CN101667023A - 基于cpld的电动执行机构故障优先级处理的装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理的装置及实现方法。它包括：比较器，光耦，CPLD，DSP，电机励磁功率模板，过温继电器，限位开关；电动执行机构主回路连接比较器两个输入引脚，比较器的输出引脚经过光耦连接到CPLD，电机励磁功率模块经过光耦连接到CPLD；限位开关经由光耦连接到CPLD，电机绕组中放置过温继电器经过光耦连接CPLD，CPLD连接DSP。选用CPLD中的n个74LS148组成优先编码器，对输入故障信号进行优先级处理。本发明降低了系统的设计复杂性，节省硬件空间，并具有运算简单、故障信号判断迅速、成本低等优点，实现了软件和硬件的双重保护，提高了系统的可靠性，实现高性能、多功能的应用，具有可移植性、时间性能和空间性能。

Description

基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理的装置及实现方法

技术领域

本发明涉及电动执行机构的故障处理技术，特别涉及一种采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现对电动执行机构多个故障进行优先级处理的逻辑控制装置及实现方法。

背景技术

电动执行机构广泛应用于各种工业自动化过程控制环节，是一个相当重要的基础设备。目前，在电动执行机构控制系统中，软件、硬件的可靠性和稳定性已经非常高，而电动执行机构的故障成为控制系统失效的主要原因，执行机构的故障诊断和故障保护越来越受到重视。随着电动执行机构正向数字化、智能化、网络化方向发展的趋势，电动执行机构复杂度的不断增加，对执行机构故障处理和保护的实时性、快速性要求几乎达到了苛刻的程度。电动执行机构现有的故障保护和处理方法主要是采用传统模拟控制器，对单个故障分别进行软件保护。针对电动执行机构故障较多，故障复杂的特点，基于优先级的任务调度策略利用软件保护的编程方式和代码重复利用，超循环的方式不能满足资源管理和系统的实时要求，系统带病运行，做出错误动作使故障范围扩大，影响整个系统，甚至给生产造成严重后果；实现相应功能的硬件实现成本高，可靠性低，技术不完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理的装置及实现方法，采用CPLD作为电动执行机构控制器的故障处理单元，根据故障信号的数量，选用CPLD中的n个74LS148组成优先编码器，对输入故障信号进行优先级处理。本发明降低了系统的设计复杂性，节省了硬件空间，并具有运算简单、故障信号判断迅速、成本低等优点，实现了软件和硬件的双重保护，提高了系统的可靠性，实现高性能、多功能的应用，具有良好的可移植性、时间性能和空间性能。

本发明提供的一种基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理的装置包括：比较器，光耦，CPLD，DSP，电机励磁功率模板，过温继电器，限位开关。

电机执行器主回路连接比较器两个输入引脚，比较器的输出引脚经过光耦连接到CPLD，电机励磁功率模块经过光耦连接到CPLD。限位开关经由光耦连接到CPLD。电机绕组中放置过温继电器经过光耦连接CPLD。CPLD连接DSP。

CPLD中包含n个74LS148芯片，将产生的x个电动执行机构故障信号由光耦的输出引脚和电机励磁功率模板输出引脚，按照优先级的顺序依次连接至CPLD中各74LS148译码器的0N，1N，2N，3N，4N，5N，6N，7N对应引脚。

所述的n个74LS148的引脚连接方式：按照优先级从高至低的连接顺序为：由第一个74LS148，第二个74LS148，......，第n个74LS148的7N、6N、5N、4N、3N、2N、1N、0N引脚。

所述的第一个74LS148的EIN接地，其余的第二个74LS148，......，第n个74LS148的的EIN引脚连接至上一级第n-1个74LS148的EON引脚，实现多个电动执行机构故障的优先级处理。

所述的74LS148的闲置输入引脚接电源。

本发明提供的一种基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理装置的实现方法包括的步骤：

1)根据电机的相数和所选择的功率模板所产生的x个故障信号，再经过光耦传给CPLD；

2)故障信号输入到复杂可编程逻辑器件(CPLD)，CPLD的n个74LS148译码器进行故障优先级的处理，经过对故障信号进行数据锁存、转换译码，经过CPLD译码后，产生的若干编码信号XFA依次输入至微处理器(DSP)的数据总线，Fault信号输入至DSP，DSP根据故障代码进行代码的识别和相应的逻辑控制。

所述的经过光耦传给CPLD故障信号为：执行器主回路电压和标准电平分别输入比较器，比较器输出电源过电压、欠电压信号。

电机励磁功率模块产生电机各相绕组的过流故障信号。

电机励磁功率模块产生的模块过温故障信号

限位开关输出电动执行机构开方向过力矩、电动执行机构关方向过力矩信号。

由过温继电器输出的电机过温信号。

本发明采用CPLD对电动执行机构的故障信号进行逻辑保护和控制，将电动执行机构可能出现的故障集中到CPLD进行统一的数字化的控制保护，实现对电动执行机构的可靠保护；本发明具有优先级的电动执行机构故障处理方法，可以实时的通过对采集的数据进行数字编码，实时的传送给执行部件；在发生故障时不需要实际的对任务优先级进行比较，只需按照优先级的排序，和控制器进行交互就可以执行相应的故障处理任务，由此对电动执行机构的故障及时的处理避免故障的范围扩大，可以从最大的程度上减小故障对系统和生产的影响。

本发明具有优先级的电动执行机构的故障处理方法，降低了系统的设计复杂性，节省了硬件空间，并具有运算简单、故障信号判断迅速、成本低等优点。同时，结合DSP对故障进行逻辑代码识别和控制，实现了软件和硬件的双重保护，提高了系统的可靠性，实现高性能、多功能的应用。这些排除故障的方法，采集适当的信号就可以实现对其他类型执行器的故障诊断，具有良好的可移植性、时间性能和空间性能。

附图说明

图1为采用CPLD作为电动执行机构控制器的故障处理单元原理示意图。

图2为利用CPLD实现电动执行机构故障优先级处理装置构成示意图。

图3为CPLD内部功能示意图。

图4为74LS148的真值表。

图5为CPLD处理故障的控制程序流程。

具体实施方式

将一台以四相8/6极开关磁阻电机作为动力源的电动执行机构为例对本发明进行说明。

四相8/6极开关磁阻电机作为动力源的电动执行机构的故障信号包括：电动执行机构开方向过力矩OPEN_Torque、电动执行机构关方向过力矩CLOSE_Torque、电机过热TH_M，AB相功率模块过热TH_ab、CD相功率模块过热TH_cd，电源电压过低LO_U，电源电压过高HI_U，AB相电流过流AB_FO、CD相电流过流CD_FO。故障信号输入CPLD进行数据锁存、转换译码，经过译码后接入CPU的数据总线，CPU根据故障代码进行代码的识别和相应的逻辑控制，如图1所示。

本发明装置结构图如图2所示，执行器主回路电压和主回路参考电压经过比较器1(LM339，德州)，由输出引脚输出电源过电压信号，经过光耦(SFH6156，VISHAY)2输出HI_U接至CPLD3(EPS7064S TC44-10，Altera公司)的B-19引脚；同理，欠电压信号经过光耦2输出LO_U接至CPLD 3的B-20引脚。

电机励磁功率模块4(FCAS50SN60，飞兆)RTH引脚输出反映AB相功率模块温度变化的电压信号U_THab，反映CD相功率模块温度变化的电压信号U_THcd。U_THab和U_THcd分别经过比较器1与模块参考电压进行比较，输出AB相功率模块过温信号，经过光耦2连接至CPLD_3的D-62引脚，CD相功率模块过温信号经过光耦2连接至CPLD3的D-64引脚。

电机励磁功率模块4的VFO引脚输出电机AB相绕组过流信号AB_FO和CD相绕组过流信号CD_FO，经过光耦2分别连接至CPLD 3的D_52引脚和C_37引脚。

限位开关(5E4 T125，SA)5输出执行器开方向过力矩OPEN_Torque信号、执行器关方向过力矩CLOSE_Torque信号，经过光耦2分别连接到CPLD3的C_33引脚和B_17引脚。

电机绕组中放置过温继电器(3UA，西门子)6，电机过温信号由过温继电器6输出，经过光耦2连接到CPLD3的C_46引脚。

CPLD 3经过对9个故障信号的逻辑译码，将产生的4位编码信号XFA1，XFA2，XFA3，XFA4，由引脚A_16，A_14，A_11，A_5输出，依次接至微处理器DSP(美国德州仪器，TMS320LF2407)7的数据总线的低四位(D₀-D₃)，Fault信号输入至DSP7的XINT引脚。

本发明的经过编程CPLD(EPS7064S TC44-10，Altera公司)内部功能图如图3所示，采用两个74LS148译码器进行故障优先级的处理。3-8译码器74148的真值表如图4所示。

CPLD的两个74LS148译码器组成优先编码器，共输入九个故障信号进行识别和译码。故障按照优先级从高到低的处理顺序排列为：电动执行机构关方向过力矩、电动执行机构开方向过力矩、AB相电流过流、CD相电流过流、电源电压过高、电源电压过低、AB相功率模块过热、CD相功率模块过热、电机过热。

当电动执行机构出现故障时，相应的故障信号将跳变为低电平。

电动执行机构开方向过力矩信号OPEN_Torque、电动执行机构关方向过力矩信号CLOSE_Torque分别输入第一个74LS148的6N，7N引脚，输出五位二进制编码EON、GSN、A0N、A1N、A2N。

电机过热故障信号TH_M，CD相功率模块过热信号TH_cd，AB相功率模块过热信号TH_ab，电源电压过低故障信号LO_U，电源电压过高故障信号HI_U，CD相电流过流故障信号AB_FO，AB相电流过流故障信号CD_FO和EON(1)，分别相应输入到3-8译码器第二个74LS148的1N、2N、3N、4N、5N、6N、7N、EIN引脚，3-8译码器第二个74LS148的引脚GSN、A0N，A1N，A2N输出四位二进制编码。

由第一个74LS148输出的GSN信号经过“非”门，由引脚XFA4输出，接入DSP的数据总线D₃位。第二个74LS148输出的GSN信号是电动执行机构运行过程中产生的Fault故障信号，当Fault信号为低电平时，CPLD关闭电机励磁PWM脉冲信号输出，电动停止工作。

其中，第一个74LS148的EON输入第二个74LS148的EIN引脚：电动执行机构开方向过力矩信号OPEN_Torque或电动执行机构关方向过力矩信号CLOSE_Torque为低电平时，第一个74LS148的EON输出高电平至第二个74LS148的EIN引脚，使得第二个74LS148的GSN输出低电平，即Fault故障信号为低电平，电动执行机构停止工作，由此实现了对电动执行机构多个故障的优先级处理。

另外，第一个74LS148的GSN信号与第二个74LS148的GSN信号经过“与”门，得到XFAULT信号接至功率电路。当且仅当九个输入的故障信号(OPEN_Torque、CLOSE_Torque、TH_M，TH_cd，TH_ab，LO_U，HI_U，AB_FO，CD_FO)都为高电平，即电动执行机构运行无故障时，第一个74LS148的GSN与第二个74LS148的GSN输出高电平，经过“与”运算输出XFAULT为高电平，功率电路允许输出PWM脉冲；否则，“与”门输出XFAULT信号为低电平，功率电路关闭PWM脉冲输出，电机停止运转，电动执行机构停止工作，CPLD起到保护电动执行机构的作用。

第一个74LS148输出的三位二进制编码A0N、A1N、A2N；第二个74LS148输出的三位二进制编码A0N、A1N、A2N。

第一个74LS148的A0N和第二个74LS148的A0N经过“与”门，产生XFA1信号；第一个74LS148的A1N和第二个74LS148的A1N经过“与”门，产生XFA2信号；第一个74LS148的A2N和第二个74LS148的A2N经过“与”门，产生XFA3信号。将XFA1信号、XFA2信号、XFA3信号接入DSP的数据总线的低三位(D₀-D₂)，DSP根据故障代码进行识别和相应的逻辑控制，DSP处理的控制程序流程如图5所示。

DSP经过初始化后，若未有中断，在运行过程中循环读取CPLD给出的XFA1，XFA2，XFA3，XFA4故障信号，通过四位编码识别故障后强行封锁PWM的信号，使之不产生PWM励磁脉冲，开关量输出当前故障信号。

Claims (7)

1、一种基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理的装置，其特征在于它包括：比较器，光耦，CPLD，DSP，电机励磁功率模板，过温继电器，限位开关；

电动执行机构主回路连接比较器两个输入引脚，比较器的输出引脚经过光耦连接到CPLD，电机励磁功率模块经过光耦连接到CPLD；限位开关经由光耦连接到CPLD，电机绕组中放置过温继电器经过光耦连接CPLD，CPLD连接DSP；

CPLD中由n个74LS148芯片组成，电动执行机构产生的x个故障信号分别由光耦的输出引脚和电机励磁功率模板输出引脚，按照优先级的顺序依次连接至CPLD中各74LS148译码器的对应引脚；所述的74LS148的闲置输入引脚接电源。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的n个74LS148的引脚连接方式：按照优先级从高至低的连接顺序为：由第一个74LS148，第二个74LS148，……，第n个74LS148的7N、6N、5N、4N、3N、2N、1N、0N引脚。

3、按照权利要求2所述的装置，其特征在于所述的第一个74LS148的EIN接地，其余的第二个74LS148，……，第n个74LS148的EIN引脚连接至上一级第n-1个74LS148的EON引脚。

4、一种权利要求1所述的基于CPLD的电动执行机构故障优先级处理装置的实现方法，其特征在于包括的步骤：

1)电动执行机构和作为动力源的电机励磁功率模板所产生的x个故障信号，再经过光耦传给CPLD；

2)故障信号输入到CPLD，CPLD的74LS148译码器进行故障优先级的处理，经过对故障信号进行数据锁存、转换译码，经过CPLD译码后，产生的若干编码信号XFA依次输入至微处理器(DSP)的数据总线，故障(Fault)信号输入至DSP，DSP根据故障代码进行代码的识别和相应的逻辑控制。

5、按照权利要求4所述的实现方法，其特征在于所述的经过光耦传给CPLD的故障信号为：电动执行机构主回路电压和标准电平分别输入比较器，比较器输出电源过电压、欠电压信号；

电机励磁功率模块产生电机各相绕组的过流故障信号；

电机励磁功率模块产生的模块过温故障信号；

限位开关输出执行器开方向过力矩、执行器关方向过力矩信号；

由过温继电器输出的电机过温信号。

6、按照权利要求4所述的实现方法，其特征在于所述的故障优先级的处理是从高到低的处理顺序排列：电动执行机构关方向过力矩、电动执行机构开方向过力矩、AB相电流过流、CD相电流过流、电源电压过高、电源电压过低、AB相功率模块过热、CD相功率模块过热、电机过热；具体程序步骤是：

当电动执行机构出现故障时，相应的故障信号将跳变为低电平；

电动执行机构开方向过力矩信号、电动执行机构关方向过力矩信号分别输入第一个74LS148的6N，7N引脚，输出五位二进制编码EON、GSN、A0N、A1N、A2N；

电机过热故障信号TH_M，CD相功率模块过热信号TH_cd，AB相功率模块过热信号TH_ab，电源电压过低故障信号LO_U，电源电压过高故障信号HI_U，CD相电流过流故障信号AB_FO，AB相电流过流故障信号CD_FO和EON(1)，分别相应输入到3-8译码器第二个74LS148的1N、2N、3N、4N、5N、6N、7N、EIN引脚，3-8译码器第二个74LS148的引脚GSN、A0N，A1N，A2N输出四位二进制编码；

由第一个74LS148输出的GSN信号经过“非”门，由引脚XFA4输出，接入DSP的数据总线D3位；第二个74LS148输出的GSN信号是电动执行机构运行过程中产生的Fault故障信号，当Fault信号为低电平时，CPLD关闭电机励磁PWM脉冲信号输出，电动停止工作；

其中，第一个74LS148的EON输入第二个74LS148的EIN引脚：电动执行机构开方向过力矩信号或电动执行机构关方向过力矩信号为低电平时，第一个74LS148的EON输出高电平至第二个74LS148的EIN引脚，使得第二个74LS148的GSN输出低电平，即故障(Fault)信号为低电平，电动执行机构停止工作；

另外，第一个74LS148的GSN信号与第二个74LS148的GSN信号经过“与”门，得到XFAULT信号接至功率电路，电动执行机构运行无故障时，第一个74LS148的GSN与第二个74LS148的GSN输出高电平，经过“与”运算输出XFAULT为高电平，功率电路允许输出PWM脉冲；否则，“与”门输出XFAULT信号为低电平，功率电路关闭PWM脉冲输出，电机停止运转，电动执行机构停止工作，CPLD起到保护电动执行机构的作用；

第一个74LS148输出的三位二进制编码A0N、A1N、A2N；第二个74LS148输出的三位二进制编码A0N、A1N、A2N；

第一个74LS148的A0N和第二个74LS148的A0N经过“与”门，产生XFA1信号；第一个74LS148的A1N和第二个74LS148的A1N经过“与”门，产生XFA2信号；第一个74LS148的A2N和第二个74LS148的A2N经过“与”门，产生XFA3信号；将XFA1信号、XFA2信号、XFA3信号接入DSP的数据总线的低三位(D₀-D₂)，DSP根据故障代码进行识别和相应的逻辑控制；

DSP经过初始化后，若未有中断，在运行过程中循环读取CPLD给出的XFA1，XFA2，XFA3，XFA4故障信号，通过四位编码识别故障后强行封锁PWM的信号，使之不产生PWM励磁脉冲，开关量输出当前故障信号。

7、按照权利要求6所述的实现方法，其特征在于所述的电动执行机构动力源电机为四相8/6极开关磁阻电机。

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