一種雙餘度舵機系統和控制方法
2023-06-21 15:51:51 1
專利名稱：一種雙餘度舵機系統和控制方法
技術領域：
本發明涉及一種雙餘度舵機系統和控制方法。
背景技術：
舵機控制系統是飛行系統的一個重要執行機構，舵機控制器可以控制舵面的偏轉，從而控制著飛行姿態的變化，實現偏航、翻轉。目前，舵機餘度控制系統發展迅速，成果顯著。公開號為CN101799689A的專利《雙餘度舵機控制器》採用了雙餘度設計，但控制器只對功率驅動電路進行了餘度備份，未進行故障診斷和隔離，從而在故障狀態下，影響舵機系統整體性能。發表於《微電機》的文章《雙餘度舵機控制系統設計》介紹了基於DSP和CPLD的雙餘度舵機控制系統，但對雙餘度系統的設計並未詳細給出，並對系統故障診斷和隔離上未作介紹，不能實現對系統故障的診斷和隔離，影響系統的可靠性。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種雙餘度舵機系統，在正常情況下，能夠完成正常的舵面位置跟隨給定信號，在驅動裝置一餘度出現故障時，能夠實時檢測出故障點並進行隔離，在單通道下，完成舵面跟蹤功能，從而提高舵機系統的可靠性。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括冗餘驅動控制器、雙餘度無刷直流電機和舵面。冗餘驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙餘度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。其中，冗餘驅動控制器包括舵面位置反饋調理單元、舵面位置給定接收單元、DSP單元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流採集單元、過流保護輔助單元和電源系統單元。舵面位置給定接收單元將舵面位置給定信號輸入DSP單元，舵面位置反饋調理單元將雙餘度位置傳感器測得的兩路舵面位置反饋信號輸入DSP單元，DSP單元分別控制雙餘度無刷直流電機兩個繞組的佔空比信號。CPLD單元將佔空比信號和雙餘度無刷直流電機的兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙餘度無刷直流電機的兩個繞組運轉的調製換向信號，經隔離電路單元和功率驅動單元，控制雙餘度無刷直流電機運行。在功率驅動單元採集雙餘度無刷直流電機的母線電流，經過流保護輔助單元，將母線電流與預先設定的過流閾值相比較，若母線電流大於預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小於等於預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP單元中。當電機出現過流故障時，DSP單元檢測過流信號為低，則關斷佔空比信號，從而排除過流故障。電流採集單元採集功率驅動單元上雙餘度無刷直流電機繞組的母線電流和相電流，並將母線電流和相電流濾波後輸入DSP單元。電源系統單元接收兩個控制電源，經二極體將兩個電源並聯在一起，向舵面位置反饋調理單元、舵面位置給定接收單元、DSP單元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流採集單元、過流保護輔助單元供電，電源系統單元接收兩個驅動電 源，給功率驅動單元供電。
所述的雙餘度無刷直流電機的定子繞組為兩套在空間上電角度互差30°的Y型連接的繞組構成，兩套繞 組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為餘度，雙餘度無刷直流電機共用一個永磁體轉子。雙餘度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為餘度。本發明還提供上述裝置的控制方法，包括以下步驟第一步採集兩路舵面位置反饋信號，並進行AD轉化。第二步若兩路舵面位置反饋信號的差值小於預先設定的誤差閾值，則進入第四步，否則進入第三步。第三步若一路舵面位置反饋信號大於位置傳感器的量程最大值，或小於其量程最小值，則診斷該路位置傳感器故障，將另一路位置傳感器的舵面位置反饋信號賦值給位置反饋，進入第五步，否則進入第四步。第四步位置反饋等於兩路舵面位置反饋信號之和除以二。第五步採集雙餘度霍爾傳感器信號，若一路霍爾傳感器信號為000或111，則診斷該路霍爾傳感器故障，否則進入第六步。第六步採集各餘度繞組母線電流和相電流。第七步若一路繞組母線電流大於預先設定的短路閾值，則開始短路計時，若短路計時大於預先設定的短路上限閾值，則診斷該路繞組為短路故障，進入第十步。若一路繞組母線電流大於電機最小工作電流，且小於預先設定的標準0位電流下限，則開始斷路計時，若斷路計時大於預先設定的斷路上限閾值，則診斷該路繞組為斷路故障，進入第十步。否則進入第八步。第八步採集舵面位置給定信號，並進行AD轉化。第九步若位置環計數器的值大於位置環周期閾值，則將位置環計數器清零，根據舵面位置給定和舵面位置反饋進行位置環PID計算，然後將位置環計數器的值加I ;否則直接將位置環計數器的值加I。第十步若一路繞組短路故障或斷路故障或對應的該路霍爾傳感器故障，則將該路佔空比置為0，將另一路電流環給定作為位置環輸出，反饋為母線電流，進行電流環PID運算，得到的電流環PID輸出傳給DSP，產生佔空比信號，返回第一步，否則進入第十一步。第十一步兩路電流環給定分別為位置環輸出的一半，反饋為各自的母線電流，經過各自的電流環PID運算，運算結果輸入DSP，分別產生各自的佔空比信號，返回第一步。本發明的有益效果是本發明採用冗餘技術，將舵機驅動裝置中容易損壞的機構進行了熱備份，在正常工作情況下，使相應的部件工作在額定功率運行的一半，提高了驅動裝置的壽命和可靠性。當驅動裝置某一個餘度出現故障時，能夠使驅動裝置切換至單通道模式下運行，確保舵機正常工作。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖I為舵機冗餘驅動裝置結構。圖中，I一冗餘驅動控制器，2一航機，3一航面圖2為冗餘驅動控制器結構
圖中，4一雙餘度無刷直流電機，5—舵面位置反饋調理單元，6—舵面位置給定接收單兀，7一DSP單兀，8一電流米集單兀，9一過流保護輔助單兀，10一電源系統單兀，11 一CPLD單兀，12一隔尚電路單兀，13一功率驅動單兀。圖3，雙餘度航機系統控制方法。
具體實施例方式如圖I所示，本發明包括冗餘驅動控制器部分I、舵機部分2和舵面部分3。冗餘驅動控制器部分I接收舵面位置給定信號，經過控制方法控制，驅動舵機中的雙餘度無刷直流電機4工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。在本發明中，將控制電源、驅動電源、電機繞組、電機霍爾傳感器、位置傳感器、功率驅動單元進行備份設計。其中，冗餘驅動控制器部分I包括舵面位置反饋調理單元5、舵面位置給定接收單 元6、DSP單元7、CPLD單元11、隔離電路單元12、功率驅動單元13、電流採集單元8、過流保護輔助單元9和電源系統單元10。舵面位置給定接收單元6將舵面位置給定信號(0 10V)縮小1/3，輸入DSP單元7的AD埠，進行模數轉換，舵面位置反饋調理單元5將舵面位置反饋信號(由雙餘度位置傳感器測得的兩路0 IOV位置信號)縮小1/3，輸入DSP單元7的AD埠，進行模數轉換，通過控制程序調節，經DSP單元7的事件管理器，輸出分別控制雙餘度無刷直流電機4兩個繞組的佔空比信號。CPLD單元11將佔空比信號和雙餘度無刷直流電機4兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙餘度無刷直流電機4兩個繞組運轉的調製換向信號，經隔離電路單元12和功率驅動單元13，控制雙餘度無刷直流電機4運行。在功率驅動單元13，採集雙餘度無刷直流電機4的母線電流，經過流保護輔助單元9，將母線電流與預先設定的過流閾值(在本樣機中，預先設定的過流閾值為20A)相比較，若母線電流大於預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小於等於預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP單元7中。當雙餘度無刷直流電機4出現過流故障時，DSP單元7檢測過流信號為低，則關斷佔空比信號，從而排除過流故障。電流採集單元8採集功率驅動單元13上雙餘度無刷直流電機4繞組的母線電流和相電流，並將母線電流和相電流濾波後輸入DSP單元7。電源系統單元10接收兩個控制電源，經二極體將兩個電源並聯在一起，向舵面位置反饋調理單元5、舵面位置給定接收單元6、DSP單元7、CPLD單元11、隔離電路單元12、功率驅動單元13、電流採集單元8、過流保護輔助單元9供電，電源系統單元10接收兩個驅動電源，給功率驅動單元13供電。舵機部分由雙餘度無刷直流電機單元和減速機組成。其中，雙餘度無刷直流電機4的定子繞組為兩套在空間上互差30°電角度的Y型連接的繞組構成，兩套繞組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為餘度，電機共用一個永磁體轉子。雙餘度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為餘度，合稱為雙餘度霍爾傳感器。雙餘度霍爾傳感器發出的信號稱為雙餘度霍爾信號。本發明的控制方法為第一步採集舵面位置反饋信號，並進行AD轉化。進入第二步。第二步若I餘度I舵面位置反饋-餘度2舵面位置反饋I <預先設定的誤差閾值(在本樣機中，預先設定的誤差閾值為3° )，則進入第七步，否則進入第三步。第三步若餘度I舵面位置反饋大於量程最大值(10V)，或餘度I舵面位置反饋小於量程最小值(-10V)，進入第四步。否則進入第五步。第四步診斷為餘度I位置傳感器故障，將餘度2舵面位置反饋值賦給位置反饋。進入第八步。第五步若餘度2舵面位置反饋大於量程最大值(10V)，或餘度2舵面位置反饋小於量程最小值(-10V)，進入第六步。否則進入第七步。第六步診斷為餘度2位置傳感器故障，將餘度I舵面位置反饋值賦給位置反饋。進入第八步。第七步位置反饋=(餘度I舵面位置反饋+餘度2舵面位置反饋)/2，進入第八
止/J/ o
第八步採集雙餘度霍爾傳感器信號。進入第九步。第九步若餘度I霍爾信號為000或111，則進入第十步，否則進入第十一步。第十步診斷為餘度I霍爾傳感器故障。進入第十一步。第十一步若餘度2霍爾信號為000或111，則進入第十二步，否則進入第十三步。第十二步診斷為餘度2霍爾傳感器故障。進入第十三步。第十三步採集各餘度繞組母線電流和相電流。進入十四步。第十四步若餘度I繞組母線電流大於預先設定的短路閾值(在本樣機中，預先設定的短路閾值為15A)，則進入第十五步，否則進入第十八步。第十五步餘度I短路計數器加I。進入第十六步。第十六步若餘度I短路計數器大於預先設定的短路上限閾值(在本樣機中，預先設定的短路上限閾值為10)，則進入第十七步，否則進入第十八步。第十七步診斷為餘度I繞組短路故障。進入第二十二步。第十八步若餘度2繞組母線電流大於預先設定的短路閾值(在本樣機中，預先設定的短路閾值為15A)，則進入第十九步，否則進入第二十二步。第十九步餘度2短路計數器加I。進入第二十步。第二十步若餘度2短路計數器大於預先設定的短路上限閾值(在本樣機中，預先設定的短路上限閾值為10)，則進入第二十一步，否則進入第二十二步。第二i^一步診斷為餘度2繞組短路故障。進入第二十二步。第二十二步若餘度I繞組母線電流大於雙餘度無刷直流電機最小工作電流下限(在本樣機中，雙餘度無刷直流電機最小工作電流下限為IOOmA)或餘度2繞組母線電流大於電機最小工作電流下限(在本樣機中，雙餘度無刷直流電機最小工作電流下限為100mA)，則進入第二十三步，否則進入第三十一步。第二十三步若餘度I繞組相電流小於預先設定的標準0位電流下限(在本樣機中，預先設定的標準0位電流下限50mA)，則進入第二十四步，否則進入第二十七步。第二十四步餘度I繞組斷路計數器加1，進入第二十五步。第二十五步若餘度I繞組斷路計數器的值大於預先設定的斷路上限閾值(在本樣機中，預先設定的斷路上限閾值為10)，則進入第二十六步，否則進入第二十七步。第二十六步診斷為餘度I繞組斷路故障。進入第三i^一步。第二十七步若餘度2繞組相電流小於預先設定的標準0位電流下限(在本樣機中，預先設定的標準0位電流下限50mA)，則進入第二十八步，否則進入第三十一步。
第二十八步餘度2繞組斷路計數器加1，進入第二十九步。第二十九步若餘度2繞組斷路計數器的值大於預先設定的斷路上限閾值(在本樣機中，預先設定的斷路上限閾值為10)，則進入第三十步，否則進入第三十一步。第三十步診斷為餘度2繞組斷路故障。進入第三i^一步。第三十一步採集舵面位置給定信號，並進行AD轉化。進入第三十二步。第三十二步若位置環計數器的值大於位置環周期閾值(在本樣機中，置環周期閾值為lms)，則進入第三十三步。否則進入第三十四步。第三十三步位置環計數器清零，根據舵面位置給定和舵面位置反饋進行位置環PID計算。進入第三十四步。
第三十四步位置環計數器的值加I.進入第三十五步。第三十五步若餘度I繞組短路故障或餘度I繞組斷路故障或餘度I霍爾傳感器故障，則進入第三十六步。否則進入第三十七步。第三十六步餘度I佔空比置為0，餘度2電流環給定為位置環輸出，反饋為餘度2母線電流，進行餘度2電流環PID運算，餘度2電流環PID輸出傳給DSP的事件管理器，產生餘度2佔空比信號。進入第一步。第三十七步若餘度2繞組短路故障或餘度2繞組斷路故障或餘度2霍爾傳感器故障，則進入第三十八步。否則進入第三十九步。第三十八步餘度2佔空比置為0，餘度I電流環給定為位置環輸出，反饋為餘度I母線電流，進行餘度I電流環PID運算，餘度I電流環PID輸出傳給DSP的事件管理器，產生餘度I佔空比信號。進入第一步。第三十九步餘度I和餘度2電流環給定分別為位置環輸出的一半，反饋為各自餘度的母線電流，經過各自餘度的電流環PID運算，運算結果輸入DSP各自的事件管理器，分別產生餘度I和餘度2的佔空比信號。進入第一步。
權利要求
1.一種雙餘度舵機系統，包括冗餘驅動控制器、雙餘度無刷直流電機和舵面，其特徵在於冗餘驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙餘度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號；其中，冗餘驅動控制器包括舵面位置反饋調理單元、舵面位置給定接收單元、DSP單元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流採集單元、過流保護輔助單元和電源系統單元，舵面位置給定接收單元將舵面位置給定信號輸入DSP單元，舵面位置反饋調理單元將雙餘度位置傳感器測得的兩路舵面位置反饋信號輸入DSP單元，DSP單元分別控制雙餘度無刷直流電機兩個繞組的佔空比信號，CPLD單元將佔空比信號和雙餘度無刷直流電機的兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙餘度無刷直流電機的兩個繞組運轉的調製換向信號，經隔離電路單元和功率驅動單元，控制雙餘度無刷直流電機運行，在功率驅動單元採集雙餘度無刷直流電機的母線電流，經過流保護輔助單元，將母線電流與預先設定的過流閾值相比較，若母線電流大於預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小於等於預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP單元中，當電機出現過流故障時，DSP單元檢測過流信號為低，則關斷佔空比信號，從而排除過流故障，電流採集單元採集功率驅動單元上雙餘度無刷直流電機繞組的母線電流和相電流，並將母線電流和相電流濾波後輸入DSP單元，電源系統單元接收兩個控制電源，經二極體將兩個電源並聯在一起，向舵面位置反饋調理單元、舵面位置給定接收單元、DSP單元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流採集單元、過流保護輔助單元供電，電源系統單元接收兩個驅動電源，給功率驅動單元供電。
2.根據權利要求I所述的雙餘度舵機系統，其特徵在於所述的雙餘度無刷直流電機的定子繞組為兩套在空間上電角度互差30°的Y型連接的繞組構成，兩套繞組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為餘度，雙餘度無刷直流電機共用一個永磁體轉子；雙餘度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為餘度。
3.—種權利要求I所述雙餘度舵機系統的控制方法，其特徵在於包括下述步驟 第一步採集兩路舵面位置反饋信號，並進行AD轉化； 第二步若兩路舵面位置反饋信號的差值小於預先設定的誤差閾值，則進入第四步，否則進入第三步； 第三步若一路舵面位置反饋信號大於位置傳感器的量程最大值，或小於其量程最小值，則診斷該路位置傳感器故障，將另一路位置傳感器的舵面位置反饋信號賦值給位置反饋，進入第五步，否則進入第四步； 第四步位置反饋等於兩路舵面位置反饋信號之和除以二； 第五步採集雙餘度霍爾傳感器信號，若一路霍爾傳感器信號為000或111，則診斷該路霍爾傳感器故障，否則進入第六步； 第六步採集各餘度繞組母線電流和相電流； 第七步若一路繞組母線電流大於預先設定的短路閾值，則開始短路計時，若短路計時大於預先設定的短路上限閾值，則診斷該路繞組為短路故障，進入第十步；若一路繞組母線電流大於電機最小工作電流，且小於預先設定的標準0位電流下限，則開始斷路計時，若斷路計時大於預先設定的斷路上限閾值，則診斷該路繞組為斷路故障，進入第十步；否則進入第八步； 第八步採集舵面位置給定信號，並進行AD轉化；第九步若位置環計數器的值大於位置環周期閾值，則將位置環計數器清零，根據舵面位置給定和舵面位置反饋進行位置環PID計算，然後將位置環計數器的值加I ;否則直接將位置環計數器的值加I ; 第十步若一路繞組短路故障或斷路故障或對應的該路霍爾傳感器故障，則將該路佔空比置為O，將另一路電流環給定作為位置環輸出，反饋為母線電流，進行電流環PID運算，得到的 電流環PID輸出傳給DSP，產生佔空比信號，返回第一步，否則進入第十一步； 第十一步兩路電流環給定分別為位置環輸出的一半，反饋為各自的母線電流，經過各自的電流環PID運算，運算結果輸入DSP，分別產生各自的佔空比信號，返回第一步。
全文摘要
本發明公開了一種雙餘度舵機系統和控制方法，冗餘驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙餘度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。本發明採用冗餘技術，將舵機驅動裝置中容易損壞的機構進行了熱備份，在正常情況下，能夠完成正常的舵面位置跟隨給定信號，在驅動裝置一餘度出現故障時，能夠實時檢測出故障點並進行隔離，在單通道下，完成舵面跟蹤功能，從而提高舵機系統的可靠性。
文檔編號B64C13/50GK102700706SQ20121017637
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者戴志勇, 李兵強, 林輝, 馬冬麒, 齊蓉 申請人:西北工業大學