一種非相似余度位置信號檢測技術(shù)

劉文虎 鄭繼敏 文軍

【摘? 要】針對新一代航空航天飛行器電動伺服系統(tǒng)在強容錯性、高可靠性等方面的要求，基于現(xiàn)有雙冗余技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種電動伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號檢測方法。簡要介紹了電動伺服系統(tǒng)原理，詳細闡述了雙冗余傳感器技術(shù)、硬件設(shè)計及軟件設(shè)計，并完成驗證試驗。試驗結(jié)果表明，該方法能有效提升電動伺服系統(tǒng)的容錯能力和可靠性，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】電動伺服系統(tǒng);非相似余度;容錯

引言

近年來，隨著機械、電子、材料及控制理論等學科的快速發(fā)展，電動伺服系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)、高功重、長航時等方面具有明顯優(yōu)勢，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電動伺服系統(tǒng)主要是有控制器、執(zhí)行機構(gòu)和工作軟件組成的一類反饋控制系統(tǒng)，是機電一體化集成先進產(chǎn)品，其作為航空航天飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，需實時采集舵面偏轉(zhuǎn)角作為反饋信號進行閉環(huán)控制，從而控制導彈的飛行姿態(tài)。采用傳感器實現(xiàn)對電動伺服系統(tǒng)輸出的位置、力矩的檢測，將檢測信號用于系統(tǒng)閉環(huán)控制，基于傳感器的位置信號檢測作為伺服系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的重要部分，其性能、可靠性直接影響航空航天飛行器的系統(tǒng)精度。

當前電動伺服系統(tǒng)在基于傳感器的位置信號檢測冗余設(shè)計上主要采用串聯(lián)式雙余度、并聯(lián)式雙余度及雙機并行工作等方式，為相似余度系統(tǒng)，當出現(xiàn)傳感器軟件設(shè)計、硬件設(shè)計、通信干擾等共態(tài)故障、通信異常等故障時，仍無法避免控制系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障[3]。為滿足新一代航空航天飛行器電動伺服系統(tǒng)的強容錯性、高可靠要求，本文提出了一種電動伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號檢測方法，表述的雙冗余傳感器高度融合磁敏式的數(shù)字式傳感器和接觸式導電塑料電位計設(shè)計技術(shù)，在檢測信號輸出方面采用雙DSP冗余設(shè)計完成對兩類傳感器輸出的數(shù)字和模擬信號采集，實現(xiàn)了位置信號檢測的非相似余度設(shè)計，消除共態(tài)故障和設(shè)計錯誤對控制系統(tǒng)帶來的影響，進一步提升電動伺服系統(tǒng)的容錯性、可靠性。

1.電動伺服系統(tǒng)原理

電動伺服系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成，硬件部分包括控制器、執(zhí)行機構(gòu)和電纜，工作軟件裝載于控制器的數(shù)字信號處理器（DSP）電路?？刂破麟娐方邮诊w行器控制裝置發(fā)出的指令信號，位置傳感器輸出的位置反饋信號經(jīng)信號處理電路，根據(jù)采集到的指令數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)進行綜合解算后形成控制信號，數(shù)字信號處理器輸出控制信號到電機驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路綜合控制信號、電機霍爾輸出信號進行綜合邏輯解算，驅(qū)動伺服電機按一定規(guī)律轉(zhuǎn)動輸出，伺服電機通過減速器減速后帶動操縱機構(gòu)偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制力矩，進而改變飛行器的飛行姿態(tài)。電動伺服系統(tǒng)的工作原理見圖1。

2.非相似余度傳感器技術(shù)

為滿足高可靠性要求，為避免傳感器可能出現(xiàn)的軟件、硬件設(shè)計等共態(tài)缺陷，位置傳感器采用非相似余度設(shè)計技術(shù)，將磁敏式的數(shù)字傳感器和接觸式導電塑料電位計進行串行設(shè)計，在檢測信號輸出方面采用數(shù)字信號和模擬信號兩種方式，非相似余度傳感器的組成如圖2所示，傳感器的三維外形如圖3所示。

接觸式傳感器采用精密導電塑料傳感器，是一種具有精確電子、機械輸出的高精密電位器，具有線性精度高、旋轉(zhuǎn)壽命長、平滑性和分辨率優(yōu)等特點，作為傳統(tǒng)類型傳感器在軍用、民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。精密導電塑料傳感器主要由轉(zhuǎn)軸、簧片、基體等組成，其工作原理為：當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時帶動簧片在導電軌上滑動，通過引線獲得可變電壓或電阻輸出。

數(shù)字式傳感器是利用霍爾效應(yīng)設(shè)計的傳感器，由于該類型傳感器具有可靠性高、測角范圍廣等特點，近年來在航空航天飛行器上得到廣泛采用。該傳感器的主體部件為霍爾感應(yīng)芯片和磁鐵，再通過外圍電路實現(xiàn)機械旋轉(zhuǎn)信號到電信號的轉(zhuǎn)換，并通過CAN總線接口輸出。在芯片內(nèi)部有兩對傳統(tǒng)平面霍爾元件（圖4中藍色區(qū)域），這兩對霍爾元件相互正交;還有一個集磁片IMC（圖4中黃色區(qū)域）。

B//將在BX//和BY//兩個分量方向上分別測量，芯片通過IMC集磁片將這兩個平行于芯片表面的分量變換為與之成正比的兩個垂直方向上的分量（分別為BX⊥和BY⊥），再通過芯片中可以感應(yīng)垂直方向磁場的傳統(tǒng)平面霍爾元件，來測量產(chǎn)生的這兩個垂直分量（BX⊥和BY⊥）。在芯片上方放置一顆徑向磁化的磁鐵，該磁鐵產(chǎn)生平行于芯片表面的磁場B//。當磁鐵在芯片表面轉(zhuǎn)動時， 芯片傳感器部分將產(chǎn)生兩個正交的差分信號（如圖5所示），通過一個差分的全模擬處理鏈進行處理，經(jīng)過處理的模擬信號由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給微處理器模塊，該模塊將兩個原始的霍爾信號用式（1）計算出角度位置信號：

微處理器根據(jù)計算得到的角度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過處理，以CAN總線數(shù)據(jù)格式輸出。

3.冗余檢測技術(shù)

3.1雙DSP冗余技術(shù)

雙DSP冗余技術(shù)采用并聯(lián)冗余方式，在系統(tǒng)控制上設(shè)置主DSP和從DSP兩個數(shù)字信號處理器， 主DSP與從DSP分別接受數(shù)字信號和模擬信號，針對數(shù)字信號和模擬信號采用不同的接收處理程序，分別完成位置信號等效轉(zhuǎn)換。在正常情況下，即為主DSP正常工作的情況下，系統(tǒng)采用主DSP接收數(shù)字傳感器反饋的數(shù)字信號，用于系統(tǒng)控制。在系統(tǒng)控制電上電后主DSP和從DSP均需要自檢和互檢，當系統(tǒng)工作過程中主DSP出現(xiàn)故障時，迅速切換到從DSP進行系統(tǒng)控制。

針對數(shù)字式傳感器信號的傳輸，通常采用SPI、I2C和CAN等數(shù)字通信接口，CAN總線具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強，成本低等優(yōu)點，同時使用CAN總線開發(fā)的器件使用簡單。本文數(shù)字傳感器采用的CAN總線通信方式。針對模擬式傳感器信號的傳輸，本文使用DSP外掛A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接對-10V～+10V模擬量信號進行采集處理。

系統(tǒng)的硬件原理框圖見圖6。

本文采用的雙DSP冗余技術(shù)為熱備份結(jié)構(gòu)，當主DSP正常工作時，從DSP處于備份狀態(tài)，隨時監(jiān)控主DSP的工作情況，一旦主DSP出現(xiàn)故障，立即切換到從DSP，相比單機運行系統(tǒng)的可靠度RS，雙DSP冗余系統(tǒng)的可靠度RD：

假設(shè)單機運行系統(tǒng)的可靠度RS=0.95，則雙DSP系統(tǒng)的可靠度RD =0.9975，系統(tǒng)可靠性得到較大提高。

3.2冗余切換技術(shù)

冗余檢測技術(shù)的關(guān)鍵在于主從DSP的同步性、故障檢測的實時性及冗余切換設(shè)計上，算法設(shè)計主要由數(shù)據(jù)接收采集、CPU同步、數(shù)據(jù)交互以及故障檢測模塊，系統(tǒng)運行見圖7，硬件系統(tǒng)上電完成后，主從DSP各自完成上電初始化和系統(tǒng)自檢，若自檢正常則進行進行數(shù)據(jù)采集，完成數(shù)據(jù)采集后主從DSP進行CPU同步和數(shù)據(jù)交互，然后進行主從DSP互檢，根據(jù)互檢結(jié)果確定是否進行冗余切換，冗余切換流程見圖8。

4.驗證情況

系統(tǒng)正常工作的情況下，主從DSP和系統(tǒng)輸出情況如見圖9，主從DSP和系統(tǒng)輸出基本一致，誤差較小，自檢和互檢均無故障，系統(tǒng)以主DSP進行控制，無需冗余切換。

當系統(tǒng)數(shù)字傳感器、數(shù)字通信鏈路或主DSP異常時，主DSP采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變，主從DSP和系統(tǒng)輸出情況如見圖10，系統(tǒng)切換到從DSP進行工作，保證系統(tǒng)正常工作。

5.結(jié)論

本文針對電動伺服系統(tǒng)在強容錯性、高可靠性等方面的要求，提出了一種電動伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號檢測方法，能對DSP、位置傳感器、信號傳輸電路進行檢測和故障判斷，該系統(tǒng)具有較好的容錯能力，可保證系統(tǒng)連續(xù)可靠工作。

參考文獻

[1]肖鵬斌.談雙余度電動舵機的余度策略及工程實現(xiàn)[J].工業(yè)科技， 2016（04）.

[2]張曉紅，丁喆，張安年. 雙冗余無刷直流電動機位置伺服系統(tǒng)仿真與試驗分析[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28（18）： 98-103.

[3]王敬.民用飛機余度作動系統(tǒng)可靠性研究[D].中國民航大學， 2012.