本發明涉及了一種作動器控制系統，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。

背景技術：

1、作動器是工程裝備實現運動完成作業的核心單元。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勢，在海洋工程裝備尤其是深海應用領域占有主導地位。然而隨著水下作業深度的增加，液壓作動器面臨著效率低、能耗大、維護困難、可靠性不佳等問題，深海高水壓環境對控制系統耐壓性以及信號穩定性帶來考驗，且容易使液壓管路發生泄漏，難以進行有效維護。

技術實現思路

1、為了解決背景技術中存在的問題，本發明所提供一種深海水下電液作動器eha及其控制系統。本發明具有模塊化、集成度高、能量利用效率高、深海環境適應性強等優點，其通過壓力補償系統補償海水壓力，并基于控制系統控制變轉速浸油電機，驅動柱塞泵為非對稱式液壓缸提供壓力油，通過調節電機轉速，實現對深海水下電液作動器的運動控制。

2、本發明采用的技術方案是：

3、本發明的深海水下電液作動器eha及其控制系統，包括：

4、動力源模塊，用于控制系統的動力提供。

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

6、集成閥組模塊，安裝在動力源模塊和壓力補償模塊之間并連通動力源模塊和壓力補償模塊，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、執行機構模塊，安裝在集成閥組模塊上并連通集成閥組模塊，執行機構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、壓力補償模塊和執行機構模塊的非對稱式液壓缸的協同控制。

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償模塊之間，兩個平衡閥間隔安裝在集成閥塊的一側并位于動力源模塊內部，流量匹配閥和兩個溢流閥間隔安裝在集成閥塊的另一側并位于壓力補償模塊內部；動力源模塊包括變轉速浸油電機、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面，兩個平衡閥位于動力源殼體內部，變轉速浸油電機和柱塞泵安裝在動力源殼體內部，變轉速浸油電機的輸出軸通過聯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面中心并和兩個平衡閥間隔布置；柱塞泵的出油口和進油口分別連通集成閥塊內部的第一流道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油口以及單向閥的出油口連通集成閥塊內部的第七流道c，第二平衡閥的溢流閥的出油口以及單向閥的進油口連通集成閥塊內部的第八流道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分別連通執行機構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油口，第十二流道d2連通第二溢流閥的進油口，兩個溢流閥的出油口相連，并均通過集成閥塊內部開設的第十三流道e連通至流量匹配閥的t口；壓力補償模塊分別經集成閥塊內部開設的第十四流道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油口；控制模塊安裝在動力源殼體上，控制模塊電連接變轉速浸油電機和非對稱式液壓缸。

10、所述的壓力補償模塊采用皮囊式的壓力補償器，壓力補償器的機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面，流量匹配閥和兩個溢流閥位于壓力補償器內部充滿的液壓油中，壓力補償器作為控制系統的油箱以進行供油。

11、所述的執行機構模塊還包括連接件，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、復合傳輸電纜組、浸油式密封艙、主控制器和電機驅動器，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，主控制器和電機驅動器通過螺栓安裝在浸油式密封艙內部；復合傳輸電纜包括直流電纜、控制器局域網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通訊接口和電機驅動器的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；直流電纜直流電源，分別給主控制器和電機驅動器供電；浸油式密封艙內部連通壓力補償模塊，電機驅動器電連接變轉速浸油電機。

13、主控制器內部集成軌跡規劃算法、狀態觀測算法和位置控制算法，上位機通過第一總線通訊纜向主控制器發送控制指令，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以及電機驅動器獲取的變轉速浸油電機的運行狀態，非對稱式液壓缸的運動狀態包括活塞桿的位移和速度信息，變轉速浸油電機的運行狀態包括電機轉速和扭矩信息；當上位機發送位置控制指令后，主控制器根據預設軌跡指令并通過軌跡規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，將變轉速浸油電機和非對稱式液壓缸的運行狀態和期望軌跡通過狀態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載力，當接收到轉速指令后，將非對稱式液壓缸的兩腔壓力值和外負載力通過位置控制算法處理后獲得變轉速浸油電機的期望轉速，進而通過電機驅動器進行脈寬調制技術pwm(pulse?width?modulation)調制后傳輸至變轉速浸油電機進行轉速控制，完成控制后，主控制器將變轉速浸油電機和非對稱式液壓缸的實時運行狀態傳輸至上位機中進行顯示和實時狀態監測。

14、所述的控制系統通過變轉速浸油電機驅動柱塞泵，控制液壓油流向非對稱式液壓缸，實現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，變轉速浸油電機驅動柱塞泵經吸油口從壓力補償器吸油，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生控制壓力，使得第二平衡閥的溢流閥雙向導通，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油液壓力的控制，經第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補償器，非對稱式液壓缸的無桿腔液壓油經第二平衡閥的溢流閥回到柱塞泵的進油口，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口產生低控制壓力，使得流量匹配閥的a口關閉且b口和t口導通，非對稱式液壓缸的無桿腔的多余的液壓油經流量匹配閥的b口和t口返回至壓力補償器，實現不匹配流量的補償。

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，變轉速浸油電機驅動柱塞泵經吸油口從壓力補償器吸油，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生控制壓力，使得第二平衡閥的溢流閥雙向導通，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油液壓力的控制，經第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補償器，非對稱式液壓缸的無桿腔的液壓油經第二平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進油口，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口產生高控制壓力，使得流量匹配閥的b口關閉且a口和t口導通，柱塞泵的出油口處多余的液壓油經流量匹配閥的a口和t口返回至壓力補償器，實現不匹配流量的補償。

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，變轉速浸油電機驅動柱塞泵經吸油口從壓力補償器吸油，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生控制壓力，使得第一平衡閥的溢流閥雙向導通，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油液壓力的控制，經第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補償器，非對稱式液壓缸的有桿腔的液壓油經第一平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進油口，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口產生低控制壓力，使得流量匹配閥的b口關閉且a口和t口導通，壓力補償器中的液壓油經流量匹配閥的a口和t口流入柱塞泵的進油口，實現不匹配流量的補償。

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，變轉速浸油電機驅動柱塞泵經吸油口從壓力補償器吸油，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生控制壓力，使得第一平衡閥的溢流閥雙向導通，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油液壓力的控制，經第一溢流閥或第二溢流閥溢流的液壓油流回壓力補償器，非對稱式液壓缸的有桿腔液壓油經第一平衡閥的溢流閥回到柱塞泵進油口，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口產生高控制壓力，使得流量匹配閥的a口關閉且b口和t口導通，壓力補償器中的液壓油經流量匹配閥的b口和t口流入非對稱式液壓缸的無桿腔，實現不匹配流量的補償。

19、本發明通過壓力補償器實現系統油壓與外部海水壓力的平衡，同時作為油箱為液壓系統供油以減小設備整體體積；通過元件相對安裝關系優化和fluent軟件流體力學仿真，實現集成閥塊的優化設計，提高了能量利用效率；通過采用以數字量差分形式傳遞數據的can2.0總線通訊，以及模塊化耐壓浸油式控制系統設計，提高了系統的抗電磁干擾性，提升了系統的控制性能。

20、本發明將液壓系統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。在保留液壓系統優勢的同時有效避免了液壓管路錯綜復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，檢修與維護更加方便的優勢，在深海裝備領域具有廣闊的應用前景。

21、本發明的有益效果是：

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

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

24、3、本發明通過控制系統能夠控制深海水下電液作動器完成水下高精度運動，實現阻力縮回、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1mm。