王　彪，谷志珉，吳　超，葛　彤

(1．上海交通大學(xué)，上海200240; 2．國家海洋局北海技術(shù)中心，山東青島266033)

水下機器人在線絕緣檢測系統(tǒng)研究

王彪1，谷志珉2，吳超1，葛彤1

(1．上海交通大學(xué)，上海200240; 2．國家海洋局北海技術(shù)中心，山東青島266033)

摘要:為提高水下機器人在未知危險工作環(huán)境下的可靠性和生存性，對水下機器人在線絕緣檢測系統(tǒng)進行研究。描述基于輔助電源法的絕緣檢測原理及絕緣電阻計算公式，設(shè)計絕緣檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、采樣電路和隔離電路構(gòu)成，電源輸入、信號輸入和信號輸出相互隔離。最后，通過模擬試驗平臺驗證所設(shè)計絕緣檢測系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞:水下機器人;絕緣電阻;檢測;輔助電源;隔離

Research on on-line insulation detection system for underwater vehicles

WANG Biao1，GU Zhi-min2，WU Chao1，GE Tong1
(1．Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China;
2．North China Sea Branch of State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China)

Abstract:In order to increase the reliability and survivability of underwater vehicles in unknown，hazardous environment，an on－line insulation detection system has been developed in this paper．The insulation detection principle based on auxiliary source is described and the calculation formula of insulation resistance is presented．The designed system consists of power supply，sampling circuit and isolation circuit while power supply，signal input and signal are isolated from each other．Finally，experiment results demonstrate the effectiveness of the insulation detection system．

Key words:underwater vehicle; insulation resistance; detection; auxiliary source;isolation

0　引言

水下機器人作業(yè)過程中面臨復(fù)雜海況和惡劣的工作環(huán)境，且現(xiàn)代水下機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，因此對可靠性和生存性提出了更高的要求。電子系統(tǒng)作為水下機器人的控制核心，其健康狀態(tài)是水下機器人完成作業(yè)任務(wù)和安全返航的前提。電子系統(tǒng)使用電力作為主要動力源，電池、二次電源、直流傳輸母線、傳感器、直流負載等都會涉及絕緣問題，且由于水下機器人工作環(huán)境的特殊性，溫度、鹽度的變化，海水腐蝕都會引起絕緣的損傷和破壞，使絕緣性能下降，電能消耗增加，影響水下機器人正常工作，嚴重時還可能造成次生故障，導(dǎo)致水下機器人失事事故。因此，絕緣檢測是水下機器人安全系統(tǒng)的一個重要部分［1］。

現(xiàn)有直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法主要有電橋法［2］、改進電橋法、交流信號注入法和直流漏電流法。電橋法基于電橋平衡原理，應(yīng)用廣泛，但該方法無法檢測正負極絕緣同時下降的情況，同時正負極絕緣差值較大時會造成誤報警。改進電橋法［3］，又稱乒乓電橋法，通過切換電橋兩臂電阻值的大小，使電橋沒有一個固定的平衡點，此方法需要電子開關(guān)或繼電器，可靠性差，且有動作延時。交流信號注入法［4］需向系統(tǒng)注入附加測試信號，會給直流系統(tǒng)本身帶來影響，測量精度易受直流系統(tǒng)分布電容影響。直流漏電流法［5］，因漏電流較小，難以測量，精度和靈敏度都難以提高。水下機器人絕緣檢測要求實時性好，漏報率低，檢測系統(tǒng)與被檢對象電氣隔離。鑒于此，本文基于文獻［6］中提出的輔助電源法，設(shè)計水下機器人

在線絕緣檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了被檢對象與輸出信號的電氣隔離，具備良好的動態(tài)檢測能力。

1　絕緣檢測原理

絕緣電阻測量原理如圖1所示。圖中，R+和R－為待測的正、負極對地絕緣電阻，Vs為輔助電源，R1為采樣電阻，R2起限流和分壓作用。調(diào)整R1和R2的阻值，可使系統(tǒng)適應(yīng)不同電壓等級的絕緣測量。輔助電源正極經(jīng)R1和R2與待測電壓的負極相連，輔助電源負極與電子艙殼體相連。在待測系統(tǒng)絕緣良好的情況下，輔助電源沒有電流回路，漏電流為0，采樣電壓V1為0;在絕緣下降的情況下，輔助電源通過R+和R－形成閉合回路，產(chǎn)生漏電流，通過采集R1上的電壓計算絕緣電阻值，由控制計算機產(chǎn)生報警信號，并切斷待測系統(tǒng)的電源。檢測原理的等效電路如圖2所示，由電路定律，絕緣電阻計算公式如下:

圖1　絕緣電阻測量原理Fig.1　Insulation resistance detection principle

圖2　檢測原理等效電路Fig.2　Equivalent circuit of detection principle

2　系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上絕緣檢測原理開發(fā)的絕緣檢測系統(tǒng)如圖3所示。本系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、采樣電路和隔離電路構(gòu)成，為保證絕緣檢測的可靠性，電源輸入、信號輸入和信號輸出相互隔離。

圖3　絕緣檢測電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of insulation detection

2.1電源系統(tǒng)

系統(tǒng)工作電源選用24 V DC，一方面可以省去產(chǎn)生低等級電壓所需的二次電源，簡化水下機器人電源系統(tǒng)，減少硬件開銷，另一方面，水下機器人供電電池(自治式水下機器人)或應(yīng)急電池(無人遙控水下機器人)多為24 V，可直接為絕緣檢測系統(tǒng)供電。隔離電源選用MORNSUN公司IA_S－1W系統(tǒng)隔離穩(wěn)壓雙路輸出DC－DC模塊電源。U6為隔離電路初級運放提供工作電源，同時為采樣電路提供輔助電源。U7提供隔離電路次級運放所需的工作電源。

2.2采樣電路

輔助電源采用負電源，這樣系統(tǒng)的輸出信號為負電壓信號，與其他傳感器信號區(qū)分明顯，易被控制計算機識別。關(guān)于R1和R2的選取，根據(jù)絕緣檢測的等效電路和絕緣電阻計算公式，當(dāng)R+=0時，V1達到最大，取V1為信號邊界－10 V，此時

漏電流I= 10/R1。R1和R2上的功率需滿足

將式(3)代入式(4)和式(5)，最終得到

2.3隔離電路

采樣電壓被控制計算機采集，為確保計算機系統(tǒng)不受被測對象的影響，采用線性隔離放大電路傳輸采樣電壓。隔離電路同時還能消除系統(tǒng)中模擬信號回路因共地引起的噪聲干擾及其他原因引起的干擾信號。本文選用HP公司的高線性度模擬光電耦合器HCNR201為核心搭建雙極信號隔離電路。此處，保留對正輸入信號的隔離功能，當(dāng)輔助電源為正電源時，隔離電路無需改動可良好兼容。由于二極管D1和D2的作用，當(dāng)輸入信號為正時D2導(dǎo)通，D1截止，放大器U1呈開環(huán)狀態(tài)，光耦U5工作，U2關(guān)斷;當(dāng)輸入信號為負時，則正好相反。當(dāng)HCNR201的光敏光極管受光后，其輸出信號將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂，第5和第6端輸出的信號經(jīng)運放入放大后輸出。電位器R7的作用是調(diào)節(jié)運放輸入偏置電流的大小。電容C1和C6為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號，降低電路的輸出噪聲，其容值可以根據(jù)電路的頻率特性來選取。放大器U3的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栆怨┖蠹夒娐肥褂?，并增加負載驅(qū)動能力，降低輸出阻抗。調(diào)整電阻R4的值可以調(diào)整信道的增益。

3　系統(tǒng)測試

為驗證所設(shè)計絕緣檢測系統(tǒng)的有效性，進行模擬試驗的平臺接線如圖4所示。直流穩(wěn)壓電源為絕緣檢測電路板提供工作電源，并模擬被測電壓。絕緣檢測系統(tǒng)的輸出信號由研華公司模擬量輸入模塊采集，然后通過RS485接口發(fā)送到工控機。在被測對象正、負極與大地之間接入精度電阻，再將絕緣電阻的實際值和測量值進行比較分析。試驗結(jié)果如表1所示。

圖4　模擬試驗平臺原理圖Fig.4　Sketch of test platform

表1　絕緣電阻測試試驗結(jié)果Tab.1　Experiment results of insulation resistance detection

試驗結(jié)果表明，在單點接地的情況下，絕緣檢測系統(tǒng)的測量值與實際絕緣電阻值吻合較好，檢測范圍廣，測量誤差滿足水下機器人的實際需求。從表中可看出，相同的接地電阻，不同電壓等級接地，測出的采樣電壓不同?？紤]到水下機器人的外圍設(shè)備更容易發(fā)生絕緣下降的情況，設(shè)計上外圍設(shè)備就盡量采用同一等級電源。實際應(yīng)用中，不管是哪個等級電壓絕緣下降，絕緣電阻采用“虛阻”值計算，即按式(1)和式(2)計算的阻值來顯示和報警。對于同一采樣電壓，發(fā)生絕緣下降的電壓等級越低，計算所得絕緣電阻阻值也越小。

4　結(jié)語

絕緣檢測作為水下機器人安全狀態(tài)評估的重要指標(biāo)，是未來智能化水下機器人不可缺少的環(huán)節(jié)。針對水下機器人的工作特點，本文設(shè)計了水下機器人在線絕緣檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了被檢對象與輸出信號的電氣隔離，具備良好的動態(tài)檢測能力。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地檢測單點絕緣破壞的狀況，滿足水下機器人實時監(jiān)測的需求。但是該系統(tǒng)難以區(qū)分多點接地情況下的絕緣故障源，只能通過“虛阻”值進行估算，精確的故障定位有待研究。

參考文獻:

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作者簡介:王彪(1986－)，男，博士研究生，主要研究方向為水下機器人技術(shù)。

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51109132)

收稿日期:2014－09－05;修回日期: 2014－11－13

文章編號:1672－7649(2015) 07－0043－03doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.010

中圖分類號:U674．941; U672．74

文獻標(biāo)識碼:A