深海探索是一項革命性的技術，它給遙控無人潛水器 (ROV) 帶來了許多需要克服的運動挑戰(zhàn)。Elmo Motion Control 可以應對這個不斷進步的世界的每一個運動挑戰(zhàn)，提供完美的解決方案。
Elmo In Action
潛入深海
ROV
遙控無人潛水器 (ROV) 是一種無人駕駛的水下機器人，通過一系列電纜（稱為“臍帶電纜”）與操作船連接。此類潛水器通常攜帶機械手、傳感器、相機等，用于與工作環(huán)境交互，執(zhí)行開關閥門、切割、清潔、清理、擰螺絲和焊接等工作。借助這些成熟的感知和操縱功能，ROV 可以進行人類難以執(zhí)行或對人類有危險的多種工作，例如取樣或水下設備的監(jiān)控和維修 – 通常位于海底數(shù)千米，存在極限壓力和溫度。
水下作業(yè)帶來的挑戰(zhàn)
控制 ROV 和 AUV（自主式水下潛水器）及其機械手的電氣電子元件必須堅固耐用 – 能夠承受深水作業(yè)帶來的壓力、溫度和振動。Elmo 伺服驅動器具有在此類條件下工作的獨有性能，適合于溫度 -40 至 70攝氏度，和高達 700 bar的壓力（相當于海平面以下 7000 米）。
ROV 必須足夠輕盈小巧才能在水下設備和自然障礙物中及周圍靈活移動，因此 ROV 內可利用的空間非常局限。Elmo 驅動器恰恰可滿足在超小超輕的封裝內提供高功率這一要求。例如，ROV 使用多方向推進器在水下推進、操控和保持設備穩(wěn)定。除了必須所在的極端海底條件下工作外，此類推進器還需要極高的電流和電壓。Elmo 的Gold 和SimplIQ的高壓驅動器完全可以滿足這些條件，可在 111 x 76 x 30 mm 封裝內提供最高 800 VDC。提供大功率的同時，又必須將 ROV 密封的小空間內發(fā)熱量控制在最低水平。無論當推進器只需數(shù)瓦功率用來轉向，或是用數(shù)千瓦功率來推進，Elmo 驅動器都可以提供相應的功率而不會產生大量熱量，從而延長驅動器和其他 ROV 部件的使用壽命。
推進器的另一個挑戰(zhàn)是需要在水流已經(jīng)造成推進器運動的情況下啟動推進器。Elmo 驅動器利用“熱插拔”等先進的伺服算法補償現(xiàn)有運動以避免產生有害的電流尖峰，從而解決該挑戰(zhàn)。
海底 6 千米 輸送電力
由于超高速推進器能在高速水流下保持穩(wěn)定性，ROV 需要大量的功率。這種功率加上指令和其他數(shù)據(jù)，通過一系列電纜（稱為“臍帶電纜”）在操作員與 ROV 之間傳輸。臍帶的核心是將用于功率和信號的銅導體與用于通信的光纖元件組合而成。臍帶電纜長度長達 6 千米，容易出現(xiàn)大幅度電壓下降。但由于 ROV 設計的目的是在越來越深的水中作業(yè)，制造商面臨在減輕重量的同時提高功率傳輸挑戰(zhàn)。
為了減少臍帶電纜以及ROV因臍帶重量而受到的壓力，通常在船只與 ROV 之間安裝系繩管理系統(tǒng) (TMS)。TMS 距離 ROV 僅數(shù)百米，而臍帶構成了船只與TMS之間長達數(shù)千米的傳輸。TMS 包含降壓變壓器，將操作船的高交流電壓降壓并整流為 ROV 可使用的較低直流電壓。無論 ROV 系統(tǒng)需要高壓交流電、降壓交流電、還是已經(jīng)整流的直流電，Elmo 驅動器可以滿足任何范圍的功率供電要求。
適合極端海底條件的伺服驅動器
隨著 ROV 和 AUV 市場的增長，以及水下潛水器從液壓向電子和電氣系統(tǒng)過渡，對伺服驅動器物理特性和運行的要求將越來越高。Elmo 的 SimplIQ 和 Gold 伺服驅動器已經(jīng)滿足并超出了這些要求，可在極限的海底溫度和壓力下工作，并在高速推進器和精密的多軸機械手中具備先進的伺服功能。
案例：海平面下方 6000 米
一家總部位于歐洲的遙控無人潛水器 (ROV) 制造商決定針對其銷往世界各地的各種型號 ROV 采用全電動設計。這些潛水器用于各種應用（從服務深海鉆井平臺到執(zhí)行重要的海洋生物研究）。該制造商的全球 ROV 銷量超過 800 臺，不僅是該領域的領導者之一，更是公認的水下技術創(chuàng)新者。對于全電動化，ROV 制造商需要能夠驅動推進器實現(xiàn) ROV 推進、操縱和穩(wěn)定的驅動器技術。
一些 ROV 型號只需 5 kW 功率用于推進器，重型ROV則需要近 50 kW 功率用于推進。但是，功率范圍廣并不是驅動器的唯一要求，制造商還需要驅動器解決方案能夠解決一些控制相關問題、尺寸限制和極端水下環(huán)境。
經(jīng)過大量研究和產品測試，制造商發(fā)現(xiàn) Elmo 的 Trombone 伺服驅動器是理想解決方案。Trombone 的緊湊的設計和高壓功能滿足了看似矛盾的要求。每個推進器焊接至一根小的厚壁加壓管道上，安裝驅動器安裝在館內。Elmo 的 Trombone 伺服驅動器是唯一一款功率足以滿足推進器電壓要求，同時足夠小巧可以安裝在該加壓管道內的驅動器。由于管道完全密封，沒有氣流輔助冷卻，Trombone 的高效率（超過 98%）也是一個重要特性，確保密封管道內的發(fā)熱量最低。
開啟和關閉推進器旋轉是 ROV 制造商面臨的另一個主要挑戰(zhàn)，尤其是需要考慮水力時。這家制造商最大的 ROV 使用 11 個不同推進器提供全方位6 軸控制，在水中高效航行。但對于大多數(shù) ROV 移動來說，并非所有推進器都需要同時操作。如果命令一個“關閉”的推進器開啟，但推進器已經(jīng)在水流作用下旋轉，會出現(xiàn)問題。
當轉動一個已經(jīng)在轉動的電機（即“on-the-fly”）的過程并不簡單。電機驅動器通常在啟用后，設定初始 0 V 命令。通常，由于電機已經(jīng)在一定的反向 EMF（根據(jù)電機速度不同，可高可低）作用下旋轉，零命令與潛在高反電動勢（EMF） 之間的電壓降可能存在危險。產生的電流尖峰對驅動器電子元件有害，可能最終導致推進器完全故障。Elmo 先進的 Hot Plugging 運動算法（圖 1）可以預先確定已有的反電動勢（EMF），補償初始電壓命令以抵消反電動勢（EMF），消除有害電流尖峰的可能，從而起到保護系統(tǒng)的作用。
圖 1：無熱插拔功能的大電流尖峰（左）。使用熱插拔功能避免危險電流尖峰（右）。
制造商選擇 Elmo 的 Trombone 伺服驅動器的另一個理由是其高電壓容量。由于 ROV 的工作位置距離海面船只中的動力源可達 6千米，因此傳輸功率是一個復雜的操作。
船上搭載發(fā)電機。發(fā)電機功率進一步升壓至驚人的 3000 V 3 相 800 Hz。這種極高功率沿臍帶電纜 – 連接 ROV 與操作員船只的一系列電纜 –傳輸數(shù)千米，直到系繩管理系統(tǒng) (TMS)。由于臍帶電纜長度上會出現(xiàn)極大電壓降，因此必須進行升壓。在距離 ROV 只有數(shù)百米的 TMS 站，對電壓進行整流和降壓。然后為 ROV 提供 500 至 800 V 直流母線電壓，通常距離船只 6 千米。Elmo 的 Trombone 驅動器是市面上少數(shù)能夠為任何電機供電最高 800 VDC 的驅動器之一。
Elmo 的標準驅動器產品可以滿足 ROV 制造商的各種（有時候甚至看似矛盾）的要求，從應對惡劣的海底環(huán)境，到克服未知水流的挑戰(zhàn)。Elmo 先進的緊湊型伺服驅動器憑借小尺寸、堅固性和可靠性，幫助遠程操控設備進入人類無法觸及的領域，這些特性可以說是至關重要。
