Elmo In Action

潜入深海

深海探索是一项革命性的技术,它给遥控无人潜水器 (ROV) 带来了许多需要克服的运动挑战。Elmo Motion Control 可以应对这个不断进步的世界的每一个运动挑战,提供完美的解决方案。

ROV

遥控无人潜水器 (ROV) 是一种无人驾驶的水下机器人,通过一系列电缆(称为“脐带电缆”)与操作船连接。此类潜水器通常携带机械手、传感器、相机等,用于与工作环境交互,执行开关阀门、切割、清洁、清理、拧螺丝和焊接等工作。借助这些成熟的感知和操纵功能,ROV 可以进行人类难以执行或对人类有危险的多种工作,例如取样或水下设备的监控和维修 – 通常位于海底数千米,存在极限压力和温度。

elmo Drive into Deep Water

水下作业带来的挑战

控制 ROV 和 AUV(自主式水下潜水器)及其机械手的电气电子元件必须坚固耐用 – 能够承受深水作业带来的压力、温度和振动。Elmo 伺服驱动器具有在此类条件下工作的独有性能,适合于温度 -40 至 70摄氏度,和高达 700 bar的压力(相当于海平面以下 7000 米)。

ROV 必须足够轻盈小巧才能在水下设备和自然障碍物中及周围灵活移动,因此 ROV 内可利用的空间非常局限。Elmo 驱动器恰恰可满足在最小最轻的封装内提供高功率这一要求。例如,ROV 使用多方向推进器在水下推进、操控和保持设备稳定。除了必须所在的极端海底条件下工作外,此类推进器还需要极高的电流和电压。Elmo 的Gold 和SimplIQ的高压驱动器完全可以满足这些条件,可在 111 x 76 x 30 mm 封装内提供最高 800 VDC。提供大功率的同时,又必须将 ROV 密封的小空间内发热量控制在最低水平。无论当推进器只需数瓦功率用来转向,或是用数千瓦功率来推进,Elmo 驱动器都可以提供相应的功率而不会产生大量热量,从而延长驱动器和其他 ROV 部件的使用寿命。

推进器的另一个挑战是需要在水流已经造成推进器运动的情况下启动推进器。Elmo 驱动器利用“热插拔”等先进的伺服算法补偿现有运动以避免产生有害的电流尖峰,从而解决该挑战。

海底 6 千米 输送电力

由于超高速推进器能在高速水流下保持稳定性,ROV 需要大量的功率。这种功率加上指令和其他数据,通过一系列电缆(称为“脐带电缆”)在操作员与 ROV 之间传输。脐带的核心是将用于功率和信号的铜导体与用于通信的光纤元件组合而成。脐带电缆长度长达 6 千米,容易出现大幅度电压下降。但由于 ROV 设计的目的是在越来越深的水中作业,制造商面临在减轻重量的同时提高功率传输挑战。

为了减少脐带电缆以及ROV因脐带重量而受到的压力,通常在船只与 ROV 之间安装系绳管理系统 (TMS)。TMS 距离 ROV 仅数百米,而脐带构成了船只与TMS之间长达数千米的传输。TMS 包含降压变压器,将操作船的高交流电压降压并整流为 ROV 可使用的较低直流电压。无论 ROV 系统需要高压交流电、降压交流电、还是已经整流的直流电,Elmo 驱动器可以满足任何范围的功率供电要求。

适合极端海底条件的伺服驱动器

随着 ROV 和 AUV 市场的增长,以及水下潜水器从液压向电子和电气系统过渡,对伺服驱动器物理特性和运行的要求将越来越高。Elmo 的 SimplIQ 和 Gold 伺服驱动器已经满足并超出了这些要求,可在极限的海底温度和压力下工作,并在高速推进器和精密的多轴机械手中具备先进的伺服功能。

案例:海平面下方 6000 米

一家总部位于欧洲的遥控无人潜水器 (ROV) 制造商决定针对其销往世界各地的各种型号 ROV 采用全电动设计。这些潜水器用于各种应用(从服务深海钻井平台到执行重要的海洋生物研究)。该制造商的全球 ROV 销量超过 800 台,不仅是该领域的领导者,更是公认的水下技术创新者。对于全电动化,ROV 制造商需要能够驱动推进器实现 ROV 推进、操纵和稳定的驱动器技术。

一些 ROV 型号只需 5 kW 功率用于推进器,重型ROV则需要近 50 kW 功率用于推进。但是,功率范围广并不是驱动器的唯一要求,制造商还需要驱动器解决方案能够解决一些控制相关问题、尺寸限制和极端水下环境。

经过大量研究和产品测试,制造商发现 Elmo 的 Trombone 伺服驱动器是理想解决方案。Trombone 的紧凑的设计和高压功能满足了看似矛盾的要求。每个推进器焊接至一根小的厚壁加压管道上,安装驱动器安装在馆内。Elmo 的 Trombone 伺服驱动器是唯一一款功率足以满足推进器电压要求,同时足够小巧可以安装在该加压管道内的驱动器。由于管道完全密封,没有气流辅助冷却,Trombone 的高效率(超过 98%)也是一个重要特性,确保密封管道内的发热量最低。

开启和关闭推进器旋转是 ROV 制造商面临的另一个主要挑战,尤其是需要考虑水力时。这家制造商最大的 ROV 使用 11 个不同推进器提供全方位6 轴控制,在水中高效航行。但对于大多数 ROV 移动来说,并非所有推进器都需要同时操作。如果命令一个“关闭”的推进器开启,但推进器已经在水流作用下旋转,会出现问题。

当转动一个已经在转动的电机(即“on-the-fly”)的过程并不简单。电机驱动器通常在启用后,设定初始 0 V 命令。通常,由于电机已经在一定的反向 EMF(根据电机速度不同,可高可低)作用下旋转,零命令与潜在高反电动势(EMF) 之间的电压降可能存在危险。产生的电流尖峰对驱动器电子元件有害,可能最终导致推进器完全故障。Elmo 先进的 Hot Plugging 运动算法(图 1)可以预先确定已有的反电动势(EMF),补偿初始电压命令以抵消反电动势(EMF),消除有害电流尖峰的可能,从而起到保护系统的作用。

elmo Drive into Deep Water

图 1:无热插拔功能的大电流尖峰(左)。使用热插拔功能避免危险电流尖峰(右)。

制造商选择 Elmo 的 Trombone 伺服驱动器的另一个理由是其高电压容量。由于 ROV 的工作位置距离海面船只中的动力源可达 6千米,因此传输功率是一个复杂的操作。

船上搭载发电机。发电机功率进一步升压至惊人的 3000 V 3 相 800 Hz。这种极高功率沿脐带电缆 – 连接 ROV 与操作员船只的一系列电缆 –传输数千米,直到系绳管理系统 (TMS)。由于脐带电缆长度上会出现极大电压降,因此必须进行升压。在距离 ROV 只有数百米的 TMS 站,对电压进行整流和降压。然后为 ROV 提供 500 至 800 V 直流母线电压,通常距离船只 6 千米。Elmo 的 Trombone 驱动器是市面上少数能够为任何电机供电最高 800 VDC 的驱动器之一。

elmo Drive into Deep Water

Elmo 的标准驱动器产品可以满足 ROV 制造商的各种(有时候甚至看似矛盾)的要求,从应对恶劣的海底环境,到克服未知水流的挑战。Elmo 先进的紧凑型伺服驱动器凭借小尺寸、坚固性和可靠性,帮助远程操控设备进入人类无法触及的领域,这些特性可以说是至关重要。

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