基于DSP的雙余度電液伺服控制器的設計

0 引言

電液伺服系統是大型控制系統的執行機構，它的工作原理是根據控制系統的指令信號，通過(guò)電液伺服控制器來(lái)控制電液伺服閥的開(kāi)度，進(jìn)而控制油缸活塞的位置，來(lái)驅動(dòng)執行機構，在工業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。電液伺服控制器是電液伺服系統的重要組成部分，是完成各種伺服控制算法，實(shí)現電液伺服系統實(shí)時(shí)運動(dòng)控制的關(guān)鍵。對于有較高可靠性要求的電液伺服系統，單純提高電子元器件的可靠性是遠遠不能達到要求的，必須采用余度方式。余度方式就是利用硬件或軟件冗余提高系統運行可靠性的一種方法，這種方法雖然會(huì )降低系統的基本可靠性，但能夠達到提高系統的任務(wù)可靠性的目的。

1 系統架構

1.1 系統組成

電液伺服系統組成如圖1所示。電液伺服系統由控制器、液壓功率驅動(dòng)裝置(PDU)、旋轉作動(dòng)器(GAR)、機械組件和相應傳感器構成?？刂破骱蚉DU為電氣連接;PDU和GAR為機械連接。PDU和GAR中各包含一個(gè)角位移傳感器(RVDT)，用于測量PDU和GAR的旋轉角度，由于 PDU和GAR為同軸連接，其旋轉角度理論上完全一致，故這兩個(gè)RVDT也用于互比監控。P DU中包含一個(gè)測速傳感器，用于監控系統是否超速運行。GAR的機械組件上設置有超行程微動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于檢測GAR是否超過(guò)設定的旋轉角度。

控制器根據控制曲線(xiàn)對GAR進(jìn)行控制，在GAR運動(dòng)過(guò)程中通過(guò)PDU和GAR上的RVDT檢測運動(dòng)角度。當GAR偏轉到設定的減速角度時(shí)，控制器根據該反饋信號減少指令輸出;當GAR偏轉到設定的停止角度時(shí)，控制器根據該反饋信號停止指令輸出。

1.2 雙余度方案選擇

對于雙余度系統，一般包括簡(jiǎn)單獨立雙余度、基于交叉增強的獨立雙余度和基于模型監控的獨立雙余度三種構型。三種雙余度構型示意見(jiàn)圖2、三種雙余度構型對比見(jiàn)表1。

1)簡(jiǎn)單獨立雙余度系統結構依靠自身硬件的自監控策略，故障檢測覆蓋率小于1，因此其不適用于安全關(guān)鍵系統，但采用松耦合方式，較高的系統可用性而適用于任務(wù)系統。因其硬件資源消耗最少，其基本可靠性也是最高的，通過(guò)對輸入環(huán)節、控制解算環(huán)節和輸出環(huán)節進(jìn)行完善的自監控及BIT設計，仍然可以使故障檢測覆蓋率接近于1;

2)基于交叉增強的獨立雙余度系統結構依靠交叉增強互比結合自監控電路可達到較高的故障檢測率，但硬件電路需成倍增加，基本可靠性降低，同時(shí)也增加了經(jīng)濟成本，在重量、體積等也要作出相應犧牲，其單通道故障檢測覆蓋率隨冗余硬件的增加會(huì )增加。

3)基于模型監控的獨立雙余度系統結構是在簡(jiǎn)單獨立雙余度容錯結構的基礎上增加模型監控，而模型監控依靠精確模型可對系統全過(guò)程參數進(jìn)行擇點(diǎn)監控，提高單通道的故障檢測覆蓋率。精確模型的建立則需要花費較高的代價(jià)，必須通過(guò)理論計算并結合試驗來(lái)完成。

根據以上要求及考慮，針對控制器可靠性需求和系統的余度配置策略，控制器采用如下的系統結構：

1)采用簡(jiǎn)單獨立雙余度容錯體系結構，實(shí)現系統一次故障工作;

2)采取完善的軟硬件白監控和BIT設計，提高單通道故障檢測覆蓋率;

3)采用熱備份的主/備工作方式，提高系統的可用性。

2 控制器設計

控制器原理框圖見(jiàn)圖3，采用簡(jiǎn)單獨立雙余度構型。每臺控制器機箱內包含2個(gè)相似余度通道，采用主/備式松耦合的工作方式，備份形式為熱備份，運行相同軟件。通道內處理器模塊通過(guò)局部總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)接口模塊。

每個(gè)通道的組成圖見(jiàn)圖4，包括主控組件、接口組件和電源組件。

主控組件完成指令接收、控制律解算、通道故障邏輯和BIT等工作;接口組件完成信號調理、信號隔離、V/I轉換和指令輸出等工作;電源模塊將外部供電轉換為控制器內部使用的5 V、±15 V和7V/1800Hz等二次電源。

主控組件采用高性能DSP芯片TMS320C6415作為核心處理器，該處理器是高性能的定點(diǎn)DSP，可用于復雜控制算法和數據處理算法的實(shí)現;本控制器設置DSP主頻為480 MHz;接口組件中，模擬量通過(guò)求差比例變換、濾波等處理后進(jìn)行A/D轉換，通過(guò)精密壓控電流源電路，輸出-20mA～+20mA直流電流控制PDU的伺服閥的開(kāi)閉程度;電源組件由+5VDC功率轉換單元、者±15VDC功率轉換單元、1800Hz信號發(fā)生器、1800Hz AC功率轉換單元等幾個(gè)功能單元組成。

3 余度管理策略

3.1 故障管理

故障綜合是將整個(gè)系統所發(fā)生的全部故障(包括各功能單元的瞬態(tài)故障及永久故障)逐一進(jìn)行分類(lèi)、登記，并根據預先制定的綜合準則，實(shí)施申報等級的劃分與顯示方案的處理。故障按照嚴重程度可分為一般故障和嚴重故障，按照時(shí)間特性可分為瞬時(shí)故障和永久故障。

針對永久和瞬時(shí)故障的特點(diǎn)設計相應故障過(guò)濾器。故障過(guò)濾采用上下限計數方法，故障過(guò)濾的參數包括故障門(mén)限和每次故障采樣時(shí)間(監控器監控速率)。當故障數小于門(mén)限值時(shí)，將故障狀況進(jìn)行綜合后進(jìn)行記錄，同時(shí)繼續監控原故障點(diǎn)，不進(jìn)行通道切換。當故障數超過(guò)門(mén)限時(shí)，瞬態(tài)故障變?yōu)橛谰霉收?，此時(shí)按照預先設置的故障嚴重程度分類(lèi)，當此永久故障為一般故障時(shí)，將故障狀況進(jìn)行綜合后進(jìn)行記錄并上報，不進(jìn)行通道切換;當此永久故障為嚴重故障時(shí)，立即進(jìn)行通道切換操作，然后將故障狀況進(jìn)行綜合后進(jìn)行記錄并上報;如果切換后依然存在嚴重故障，則備份通道也切斷輸出，控制器僅保留監測通訊功能。

3.2 通道故障邏輯

控制器的主/備通道都有通道故障邏輯電路，各通道的通道故障邏輯根據本地通道狀態(tài)輸出控制器的狀態(tài)信息，用于接通/切斷控制器?？刂破鞯耐ǖ拦收线壿嬋鐖D5。

通過(guò)對軟件自監控信號、硬件監控信號、看門(mén)狗信號和另一通道有效信號的邏輯綜合處理，可以得出目前本通道的狀態(tài)，有效的通道將控制系統運行。通道故障邏輯設計切換為單向：當主通道有效時(shí)，由主通道控制系統運行;當主通道失效，切換到備份通道，由備份通道控制系統運行，期間即使主通道故障消失也不能再取得系統控制權。

3.3 工作模式

控制器包含正常工作模式和故障工作模式。

3.3.1 正常工作模式

正常工作模式下，系統由控制器主通道進(jìn)行控制，控制器備份通道處于熱備份隨動(dòng)狀態(tài)。

3.3.2 故障工作模式

故障工作模式包括：電氣一次故障工作模式，電氣兩次故障安全模式和超行程故障安全模式。

電氣一次故障工作模式：系統為雙余度配置，控制器由主通道進(jìn)行輸出控制，當出現一次電氣故障時(shí)，控制器將故障通道隔離，由正常的通道進(jìn)行控制，可以保證產(chǎn)品仍能正常工作且性能不下降。

電氣兩次故障安全模式：當產(chǎn)品出現兩次電氣故障，控制器切斷電磁閥供電，將PDU的供油切斷，使PDU的制動(dòng)器將液壓馬達輸出端制動(dòng)，進(jìn)而將GAR保持在當前位置。

超行程故障安全模式：當GAR偏轉角度超出設置行程時(shí)，超行程告警開(kāi)關(guān)觸發(fā)并發(fā)出告警信號，控制器根據該信號切斷電磁閥、伺服閥控制信號，將PDU的供油切斷，使PDU的制動(dòng)器將液壓馬達輸出端制動(dòng)，進(jìn)而將GAR保持在當前位置。

4 測試數據與分析

控制器在主通道和備份通道分別控制系統運轉時(shí)，輸出指令為-2mA、-5mA、-10mA、2mA、5mA和10mA時(shí)，在實(shí)驗室測試的數據見(jiàn)表2。

由于PDU的伺服閥存在零位偏移，可以看出正向轉動(dòng)速度要快于反向轉動(dòng)速度，在小電流情況下尤為明顯。從試驗結果可以看出，主通道和備份通道分別控制系統運轉時(shí)，GAR全行程時(shí)間一致，說(shuō)明控制器在一次故障情況下可以保證產(chǎn)品仍能正常工作且性能不下降。

5 結論

結合電液伺服系統的特點(diǎn)，提出一種以數字信號處理器TMS320C6415為核心的雙余度電液伺服控制器，實(shí)現系統控制、監控和故障管理等任務(wù)?；谕ǖ拦收线壿嫷闹?備工作方式，實(shí)現了一次故障工作、二次故障安全的目標，提高了系統的可靠性和安全性，適用于對可靠性和安全性要求較高的場(chǎng)合。