故障檢測(cè)補(bǔ)償式三余度伺服控制方法設(shè)計(jì)驗(yàn)證

王首浩 陳 飛 喬 森 耿樹鯤 郭燕紅 王懷俠

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076

故障檢測(cè)補(bǔ)償式三余度伺服控制方法設(shè)計(jì)驗(yàn)證

王首浩 陳 飛 喬 森 耿樹鯤 郭燕紅 王懷俠

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076

為滿足全系統(tǒng)數(shù)字化需求，并確保產(chǎn)品可靠性，對(duì)各類三余度控制技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。針對(duì)機(jī)械反饋式伺服機(jī)構(gòu)的控制特點(diǎn)，對(duì)故障模式采用智能識(shí)別技術(shù)，分析了不同故障模式對(duì)伺服系統(tǒng)的影響。采用軟硬件結(jié)合的智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型三余度伺服控制方法；搭建了系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)意圖，在一度故障及一種兩度故障模式下，伺服機(jī)構(gòu)性能也可以滿足任務(wù)需求；最后對(duì)三余度伺服控制方法的發(fā)展進(jìn)行了展望。

故障檢測(cè)；三余度；伺服控制；設(shè)計(jì)驗(yàn)證

航天伺服產(chǎn)品可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)，并采用基于1553B總線的數(shù)字式伺服控制方案。在大功率、高可靠航天推力矢量控制的伺服產(chǎn)品中，由于動(dòng)態(tài)性能優(yōu)等特點(diǎn)，大量采用液壓伺服系統(tǒng)[1]，液壓伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)反饋模式分為電反饋伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)械反饋伺服機(jī)構(gòu)，其均由伺服控制器輸出電流指令，流過伺服閥線圈，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)油壓發(fā)生變化，從而使伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作。但不同的是，在基本原理上，電反饋伺服機(jī)構(gòu)的電流指令由控制指令與線位移差值確定，當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)穩(wěn)定在某一位置時(shí)，電流指令應(yīng)為0，而機(jī)械反饋伺服機(jī)構(gòu)的線位移與電流指令成正比，伺服機(jī)構(gòu)停在何處完全由電流指令的大小決定，因此機(jī)械反饋伺服機(jī)構(gòu)對(duì)伺服控制器電流輸出環(huán)節(jié)的可靠性提出了更高的要求。在模擬伺服控制方案中，伺服機(jī)構(gòu)的指令電流來自控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制，伺服控制器主要實(shí)現(xiàn)零漂補(bǔ)償功能，伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不會(huì)影響閥電流的可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)需要滿足全系統(tǒng)數(shù)字化的需要，控制系統(tǒng)僅通過1553B總線向伺服控制器發(fā)送數(shù)字指令，由伺服控制器進(jìn)行計(jì)算并輸出指令電流，伺服系統(tǒng)自行實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，因此需要采用更可靠的伺服控制方案。

1 控制方案設(shè)計(jì)

提高電子產(chǎn)品可靠性的途徑包括采用高可靠元器件和采用余度控制技術(shù)[2]，航天產(chǎn)品對(duì)元器件的選用要求十分嚴(yán)格，因此控制方案設(shè)計(jì)更多地從余度設(shè)計(jì)考慮。余度設(shè)計(jì)從數(shù)量上可分為雙余度、三余度和四余度；從余度方式上可分為并聯(lián)、均值表決、多數(shù)表決、中值表決和故障檢測(cè)修正等[3]。余度數(shù)量的選擇一般取決于所控制的伺服機(jī)構(gòu)或是所在的伺服系統(tǒng)方案，目前，綜合系統(tǒng)需求、產(chǎn)品重量、硬件和軟件規(guī)模約束、可靠性等因素，航天伺服產(chǎn)品多采用三余度控制技術(shù)。

1.1 電反饋液壓伺服系統(tǒng)三余度方案

目前，在電反饋液壓伺服系統(tǒng)中，主要采用2種三余度控制架構(gòu)：閥線圈三余度控制和系統(tǒng)三余度控制。閥線圈三余度控制如圖1所示，主要為了確保在閥線圈發(fā)生一度或二度故障時(shí)，仍有指令電流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使伺服機(jī)構(gòu)的位置特性基本正常，但動(dòng)態(tài)特性有所下降，對(duì)于伺服控制器電路故障沒有余度效果。

圖1 閥線圈三余度控制框圖

系統(tǒng)三余度控制需要采用三余度伺服閥、三余度線位移和三余度伺服控制器，其中三余度伺服控制器內(nèi)部包含3個(gè)功能配置完全相同的子控制器，如圖2所示的接收控制系統(tǒng)三余度指令，由3個(gè)獨(dú)立的處理器執(zhí)行閉環(huán)計(jì)算，控制3個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出3路獨(dú)立的指令電流控制3個(gè)閥線圈[4]，因此，發(fā)生一度故障時(shí)，伺服系統(tǒng)仍可保持功能基本正常，但對(duì)于功放電路失效的故障模式，伺服機(jī)構(gòu)位置特性將受到影響。

電反饋液壓伺服系統(tǒng)的三余度控制，屬于并聯(lián)、多數(shù)表決型余度控制方式。

圖2 系統(tǒng)三余度控制框圖

1.2 機(jī)械反饋液壓伺服系統(tǒng)三余度方案

電反饋伺服控制的2種三余度方案中，閥電流信號(hào)均不參與控制決策，因?yàn)榧词拱l(fā)生了諸如一度閥線圈斷路的故障模式，伺服機(jī)構(gòu)的位置特性依然可以保證，但如果在機(jī)械反饋伺服機(jī)構(gòu)中采用此種控制方式，當(dāng)發(fā)生一度閥線圈斷路故障、一度功率放大電路故障等情況，伺服機(jī)構(gòu)的位置只能達(dá)到控制指令要求的2/3，雖然可以通過積分器補(bǔ)償，但是動(dòng)態(tài)性能也會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此設(shè)計(jì)一種基于故障檢測(cè)補(bǔ)償式三冗余控制方法，功能框圖如圖3所示。由于所應(yīng)用的控制系統(tǒng)不是三余度設(shè)計(jì)，所以伺服控制器中不設(shè)計(jì)3套子控制器電路，如果采用3套子控制器設(shè)計(jì)方案，還需要增加3個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)交互，硬件、軟件和體積設(shè)計(jì)難度都會(huì)加大，因此本方案主要對(duì)指令電流電路進(jìn)行三余度設(shè)計(jì)，采用單CPU控制3路獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器，使每一路指令電路可以獨(dú)立控制，并將指令電流回采用于控制決策，如果某1路閥電流發(fā)生異常，可以由DSP計(jì)算調(diào)節(jié)，通過其它2路指令電流進(jìn)行補(bǔ)償，在故障狀態(tài)下只要保證3路指令電路的總和滿足控制指令要求，則可保證伺服機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定。

圖3 故障檢測(cè)補(bǔ)償式三冗余控制框圖

2 硬件參數(shù)設(shè)計(jì)及故障模式分析

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)方案參數(shù)的邊界條件，圍繞極限故障狀態(tài)展開。假設(shè)伺服機(jī)構(gòu)的正向極限位置對(duì)應(yīng)的閥電流為Imax，無故障時(shí)，流過3個(gè)閥線圈的電流應(yīng)為I1=I2=I3=Imax/3；如果第1路閥電流發(fā)生異常，且測(cè)量Im1=-Imax，要使伺服機(jī)構(gòu)仍能達(dá)到正向極限位置，需要補(bǔ)償其它2路電流為I2=I3=Imax，因此，需要每一路功放電路能獨(dú)立輸出的最大電流為伺服機(jī)構(gòu)極限位置電流。產(chǎn)生閥電流的功放電路如圖4所示，參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足If≈Vo/(RX+RL+RQ)。

圖4 功放電路示意圖

圖中，If為閥電流，Vo為功率放大器輸出電壓，RX為限流電阻，RL為閥線圈內(nèi)阻，Rq為閥電流取樣電阻；Ugf為功率放大器，Rp為正向輸入電阻，Rn為負(fù)向輸入電阻，Rf為反饋電阻。

2.2 故障模式分析

對(duì)閥電流輸出鏈路各環(huán)節(jié)進(jìn)行故障模式分類，主要包括D/A轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、功放電路環(huán)節(jié)、閥線圈環(huán)節(jié)和A/D采集環(huán)節(jié)。從控制框圖和電路圖可知，伺服系統(tǒng)中，所有與三冗余伺服閥及驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)的一度故障均可體現(xiàn)在伺服閥電流的測(cè)量信號(hào)上，因此伺服閥驅(qū)動(dòng)電路的所有故障模式表現(xiàn)出來的測(cè)量現(xiàn)象可以覆蓋伺服系統(tǒng)一度故障模式下伺服閥電流的測(cè)量現(xiàn)象，可對(duì)功率放大電路進(jìn)行詳細(xì)的故障分析[5-6]。

以表格形式代替故障樹，如表1所示將元器件的故障模式定義為底層故障模式，由元器件故障引起的閥電流測(cè)量異常為中間層故障，由測(cè)量反應(yīng)出的伺服系統(tǒng)故障為高層故障，多種底層故障可能導(dǎo)致一種測(cè)量故障，多種測(cè)量故障可能導(dǎo)致一種系統(tǒng)故障。同時(shí)，也存在測(cè)量正常，但系統(tǒng)異常、或測(cè)量異常但系統(tǒng)仍可工作的情況。

將所有可能的故障模式進(jìn)行統(tǒng)一分類，可以得出不同故障狀態(tài)下的測(cè)量情況，并分析對(duì)故障的補(bǔ)償方式，當(dāng)判定某一路閥電流測(cè)量異常時(shí)，首先對(duì)此路閥電流對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸入0V對(duì)應(yīng)的數(shù)字值，使此路閥電流輸出盡量接近于0，或穩(wěn)定在某一固定值，或盡量減小波動(dòng)幅值和頻率。

表1 故障模式表

異常電流測(cè)量值為恒值、動(dòng)態(tài)值或?yàn)檎袷?、抖?dòng)信號(hào)時(shí)，均可由其它2路閥電流值對(duì)異常電流值進(jìn)行補(bǔ)償。如果抖動(dòng)信號(hào)頻率低于采樣頻率，可以有效控制；如果抖動(dòng)頻率高于采樣頻率，伺服機(jī)構(gòu)性能下降；若電流測(cè)量值正常，但伺服機(jī)構(gòu)位置只有指令要求的2/3左右，需要引入線位移才能進(jìn)行故障判斷，并對(duì)3路閥電流同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；還有一種未列表中的情況是當(dāng)A/D采集電路發(fā)生故障時(shí)，電流測(cè)量值異常，但實(shí)際電流輸出正常，伺服機(jī)構(gòu)也正常工作，需要引入線位移才能進(jìn)行故障判斷，并且不需要對(duì)閥電流進(jìn)行補(bǔ)償。

3 三冗余控制方法實(shí)現(xiàn)

本方案采用的不是完全的、硬件架構(gòu)上的三冗余平臺(tái)，所以余度控制邏輯需要軟件配合實(shí)現(xiàn)，因此要綜合考慮硬件可靠性、軟件可靠性和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。航天產(chǎn)品一般選用可靠性高的元器件以提高硬件可靠性；控制邏輯過于復(fù)雜會(huì)降低軟件可靠性；由于相位指標(biāo)嚴(yán)格，伺服控制對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，判斷條件過多、邏輯嵌套過深會(huì)嚴(yán)重影響控制的實(shí)時(shí)性。權(quán)衡多種約束條件，絕大多數(shù)故障模式是可以通過閥電流進(jìn)行判斷的，因此不再用線位移作為判斷條件，所以閥線圈短路、采樣電阻斷路的故障模式無法通過檢測(cè)進(jìn)行處理，但可以通過PID的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行一定的補(bǔ)償，并且即使不采用故障冗余控制方法，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成同樣的影響，因此不會(huì)降低可靠性。

A/D轉(zhuǎn)換器采集故障是采用了冗余控制方法引入的新故障，針對(duì)此問題，對(duì)A/D采集值的有效性進(jìn)行判斷，例如，A/D轉(zhuǎn)換器的量程為-10～+10V，但閥電流值實(shí)際對(duì)應(yīng)的采集電壓只在-1.5～+1.5V，如果A/D采集值不在實(shí)際電壓范圍內(nèi)，則不進(jìn)行補(bǔ)償控制，以盡量減小A/D轉(zhuǎn)換器異常的影響。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 三余度控制流程圖

設(shè)計(jì)原理：實(shí)際工作中，控制系統(tǒng)周期性向伺服控制器發(fā)送控制指令，伺服控制器進(jìn)行周期性閉環(huán)處理，并向伺服閥線圈輸出閥電流，使伺服機(jī)構(gòu)按控制指令要求動(dòng)作；控制器每周期將本周期的電流測(cè)量值與上一周期的線圈指令進(jìn)行比較，并進(jìn)行多點(diǎn)判斷，濾除毛刺和干擾等信號(hào)，如果某一路電流誤差值連續(xù)N個(gè)周期超出設(shè)計(jì)閾值1時(shí)，認(rèn)為該路電流發(fā)生異常，則啟動(dòng)一路故障冗余機(jī)制；由于硬件設(shè)計(jì)中，單獨(dú)一路功放電路具備獨(dú)立控制伺服機(jī)構(gòu)的能力，所以此控制方法可以補(bǔ)償2度閥線圈斷路故障，但為了不輕易判定為2度故障，將閾值適當(dāng)放大調(diào)整為閾值2，目的是在已經(jīng)判定1度故障的情況下，更加謹(jǐn)慎的判定2度故障，如果其它2路中的某一路電流誤差超過閾值2，則啟動(dòng)二路故障冗余機(jī)制，并且不再判定第3路故障。

如圖3定義，伺服控制器3路閥線圈的D/A通道分配的數(shù)字指令分別為I1，I2，I3。發(fā)生故障后，3路閥線圈的閥電流異常測(cè)量值為Ia1，Ia2，Ia3。本周期閥電流測(cè)量值與上一周期閥線圈指令之差的上限為閾值Ith1，Ith2。在每個(gè)DSP定時(shí)中斷中，先通過A/D采集閥電流Im1，Im2，Im3，并判斷本周期控制指令與上一周期控制指令是否發(fā)生變化：如果發(fā)生變化，則異常次數(shù)寄存器清零，否則寄存器保持原值。進(jìn)行PID計(jì)算，得出待分配的數(shù)字指令I(lǐng)。判斷電路是否已發(fā)生故障，如果沒有發(fā)生故障，則判斷3個(gè)閥電流是否有超差；如果已發(fā)生故障，需要調(diào)高閾值為Ith2。如果已經(jīng)是2通道故障，則直接執(zhí)行2通道故障處理算法；如果不是2通道故障，則繼續(xù)判斷其他2個(gè)閥電流是否有超差：如果閥電流無超差，則異常次數(shù)寄存器清零，執(zhí)行無故障處理算法；如果電流值超差，但測(cè)量值超量程，認(rèn)為測(cè)量錯(cuò)誤，如果量測(cè)值不超量程，則異常次數(shù)寄存器累加，如次數(shù)未溢出，則執(zhí)行無故障處理算法，如果次數(shù)溢出，則標(biāo)記故障通道，執(zhí)行相應(yīng)的故障處理算法。

為了清晰表示，按3路閥線圈匝數(shù)完全相同的理想狀態(tài)計(jì)算，不考慮線圈實(shí)際匝數(shù)差異加入的修正系數(shù)，故障補(bǔ)償算法如下：

1通道故障補(bǔ)償算法：以第1路故障為例，當(dāng)|Im1-I1|>Ith1時(shí)：

I1=0；

I2=[I-Ia1]/2；

I3=[I-Ia1]/2；

2通道故障補(bǔ)償算法：以當(dāng)?shù)?路故障后，檢測(cè)到第2路故障為例，當(dāng)|Im2-I2|>Ith2時(shí)：

I1=0；

I2=0；

I3=I-Ia1-Ia2。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在伺服系統(tǒng)中搭建故障模擬平臺(tái),采用硬件故障注入方式，對(duì)三余度控制邏輯進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。由于功放電路中各元器件的故障模式均可表現(xiàn)為閥電流輸出低端電壓值異常，并且電壓值無論是固定值還是變化值，硬件設(shè)計(jì)都被限制在一定范圍之內(nèi)，所以如圖6所示，在功放的正向輸入端串接電阻，輸入可調(diào)電壓值，使閥電流低端輸出異常電壓來模擬各類由元器件引起的故障模式；功放電路輸出端通過轉(zhuǎn)接箱連接閥線圈，模擬閥線圈的斷路故障。

圖6 故障注入示意圖

如果加入的故障電壓與指令電壓之差不超過判斷閾值，則不會(huì)執(zhí)行補(bǔ)償策略，所以，在進(jìn)行大角度正弦位置特性測(cè)試時(shí)，如果在0位附近斷開1路閥線圈，其它2路閥電流并不會(huì)立刻得到補(bǔ)償，只有當(dāng)指令超過閾值時(shí)，其它2路才補(bǔ)償輸出，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)意圖；同樣2度故障補(bǔ)償也得到有效驗(yàn)證。由于補(bǔ)償后的總電流保持不變，所以在故障狀態(tài)下，頻率特性基本不受影響。

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，三余度控制方法符合設(shè)計(jì)意圖，在故障模式下能實(shí)現(xiàn)有效的閥電流補(bǔ)償，保障伺服系統(tǒng)性能。與以往研制的采用純硬件實(shí)現(xiàn)的三余度伺服控制方法相比，引入了智能檢測(cè)補(bǔ)償?shù)能洐C(jī)制，通過軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，在控制產(chǎn)品體積、重量、成本和控制實(shí)時(shí)性的前題下，提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于未能補(bǔ)償?shù)墓收夏Ｊ竭M(jìn)行了系統(tǒng)影響分析，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器失效率可以通過產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)進(jìn)行考核，在后續(xù)研制過程中，也可以選用性能更高的處理器平臺(tái)，引入線位移進(jìn)行更復(fù)雜的邏輯判斷；對(duì)于純硬件三冗余伺服控制器，可以在3個(gè)CPU之間建立數(shù)據(jù)交互，結(jié)合本文的軟控制方法，設(shè)計(jì)出更加智能化高可靠的伺服產(chǎn)品。

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DesignandVerificationofFaultDetectionandCompensationThreeRedundantServoControlMethod

Wang Shouhao, Chen Fei, Qiao Sen, Geng Shukun,Guo Yanhong, Wang Huaixia

Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076，China

Inordertomeettherequirementsofthewholedigitalsystemandensurethereliabilityofproducts,severaltechnologiesofthreeredundantcontrolarecomparativelyanalyzed,accordingtothecharacteristicsofmechanicalfeedbackservomechanism,byusingintelligenttechnologytoidentifyfailuremode,andtheinfluenceofdifferentfailuremodesisanalyzedfortheservosystem,theintelligentcontroltechnologyofhardwareandsoftwarecombinationisadopted,andanewtypeoftripleredundancyservocontrolmethodisdesigned.Bybuildingthesystemfaultsimulationtestplatform,theresultmeetsthedesignintent,whenthereisafaultmode,theperformanceoftheservosystemcanmeettherequirementsofthetask.Finally,thedevelopmentprospectofthethreeredundantservocontrolmethodisdiscussed.

Faultdetection；Threeredundant;Servocontrol;Designandverification

V448.122

A

1006-3242(2017)05-0087-05

2017-05-02

王首浩(1983-)，男，黑龍江慶安人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗欧刂萍夹g(shù)；陳飛(1979-)，男，湖北鐘祥人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐簤核欧夹g(shù)；喬森(1980-)，男，河南商丘人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗欧浖O(shè)計(jì)；耿樹鯤(1980-)，男，河北成安人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐簤核欧夹g(shù)；郭燕紅(1982-)，女，山東聊城人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗欧刂破髟O(shè)計(jì)；王懷俠(1990-)，女，山東臨沂人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗欧刂破髟O(shè)計(jì)。