专利名称：一种双余度舵机系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种双余度舵机系统和控制方法。
背景技术：
舵机控制系统是飞行系统的一个重要执行机构，舵机控制器可以控制舵面的偏转，从而控制着飞行姿态的变化，实现偏航、翻转。目前，舵机余度控制系统发展迅速，成果显著。公开号为CN101799689A的专利《双余度舵机控制器》采用了双余度设计，但控制器只对功率驱动电路进行了余度备份，未进行故障诊断和隔离，从而在故障状态下，影响舵机系统整体性能。发表于《微电机》的文章《双余度舵机控制系统设计》介绍了基于DSP和CPLD的双余度舵机控制系统，但对双余度系统的设计并未详细给出，并对系统故障诊断和隔离上未作介绍，不能实现对系统故障的诊断和隔离，影响系统的可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种双余度舵机系统，在正常情况下，能够完成正常的舵面位置跟随给定信号，在驱动装置一余度出现故障时，能够实时检测出故障点并进行隔离，在单通道下，完成舵面跟踪功能，从而提高舵机系统的可靠性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括冗余驱动控制器、双余度无刷直流电机和舵面。冗余驱动控制器接收舵面位置给定信号，驱动双余度无刷直流电机工作，使舵面转过的角度跟随舵面位置给定信号。其中，冗余驱动控制器包括舵面位置反馈调理单元、舵面位置给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元和电源系统单元。舵面位置给定接收单元将舵面位置给定信号输入DSP单元，舵面位置反馈调理单元将双余度位置传感器测得的两路舵面位置反馈信号输入DSP单元，DSP单元分别控制双余度无刷直流电机两个绕组的占空比信号。CPLD单元将占空比信号和双余度无刷直流电机的两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制双余度无刷直流电机的两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元和功率驱动单元，控制双余度无刷直流电机运行。在功率驱动单元采集双余度无刷直流电机的母线电流，经过流保护辅助单元，将母线电流与预先设定的过流阈值相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP单元中。当电机出现过流故障时，DSP单元检测过流信号为低，则关断占空比信号，从而排除过流故障。电流采集单元采集功率驱动单元上双余度无刷直流电机绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP单元。电源系统单元接收两个控制电源，经二极管将两个电源并联在一起，向舵面位置反馈调理单元、舵面位置给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元供电，电源系统单元接收两个驱动电 源，给功率驱动单元供电。
所述的双余度无刷直流电机的定子绕组为两套在空间上电角度互差30°的Y型连接的绕组构成，两套绕 组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，双余度无刷直流电机共用一个永磁体转子。双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度。本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下步骤第一步采集两路舵面位置反馈信号，并进行AD转化。第二步若两路舵面位置反馈信号的差值小于预先设定的误差阈值，则进入第四步，否则进入第三步。第三步若一路舵面位置反馈信号大于位置传感器的量程最大值，或小于其量程最小值，则诊断该路位置传感器故障，将另一路位置传感器的舵面位置反馈信号赋值给位置反馈，进入第五步，否则进入第四步。第四步位置反馈等于两路舵面位置反馈信号之和除以二。第五步采集双余度霍尔传感器信号，若一路霍尔传感器信号为000或111，则诊断该路霍尔传感器故障，否则进入第六步。第六步采集各余度绕组母线电流和相电流。第七步若一路绕组母线电流大于预先设定的短路阈值，则开始短路计时，若短路计时大于预先设定的短路上限阈值，则诊断该路绕组为短路故障，进入第十步。若一路绕组母线电流大于电机最小工作电流，且小于预先设定的标准0位电流下限，则开始断路计时，若断路计时大于预先设定的断路上限阈值，则诊断该路绕组为断路故障，进入第十步。否则进入第八步。第八步采集舵面位置给定信号，并进行AD转化。第九步若位置环计数器的值大于位置环周期阈值，则将位置环计数器清零，根据舵面位置给定和舵面位置反馈进行位置环PID计算，然后将位置环计数器的值加I ;否则直接将位置环计数器的值加I。第十步若一路绕组短路故障或断路故障或对应的该路霍尔传感器故障，则将该路占空比置为0，将另一路电流环给定作为位置环输出，反馈为母线电流，进行电流环PID运算，得到的电流环PID输出传给DSP，产生占空比信号，返回第一步，否则进入第十一步。第十一步两路电流环给定分别为位置环输出的一半，反馈为各自的母线电流，经过各自的电流环PID运算，运算结果输入DSP，分别产生各自的占空比信号，返回第一步。本发明的有益效果是本发明采用冗余技术，将舵机驱动装置中容易损坏的机构进行了热备份，在正常工作情况下，使相应的部件工作在额定功率运行的一半，提高了驱动装置的寿命和可靠性。当驱动装置某一个余度出现故障时，能够使驱动装置切换至单通道模式下运行，确保舵机正常工作。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图I为舵机冗余驱动装置结构。图中，I一冗余驱动控制器，2一航机，3一航面图2为冗余驱动控制器结构
图中，4一双余度无刷直流电机，5—舵面位置反馈调理单元，6—舵面位置给定接收单兀，7一DSP单兀，8一电流米集单兀，9一过流保护辅助单兀，10一电源系统单兀，11 一CPLD单兀，12一隔尚电路单兀，13一功率驱动单兀。图3，双余度航机系统控制方法。
具体实施例方式如图I所示，本发明包括冗余驱动控制器部分I、舵机部分2和舵面部分3。冗余驱动控制器部分I接收舵面位置给定信号，经过控制方法控制，驱动舵机中的双余度无刷直流电机4工作，使舵面转过的角度跟随舵面位置给定信号。在本发明中，将控制电源、驱动电源、电机绕组、电机霍尔传感器、位置传感器、功率驱动单元进行备份设计。其中，冗余驱动控制器部分I包括舵面位置反馈调理单元5、舵面位置给定接收单 元6、DSP单元7、CPLD单元11、隔离电路单元12、功率驱动单元13、电流采集单元8、过流保护辅助单元9和电源系统单元10。舵面位置给定接收单元6将舵面位置给定信号(0 10V)缩小1/3，输入DSP单元7的AD端口，进行模数转换，舵面位置反馈调理单元5将舵面位置反馈信号(由双余度位置传感器测得的两路0 IOV位置信号)缩小1/3，输入DSP单元7的AD端口，进行模数转换，通过控制程序调节，经DSP单元7的事件管理器，输出分别控制双余度无刷直流电机4两个绕组的占空比信号。CPLD单元11将占空比信号和双余度无刷直流电机4两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制双余度无刷直流电机4两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元12和功率驱动单元13，控制双余度无刷直流电机4运行。在功率驱动单元13，采集双余度无刷直流电机4的母线电流，经过流保护辅助单元9，将母线电流与预先设定的过流阈值(在本样机中，预先设定的过流阈值为20A)相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP单元7中。当双余度无刷直流电机4出现过流故障时，DSP单元7检测过流信号为低，则关断占空比信号，从而排除过流故障。电流采集单元8采集功率驱动单元13上双余度无刷直流电机4绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP单元7。电源系统单元10接收两个控制电源，经二极管将两个电源并联在一起，向舵面位置反馈调理单元5、舵面位置给定接收单元6、DSP单元7、CPLD单元11、隔离电路单元12、功率驱动单元13、电流采集单元8、过流保护辅助单元9供电，电源系统单元10接收两个驱动电源，给功率驱动单元13供电。舵机部分由双余度无刷直流电机单元和减速机组成。其中，双余度无刷直流电机4的定子绕组为两套在空间上互差30°电角度的Y型连接的绕组构成，两套绕组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，电机共用一个永磁体转子。双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度，合称为双余度霍尔传感器。双余度霍尔传感器发出的信号称为双余度霍尔信号。本发明的控制方法为第一步采集舵面位置反馈信号，并进行AD转化。进入第二步。第二步若I余度I舵面位置反馈-余度2舵面位置反馈I <预先设定的误差阈值(在本样机中，预先设定的误差阈值为3° )，则进入第七步，否则进入第三步。第三步若余度I舵面位置反馈大于量程最大值(10V)，或余度I舵面位置反馈小于量程最小值(-10V)，进入第四步。否则进入第五步。第四步诊断为余度I位置传感器故障，将余度2舵面位置反馈值赋给位置反馈。进入第八步。第五步若余度2舵面位置反馈大于量程最大值(10V)，或余度2舵面位置反馈小于量程最小值(-10V)，进入第六步。否则进入第七步。第六步诊断为余度2位置传感器故障，将余度I舵面位置反馈值赋给位置反馈。进入第八步。第七步位置反馈=(余度I舵面位置反馈+余度2舵面位置反馈)/2，进入第八
止/J/ o
第八步采集双余度霍尔传感器信号。进入第九步。第九步若余度I霍尔信号为000或111，则进入第十步，否则进入第十一步。第十步诊断为余度I霍尔传感器故障。进入第十一步。第十一步若余度2霍尔信号为000或111，则进入第十二步，否则进入第十三步。第十二步诊断为余度2霍尔传感器故障。进入第十三步。第十三步采集各余度绕组母线电流和相电流。进入十四步。第十四步若余度I绕组母线电流大于预先设定的短路阈值(在本样机中，预先设定的短路阈值为15A)，则进入第十五步，否则进入第十八步。第十五步余度I短路计数器加I。进入第十六步。第十六步若余度I短路计数器大于预先设定的短路上限阈值(在本样机中，预先设定的短路上限阈值为10)，则进入第十七步，否则进入第十八步。第十七步诊断为余度I绕组短路故障。进入第二十二步。第十八步若余度2绕组母线电流大于预先设定的短路阈值(在本样机中，预先设定的短路阈值为15A)，则进入第十九步，否则进入第二十二步。第十九步余度2短路计数器加I。进入第二十步。第二十步若余度2短路计数器大于预先设定的短路上限阈值(在本样机中，预先设定的短路上限阈值为10)，则进入第二十一步，否则进入第二十二步。第二i^一步诊断为余度2绕组短路故障。进入第二十二步。第二十二步若余度I绕组母线电流大于双余度无刷直流电机最小工作电流下限(在本样机中，双余度无刷直流电机最小工作电流下限为IOOmA)或余度2绕组母线电流大于电机最小工作电流下限(在本样机中，双余度无刷直流电机最小工作电流下限为100mA)，则进入第二十三步，否则进入第三十一步。第二十三步若余度I绕组相电流小于预先设定的标准0位电流下限(在本样机中，预先设定的标准0位电流下限50mA)，则进入第二十四步，否则进入第二十七步。第二十四步余度I绕组断路计数器加1，进入第二十五步。第二十五步若余度I绕组断路计数器的值大于预先设定的断路上限阈值(在本样机中，预先设定的断路上限阈值为10)，则进入第二十六步，否则进入第二十七步。第二十六步诊断为余度I绕组断路故障。进入第三i^一步。第二十七步若余度2绕组相电流小于预先设定的标准0位电流下限(在本样机中，预先设定的标准0位电流下限50mA)，则进入第二十八步，否则进入第三十一步。
第二十八步余度2绕组断路计数器加1，进入第二十九步。第二十九步若余度2绕组断路计数器的值大于预先设定的断路上限阈值(在本样机中，预先设定的断路上限阈值为10)，则进入第三十步，否则进入第三十一步。第三十步诊断为余度2绕组断路故障。进入第三i^一步。第三十一步采集舵面位置给定信号，并进行AD转化。进入第三十二步。第三十二步若位置环计数器的值大于位置环周期阈值(在本样机中，置环周期阈值为lms)，则进入第三十三步。否则进入第三十四步。第三十三步位置环计数器清零，根据舵面位置给定和舵面位置反馈进行位置环PID计算。进入第三十四步。
第三十四步位置环计数器的值加I.进入第三十五步。第三十五步若余度I绕组短路故障或余度I绕组断路故障或余度I霍尔传感器故障，则进入第三十六步。否则进入第三十七步。第三十六步余度I占空比置为0，余度2电流环给定为位置环输出，反馈为余度2母线电流，进行余度2电流环PID运算，余度2电流环PID输出传给DSP的事件管理器，产生余度2占空比信号。进入第一步。第三十七步若余度2绕组短路故障或余度2绕组断路故障或余度2霍尔传感器故障，则进入第三十八步。否则进入第三十九步。第三十八步余度2占空比置为0，余度I电流环给定为位置环输出，反馈为余度I母线电流，进行余度I电流环PID运算，余度I电流环PID输出传给DSP的事件管理器，产生余度I占空比信号。进入第一步。第三十九步余度I和余度2电流环给定分别为位置环输出的一半，反馈为各自余度的母线电流，经过各自余度的电流环PID运算，运算结果输入DSP各自的事件管理器，分别产生余度I和余度2的占空比信号。进入第一步。
权利要求
1.一种双余度舵机系统，包括冗余驱动控制器、双余度无刷直流电机和舵面，其特征在于冗余驱动控制器接收舵面位置给定信号，驱动双余度无刷直流电机工作，使舵面转过的角度跟随舵面位置给定信号；其中，冗余驱动控制器包括舵面位置反馈调理单元、舵面位置给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元和电源系统单元，舵面位置给定接收单元将舵面位置给定信号输入DSP单元，舵面位置反馈调理单元将双余度位置传感器测得的两路舵面位置反馈信号输入DSP单元，DSP单元分别控制双余度无刷直流电机两个绕组的占空比信号，CPLD单元将占空比信号和双余度无刷直流电机的两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制双余度无刷直流电机的两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元和功率驱动单元，控制双余度无刷直流电机运行，在功率驱动单元采集双余度无刷直流电机的母线电流，经过流保护辅助单元，将母线电流与预先设定的过流阈值相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP单元中，当电机出现过流故障时，DSP单元检测过流信号为低，则关断占空比信号，从而排除过流故障，电流采集单元采集功率驱动单元上双余度无刷直流电机绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP单元，电源系统单元接收两个控制电源，经二极管将两个电源并联在一起，向舵面位置反馈调理单元、舵面位置给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元供电，电源系统单元接收两个驱动电源，给功率驱动单元供电。
2.根据权利要求I所述的双余度舵机系统，其特征在于所述的双余度无刷直流电机的定子绕组为两套在空间上电角度互差30°的Y型连接的绕组构成，两套绕组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，双余度无刷直流电机共用一个永磁体转子；双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度。
3.—种权利要求I所述双余度舵机系统的控制方法，其特征在于包括下述步骤 第一步采集两路舵面位置反馈信号，并进行AD转化； 第二步若两路舵面位置反馈信号的差值小于预先设定的误差阈值，则进入第四步，否则进入第三步； 第三步若一路舵面位置反馈信号大于位置传感器的量程最大值，或小于其量程最小值，则诊断该路位置传感器故障，将另一路位置传感器的舵面位置反馈信号赋值给位置反馈，进入第五步，否则进入第四步； 第四步位置反馈等于两路舵面位置反馈信号之和除以二； 第五步采集双余度霍尔传感器信号，若一路霍尔传感器信号为000或111，则诊断该路霍尔传感器故障，否则进入第六步； 第六步采集各余度绕组母线电流和相电流； 第七步若一路绕组母线电流大于预先设定的短路阈值，则开始短路计时，若短路计时大于预先设定的短路上限阈值，则诊断该路绕组为短路故障，进入第十步；若一路绕组母线电流大于电机最小工作电流，且小于预先设定的标准0位电流下限，则开始断路计时，若断路计时大于预先设定的断路上限阈值，则诊断该路绕组为断路故障，进入第十步；否则进入第八步； 第八步采集舵面位置给定信号，并进行AD转化；第九步若位置环计数器的值大于位置环周期阈值，则将位置环计数器清零，根据舵面位置给定和舵面位置反馈进行位置环PID计算，然后将位置环计数器的值加I ;否则直接将位置环计数器的值加I ; 第十步若一路绕组短路故障或断路故障或对应的该路霍尔传感器故障，则将该路占空比置为O，将另一路电流环给定作为位置环输出，反馈为母线电流，进行电流环PID运算，得到的 电流环PID输出传给DSP，产生占空比信号，返回第一步，否则进入第十一步； 第十一步两路电流环给定分别为位置环输出的一半，反馈为各自的母线电流，经过各自的电流环PID运算，运算结果输入DSP，分别产生各自的占空比信号，返回第一步。
全文摘要
本发明公开了一种双余度舵机系统和控制方法，冗余驱动控制器接收舵面位置给定信号，驱动双余度无刷直流电机工作，使舵面转过的角度跟随舵面位置给定信号。本发明采用冗余技术，将舵机驱动装置中容易损坏的机构进行了热备份，在正常情况下，能够完成正常的舵面位置跟随给定信号，在驱动装置一余度出现故障时，能够实时检测出故障点并进行隔离，在单通道下，完成舵面跟踪功能，从而提高舵机系统的可靠性。
文档编号B64C13/50GK102700706SQ20121017637
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者戴志勇, 李兵强, 林辉, 马冬麒, 齐蓉 申请人:西北工业大学