一種非相似余度位置信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

劉文虎 鄭繼敏 文軍

【摘? 要】針對(duì)新一代航空航天飛行器電動(dòng)伺服系統(tǒng)在強(qiáng)容錯(cuò)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(dòng)伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號(hào)檢測(cè)方法。簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)伺服系統(tǒng)原理，詳細(xì)闡述了雙冗余傳感器技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，并完成驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效提升電動(dòng)伺服系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和可靠性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)伺服系統(tǒng);非相似余度;容錯(cuò)

引言

近年來(lái)，隨著機(jī)械、電子、材料及控制理論等學(xué)科的快速發(fā)展，電動(dòng)伺服系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高功重、長(zhǎng)航時(shí)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電動(dòng)伺服系統(tǒng)主要是有控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工作軟件組成的一類反饋控制系統(tǒng)，是機(jī)電一體化集成先進(jìn)產(chǎn)品，其作為航空航天飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需實(shí)時(shí)采集舵面偏轉(zhuǎn)角作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)。采用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)伺服系統(tǒng)輸出的位置、力矩的檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)用于系統(tǒng)閉環(huán)控制，基于傳感器的位置信號(hào)檢測(cè)作為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)前電動(dòng)伺服系統(tǒng)在基于傳感器的位置信號(hào)檢測(cè)冗余設(shè)計(jì)上主要采用串聯(lián)式雙余度、并聯(lián)式雙余度及雙機(jī)并行工作等方式，為相似余度系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)傳感器軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、通信干擾等共態(tài)故障、通信異常等故障時(shí)，仍無(wú)法避免控制系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障[3]。為滿足新一代航空航天飛行器電動(dòng)伺服系統(tǒng)的強(qiáng)容錯(cuò)性、高可靠要求，本文提出了一種電動(dòng)伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號(hào)檢測(cè)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(dǎo)電塑料電位計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)，在檢測(cè)信號(hào)輸出方面采用雙DSP冗余設(shè)計(jì)完成對(duì)兩類傳感器輸出的數(shù)字和模擬信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)了位置信號(hào)檢測(cè)的非相似余度設(shè)計(jì)，消除共態(tài)故障和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤對(duì)控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步提升電動(dòng)伺服系統(tǒng)的容錯(cuò)性、可靠性。

1.電動(dòng)伺服系統(tǒng)原理

電動(dòng)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(jī)構(gòu)和電纜，工作軟件裝載于控制器的數(shù)字信號(hào)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(hào)，位置傳感器輸出的位置反饋信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(jìn)行綜合解算后形成控制信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器輸出控制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路綜合控制信號(hào)、電機(jī)霍爾輸出信號(hào)進(jìn)行綜合邏輯解算，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，伺服電機(jī)通過(guò)減速器減速后帶動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制力矩，進(jìn)而改變飛行器的飛行姿態(tài)。電動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)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(jì)等共態(tài)缺陷，位置傳感器采用非相似余度設(shè)計(jì)技術(shù)，將磁敏式的數(shù)字傳感器和接觸式導(dǎo)電塑料電位計(jì)進(jìn)行串行設(shè)計(jì)，在檢測(cè)信號(hào)輸出方面采用數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)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(dǎo)電塑料傳感器，是一種具有精確電子、機(jī)械輸出的高精密電位器，具有線性精度高、旋轉(zhuǎn)壽命長(zhǎng)、平滑性和分辨率優(yōu)等特點(diǎn)，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(dǎo)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(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)簧片在導(dǎo)電軌上滑動(dòng)，通過(guò)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(jì)的傳感器，由于該類型傳感器具有可靠性高、測(cè)角范圍廣等特點(diǎn)，近年來(lái)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(guò)外圍電路實(shí)現(xiàn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)CAN總線接口輸出。在芯片內(nèi)部有兩對(duì)傳統(tǒng)平面霍爾元件（圖4中藍(lán)色區(qū)域），這兩對(duì)霍爾元件相互正交;還有一個(gè)集磁片IMC（圖4中黃色區(qū)域）。

B//將在BX//和BY//兩個(gè)分量方向上分別測(cè)量，芯片通過(guò)IMC集磁片將這兩個(gè)平行于芯片表面的分量變換為與之成正比的兩個(gè)垂直方向上的分量（分別為BX⊥和BY⊥），再通過(guò)芯片中可以感應(yīng)垂直方向磁場(chǎng)的傳統(tǒng)平面霍爾元件，來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的這兩個(gè)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(chǎng)B//。當(dāng)磁鐵在芯片表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 芯片傳感器部分將產(chǎn)生兩個(gè)正交的差分信號(hào)（如圖5所示），通過(guò)一個(gè)差分的全模擬處理鏈進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理的模擬信號(hào)由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給微處理器模塊，該模塊將兩個(gè)原始的霍爾信號(hào)用式（1）計(jì)算出角度位置信號(hào)：

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

3.冗余檢測(cè)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(gè)數(shù)字信號(hào)處理器， 主DSP與從DSP分別接受數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，針對(duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)采用不同的接收處理程序，分別完成位置信號(hào)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(hào)，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(dāng)系統(tǒng)工作過(guò)程中主DSP出現(xiàn)故障時(shí)，迅速切換到從DSP進(jìn)行系統(tǒng)控制。

針對(duì)數(shù)字式傳感器信號(hào)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使用CAN總線開發(fā)的器件使用簡(jiǎn)單。本文數(shù)字傳感器采用的CAN總線通信方式。針對(duì)模擬式傳感器信號(hào)的傳輸，本文使用DSP外掛A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接對(duì)-10V～+10V模擬量信號(hào)進(jìn)行采集處理。

系統(tǒng)的硬件原理框圖見(jiàn)圖6。

本文采用的雙DSP冗余技術(shù)為熱備份結(jié)構(gòu)，當(dāng)主DSP正常工作時(shí)，從DSP處于備份狀態(tài)，隨時(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)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(cè)技術(shù)的關(guān)鍵在于主從DSP的同步性、故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性及冗余切換設(shè)計(jì)上，算法設(shè)計(jì)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(cè)模塊，系統(tǒng)運(yùn)行見(jiàn)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(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成數(shù)據(jù)采集后主從DSP進(jìn)行CPU同步和數(shù)據(jù)交互，然后進(jìn)行主從DSP互檢，根據(jù)互檢結(jié)果確定是否進(jìn)行冗余切換，冗余切換流程見(jiàn)圖8。

4.驗(yàn)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(jiàn)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(wú)故障，系統(tǒng)以主DSP進(jìn)行控制，無(wú)需冗余切換。

當(dāng)系統(tǒng)數(shù)字傳感器、數(shù)字通信鏈路或主DSP異常時(shí)，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(jiàn)圖10，系統(tǒng)切換到從DSP進(jìn)行工作，保證系統(tǒng)正常工作。

5.結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)伺服系統(tǒng)在強(qiáng)容錯(cuò)性、高可靠性等方面的要求，提出了一種電動(dòng)伺服系統(tǒng)非相似余度位置信號(hào)檢測(cè)方法，能對(duì)DSP、位置傳感器、信號(hào)傳輸電路進(jìn)行檢測(cè)和故障判斷，該系統(tǒng)具有較好的容錯(cuò)能力，可保證系統(tǒng)連續(xù)可靠工作。

參考文獻(xiàn)

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