第十一流道d1連通。

12、所述的控制模塊包括位移傳感器、復(fù)合傳輸電纜組、浸油式密封艙、主控制器和電機(jī)驅(qū)動器，位移傳感器安裝在非對稱式液壓缸的活塞桿上，浸油式密封艙通過螺紋安裝在動力源殼體上，主控制器和電機(jī)驅(qū)動器通過螺栓安裝在浸油式密封艙內(nèi)部；復(fù)合傳輸電纜包括直流電纜、控制器局域網(wǎng)can(controller?area?network)第一總線通訊纜和第二總線通訊纜，主控制器通過自身的第二can通訊接口和第二總線通訊纜電連接位移傳感器的can通訊接口和電機(jī)驅(qū)動器的can通訊接口，主控制器通過自身的第一can通訊接口和第一總線通訊纜電連接外部的上位機(jī)；直流電纜直流電源，分別給主控制器和電機(jī)驅(qū)動器供電；浸油式密封艙內(nèi)部連通壓力補(bǔ)償模塊，電機(jī)驅(qū)動器電連接變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)。

13、主控制器內(nèi)部集成軌跡規(guī)劃算法、狀態(tài)觀測算法和位置控制算法，上位機(jī)通過第一總線通訊纜向主控制器發(fā)送控制指令，主控制器通過第二總線通訊纜接收位移傳感器獲取的非對稱式液壓缸的運行狀態(tài)以及電機(jī)驅(qū)動器獲取的變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)的運行狀態(tài)，非對稱式液壓缸的運動狀態(tài)包括活塞桿的位移和速度信息，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)的運行狀態(tài)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩信息；當(dāng)上位機(jī)發(fā)送位置控制指令后，主控制器根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡指令并通過軌跡規(guī)劃算法處理后獲得期望軌跡，期望軌跡包括期望位置、期望速度以及期望加速度，將變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)和非對稱式液壓缸的運行狀態(tài)和期望軌跡通過狀態(tài)觀測算法處理后獲得非對稱式液壓缸的兩腔壓力值和外負(fù)載力，當(dāng)接收到轉(zhuǎn)速指令后，將非對稱式液壓缸的兩腔壓力值和外負(fù)載力通過位置控制算法處理后獲得變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行脈寬調(diào)制技術(shù)pwm(pulse?width?modulation)調(diào)制后傳輸至變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，完成控制后，主控制器將變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)和非對稱式液壓缸的實時運行狀態(tài)傳輸至上位機(jī)中進(jìn)行顯示和實時狀態(tài)監(jiān)測。

14、所述的控制系統(tǒng)通過變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)驅(qū)動柱塞泵，控制液壓油流向非對稱式液壓缸，實現(xiàn)非對稱式液壓缸的四種工況運行，包括阻力縮回工況、超越縮回工況、阻力伸出工況和超越伸出工況。

15、所述的阻力縮回工況下，非對稱式液壓缸的有桿腔壓力高于無桿腔壓力，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)驅(qū)動柱塞泵經(jīng)吸油口從壓力補(bǔ)償器吸油，柱塞泵的出油口流出的液壓油流向第一平衡閥的單向閥，并在第二平衡閥的溢流閥控制口產(chǎn)生控制壓力，使得第二平衡閥的溢流閥雙向?qū)?，第一平衡閥的單向閥流出的液壓油流入非對稱式液壓缸的有桿腔，并通過連接第一溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，非對稱式液壓缸的無桿腔中液壓油通過連接第二溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，經(jīng)第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補(bǔ)償器，非對稱式液壓缸的無桿腔液壓油經(jīng)第二平衡閥的溢流閥回到柱塞泵的進(jìn)油口，同時柱塞泵的出油口處的液壓油流向流量匹配閥的a口，并在流量匹配閥的c1口產(chǎn)生高控制壓力，非對稱式液壓缸的無桿腔流出的液壓油流向流量匹配閥的b口，并在流量匹配閥的c2口產(chǎn)生低控制壓力，使得流量匹配閥的a口關(guān)閉且b口和t口導(dǎo)通，非對稱式液壓缸的無桿腔的多余的液壓油經(jīng)流量匹配閥的b口和t口返回至壓力補(bǔ)償器，實現(xiàn)不匹配流量的補(bǔ)償。

16、所述的超越縮回工況下，非對稱式液壓缸的有桿腔壓力低于無桿腔壓力，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)驅(qū)動柱塞泵經(jīng)吸油口從壓力補(bǔ)償器吸油，柱塞泵的出油口流出的液壓油流向第一平衡閥的單向閥，并在第二平衡閥的溢流閥控制口產(chǎn)生控制壓力，使得第二平衡閥的溢流閥雙向?qū)?，第一平衡閥的單向閥流出的液壓油流入非對稱式液壓缸的有桿腔，并通過連接第一溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，非對稱式液壓缸的無桿腔中液壓油通過連接第二溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，經(jīng)第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補(bǔ)償器，非對稱式液壓缸的無桿腔的液壓油經(jīng)第二平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進(jìn)油口，同時柱塞泵的出油口處的液壓油流向流量匹配閥的a口，并在流量匹配閥的c1口產(chǎn)生低控制壓力，無桿腔流出的液壓油流向流量匹配閥的b口，并在流量匹配閥的c2口產(chǎn)生高控制壓力，使得流量匹配閥的b口關(guān)閉且a口和t口導(dǎo)通，柱塞泵的出油口處多余的液壓油經(jīng)流量匹配閥的a口和t口返回至壓力補(bǔ)償器，實現(xiàn)不匹配流量的補(bǔ)償。

17、所述的阻力伸出工況下，非對稱式液壓缸的有桿腔壓力低于無桿腔壓力，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)驅(qū)動柱塞泵經(jīng)吸油口從壓力補(bǔ)償器吸油，柱塞泵的出油口流出的液壓油流向第二平衡閥的單向閥，并在第一平衡閥的溢流閥控制口產(chǎn)生控制壓力，使得第一平衡閥的溢流閥雙向?qū)?，第二平衡閥的單向閥流出的液壓油流入非對稱式液壓缸的無桿腔，并通過連接第二溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，非對稱式液壓缸的有桿腔中的液壓油通過連接第一溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，經(jīng)第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補(bǔ)償器，非對稱式液壓缸的有桿腔的液壓油經(jīng)第一平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進(jìn)油口，同時柱塞泵出油口處的液壓油流向流量匹配閥的b口，并在流量匹配閥的c2口產(chǎn)生高控制壓力，非對稱式液壓缸的有桿腔流出的液壓油流向流量匹配閥的a口，并在流量匹配閥的c1口產(chǎn)生低控制壓力，使得流量匹配閥的b口關(guān)閉且a口和t口導(dǎo)通，壓力補(bǔ)償器中的液壓油經(jīng)流量匹配閥的a口和t口流入柱塞泵的進(jìn)油口，實現(xiàn)不匹配流量的補(bǔ)償。

18、所述的超越伸出工況下，非對稱式液壓缸的有桿腔壓力高于無桿腔壓力，變轉(zhuǎn)速浸油電機(jī)驅(qū)動柱塞泵經(jīng)吸油口從壓力補(bǔ)償器吸油，柱塞泵出油口流出的液壓油流向第二平衡閥的單向閥，并在第一平衡閥的溢流閥控制口產(chǎn)生控制壓力，使得第一平衡閥的溢流閥雙向?qū)?，第二平衡閥的單向閥流出的液壓油流入非對稱式液壓缸的無桿腔，并通過連接第二溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，非對稱式液壓缸的有桿腔中液壓油通過連接第一溢流閥實現(xiàn)油液壓力的控制，經(jīng)第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補(bǔ)償器，非對稱式液壓缸的有桿腔液壓油經(jīng)第一平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進(jìn)油口，同時柱塞泵出油口處的液壓油流向流量匹配閥的b口，并在流量匹配閥的c2口產(chǎn)生低控制壓力，非對稱式液壓缸的有桿腔流出的液壓油流向流量匹配閥的a口，并在流量匹配閥的c1口產(chǎn)生高控制壓力，使得流量匹配閥的a口關(guān)閉且b口和t口導(dǎo)通，壓力補(bǔ)償器中的液壓油經(jīng)流量匹配閥的b口和t口流入非對稱式液壓缸的無桿腔，實現(xiàn)不匹配流量的補(bǔ)償。

19、本發(fā)明通過壓力補(bǔ)償器實現(xiàn)系統(tǒng)油壓與外部海水壓力的平衡，同時作為油箱為液壓系統(tǒng)供油以減小設(shè)備整體體積；通過元件相對安裝關(guān)系優(yōu)化和fluent軟件流體力學(xué)仿真，實現(xiàn)集成閥塊的優(yōu)化設(shè)計，提高了能量利用效率；通過采用以數(shù)字量差分形式傳遞數(shù)據(jù)的can2.0總線通訊，以及模塊化耐壓浸油式控制系統(tǒng)設(shè)計，提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾性，提升了系統(tǒng)的控制性能。

20、本發(fā)明將液壓系統(tǒng)各核心元件集成在一起，采用動力電纜代替液壓管路傳遞能量。在保留液壓系統(tǒng)優(yōu)勢的同時有效避免了液壓管路錯綜復(fù)雜造成的可靠性不佳問題，且其具有高度集成化、小型化可分布式安裝的特點，檢修與維護(hù)更加方便的優(yōu)勢，在深海裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

21、本發(fā)明的有益效果是：

22、1、與傳統(tǒng)的陸上電液作動器系統(tǒng)相比，本發(fā)明通過壓力補(bǔ)償器補(bǔ)償電液作動器與深海高水壓環(huán)境之間的不平衡壓力，以減小深海高水壓環(huán)境對液壓系統(tǒng)的影響，同時壓力補(bǔ)償器作為油箱為電液作動器供油，實現(xiàn)了電液作動器的小型化，提高了電液作動器系統(tǒng)在水下工作時的可靠性。

23、2、本發(fā)明優(yōu)化集成閥組各元件安裝位置，并通過fluent軟件進(jìn)行流體力學(xué)仿真實現(xiàn)集成閥塊內(nèi)部流道優(yōu)化，降低了流體在流道內(nèi)部的壓力損失，提高了深海水下電液作動器能量利用效率。

24、3、本發(fā)明通過控制系統(tǒng)能夠控制深海水下電液作動器完成水下高精度運動，實現(xiàn)阻力縮回、超越縮回、阻力伸出、超越伸出四種工況下運行，水下運動控制精度達(dá)1mm。