CN103956823B - 一种自动热备份系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动热备份系统，包括：主份取大电路，连接第二检测电路和第一误差放大器；第一误差放大器，连接所述主份取大电路、第一控制器以及第一反馈电路；第一控制器，连接所述第一误差放大器、第一反馈电路和第一检测电路；第一反馈电路，连接所述第一误差放大器和所述第一控制器；备份取大电路，连接第一检测电路和第二误差放大器；第二误差放大器，连接所述备份取大电路、第二控制器以及第二反馈电路；第二控制器，连接所述第二误差放大器、第二反馈电路和第二检测电路；第二反馈电路，连接所述第二误差放大器和所述第二控制器；所述第一控制器和所述第二控制器合并控制并输出被控量的实际输出值。

Description

一种自动热备份系统

技术领域

本发明涉及电信号备份领域，尤其涉及一种自动热备份系统。

背景技术

备份在工程中的应用起着很重要的作用，如涉及宇航、深海的电源系统等项目时，安全、稳定、可靠等因素是首要确保的前提条件，启用备份是较好的处理方案。主份与备份在整个系统的工作方式大致分为两种：一种是主份、备份独立运作，这种运作方式称之为冷备份；另一种是主份、备份互锁运作，这种运作方式称之为热备份。

冷备份处理方法简单，但是有如下缺陷：

当冷备份方式应用于电源技术中，主份或备份需要独立承担系统的被控对象如电压、电流、功率等。众所周知，电源技术在中、大功率的应用场合非常普遍，但冷备份处理方式在中、大功率场合应用中有着显著的劣势。

首先，电力电子器件是电源技术应用中的主要器件，目前MOS管的运用最为常见。通常MOS管作为主份、备份模块的启动开关。大功率应用场合，主份、备份切换瞬间时，MOS管的寄生电容放电，在开通瞬间必然会产生很高的尖峰电流。主份、备份切换的次数越多，冲击电流对器件造成的损害越大，易将器件烧坏。

其次，在大电压、大电流应用场合，为了确保安全可靠性，对系统的磁性元件、储能元件等要求将增大，这将加大项目成本。同时，由于需要承受较大的热应力与电应力，系统的寿命将会受到影响。

热备份的一般实现方式：

热备份方式即主份与备份同时承担任务，存在互锁控制。一般做法是通过逻辑电路实现的。需将检测到的主备份工作状态通过逻辑电路判断主备份是否故障，同时根据该判断通过选择电路发送主份、备份模块控制器的参考变量。该种设计思想比较直观，但是较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动热备份系统，主份的参考变量与备份的参考变量之和是固定的，且主份和备份形成互锁关系，使整个系统的被控量趋向设定的期望值，反应灵敏，使用寿命长。

本发明的技术方案是一种自动热备份系统，包括：

主份取大电路，连接第二检测电路和第一误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第二检测电路发出的备份被控量x1，接收ref/2，通过运算取大后，向第一误差放大器发送主份被控量基准ref1；

第一误差放大器，连接所述主份取大电路、第一控制器以及第一反馈电路，用于接收所述主份取大电路发出的主份被控量基准ref1，接收第一反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述主份被控量基准ref1与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第一控制器中；

第一控制器，连接所述第一误差放大器、第一反馈电路和第一检测电路，用于将主份被控量基准ref1与被控对象信息的差值调节为0，得到主份被控量的实际输出值，并将主份被控量的实际输出值发送到第一检测电路；

第一反馈电路，连接所述第一误差放大器和所述第一控制器，用于向所述第一误差放大器发送被控对象信息；

备份取大电路，连接第一检测电路和第二误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第一检测电路发出的备份被控量x2，接收ref/2，通过运算取大后，向第二误差放大器发送备份被控量基准ref2；

第二误差放大器，连接所述备份取大电路、第二控制器以及第二反馈电路，用于接收所述备份取大电路发出的备份被控量基准ref2，接收第二反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述备份被控量基准ref2与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第二控制器中；

第二控制器，连接所述第二误差放大器、第二反馈电路和第二检测电路，用于将备份被控量基准ref2与被控对象信息的差值调节为0，得到备份被控量的实际输出值，并将备份被控量的实际输出值发送到第二检测电路；

第二反馈电路，连接所述第二误差放大器和所述第二控制器，用于向所述第二误差放大器发送被控对象信息；

所述第一控制器和所述第二控制器合并控制并输出被控量的实际输出值；

其中，所述被控量的基准值ref由系统设定，ref/2是ref通过分压电路或比例电路获得，所述被控对象为电流或电压。

电路上电后，主份取大电路接收被控量的基准值ref，同时接收第二检测电路发出的备份被控量x1，接收ref/2，通过运算取大后，向第一误差放大器发送主份被控量基准ref1，第一反馈电路将被控对象信息发送到第一误差放大器中，第一误差放大器放大主份被控量基准ref1与被控对象信息之间的差值，第一控制器通过多次调节，使主份被控量基准ref1与被控对象信息的数值相同，得到主份被控量的实际输出值，并将主份被控量的实际输出值发送到第一检测电路；第一检测电路检测主份被控量的实际输出值，并发出主份被控量x2到备份取大电路中，备份取大电路接收被控量的基准值ref，同时接收第一检测电路发出的主份被控量x2，接收ref/2，通过运算取大后，向第二误差放大器发送备份被控量基准ref2，第二反馈电路将被控对象信息发送到第二误差放大器中，第二误差放大器放大备份被控量基准ref2与被控对象信息之间的差值，第二控制器通过多次调节，使备份被控量基准ref2与被控对象信息的数值相同，得到备份被控量的实际输出值，并将备份被控量的实际输出值发送到第二检测电路中，第二检测电路检测备份被控量的实际输出值，并发出备份被控量x1到主份取大电路中。

通过上述工作原理可知，在整个工作流程过程中，主份被控量基准ref1由备份被控量实际输出值决定，而备份被控量基准ref2由主份被控量实际输出值决定，实现了主份和备份的互锁。如果主份或备份中其中一份损坏，比如备份模块损坏，则备份被控量实际输出值为零，备份被控量x1=0，则主份被控量基准ref1自动变为系统基准设定值ref，即ref1=ref，主份被控量实际输出值则决定实际系统被控量输出。本技术方案确保了系统的安全、可靠，相对于冷备份，它的优势是降低了系统的热应力与电应力，加强了系统的稳定性，能提高系统的寿命；参考变量的自动分配，方案简单且灵活有效；应用范围很广，只要被控对象是电信号，无论是电流还是电压，都可以采用该方案；精度高、反应灵敏，当主份或备份工作不正常时，及时终止不正常工作模块的运作。

进一步地，所述主份放大电路包括第一运算放大器，该第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1连接所述第二检测电路，所述运算放大器的正向输入端分别连接电阻R3和电阻R4，该电阻R4接地；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R5连接第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的正向输入端连接电阻R6，所述第二运算放大器的输出端通过第一二极管连接所述第一误差放大器；通过外部电源给所述第一运算放大器和所述第二运算放大器供电，所述第一运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R2连接。

主份被控量基准ref1满足以下公式：

y1=ref-x1

ref1=max（ref/2，y1）

其中，y1是第一运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x1为第二检测电路输出的备份被控量，ref1为主份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

以上公式说明了主份取大电路实现了主份被控量基准ref1由ref/2和ref-x1取大实现。系统稳定后，主备份都正常工作时，ref1=ref2=ref/2。

系统的安全、可靠，相对于冷备份，它的优势是降低了系统的热应力与电应力，加强了系统的稳定性，提高了系统的寿命。

进一步地，备份放大电路包括第三运算放大器，该第三运算放大器的反相输入端通过电阻R7连接所述第一检测电路，所述第三运算放大器的正向输入端分别连接电阻R9和电阻R10，该电阻R10接地；所述第三运算放大器的输出端通过电阻R11连接第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正向输入端连接电阻R12，所述第四运算放大器的输出端通过第二二极管连接所述第二误差放大器；通过外部电源给所述第三运算放大器和所述第四运算放大器供电，所述第三运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R8连接。

备份被控量基准ref2满足以下公式：

y2=ref-x2

ref2=max（ref/2,y2）

其中，y2是第三运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x2为第一检测电路输出的主份被控量，ref2为备份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

以上公式说明了备份取大电路实现了备份被控量基准ref2由ref/2和ref-x2取大实现。系统稳定后，主备份都正常工作时，ref1=ref2=ref/2；主份或备份故障时，ref1=ref或ref2=ref。

系统的安全、可靠，主份或备份故障时，正常工作的模块承担100%的被控量，加强了系统的稳定性，提高了系统的寿命。

进一步地，第一检测电路为霍尔电路或差分放大电路。使主份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

进一步地，第二检测电路为霍尔电路或差分放大电路。使备份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

进一步地，电阻R1到电阻R10中所有电阻的阻值范围都为1KΩ~100KΩ。

进一步地，第一控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种；第二控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种。

有益效果：本技术方案确保了系统的安全、可靠，相对于冷备份，它的优势是降低了系统的热应力与电应力，加强了系统的稳定性，能提高系统的寿命；参考变量的自动分配，方案简单且灵活有效；应用范围很广，只要被控对象是电信号，无论是电流还是电压，都可以采用该方案；精度高、反应灵敏，当主份或备份工作不正常时，及时终止不正常工作模块的运作。

附图说明

图1是本发明一种实施例的电路框图；

图2是本发明另一种实施例中主份取大电路的电路图；

图3是本发明另一种实施例中备份取大电路的电路图；

图4是本发明另一种实施例的工作流程图；

图5是本发明另一种实施例的实验结果分析图；

图6是本发明另一种实施例的实验结果分析图。

图中标记：1-主份取大电路；2-备份取大电路；3-第一误差放大器；4-第一控制器；5-第一反馈电路；6-第二误差放大电路；7-第二控制器；8-第二反馈电路；9-第二检测电路；10-第一检测电路；11-第一运算放大器；12-第二运算放大器；13-第一二极管；14-第三运算放大器；15-第四运算放大器；16-第二二极管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

实施例1，参见图1至图5，一种自动热备份系统，包括：

主份取大电路，连接第二检测电路和第一误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第二检测电路发出的备份被控量x1，接收ref/2，通过运算取大后，向第一误差放大器发送主份被控量基准ref1；

第一误差放大器，连接所述主份取大电路、第一控制器以及第一反馈电路，用于接收所述主份取大电路发出的主份被控量基准ref1，接收第一反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述主份被控量基准ref1与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第一控制器中；

第一控制器，连接所述第一误差放大器、第一反馈电路和第一检测电路，用于将主份被控量基准ref1与被控对象信息的差值调节为0，得到主份被控量的实际输出值，并将主份被控量的实际输出值发送到第一检测电路；

第一反馈电路，连接所述第一误差放大器和所述第一控制器，用于向所述第一误差放大器发送被控对象信息；

备份取大电路，连接第一检测电路和第二误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第一检测电路发出的备份被控量x2，接收ref/2，通过运算取大后，向第二误差放大器发送备份被控量基准ref2；

第二误差放大器，连接所述备份取大电路、第二控制器以及第二反馈电路，用于接收所述备份取大电路发出的备份被控量基准ref2，接收第二反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述备份被控量基准ref2与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第二控制器中；

第二控制器，连接所述第二误差放大器、第二反馈电路和第二检测电路，用于将备份被控量基准ref2与被控对象信息的差值调节为0，得到备份被控量的实际输出值，并将备份被控量的实际输出值发送到第二检测电路；

第二反馈电路，连接所述第二误差放大器和所述第二控制器，用于向所述第二误差放大器发送被控对象信息；

所述第一控制器和所述第二控制器合并控制并输出被控量的实际输出值；

其中，所述被控量的基准值ref由系统设定，ref/2是ref通过分压电路获得，所述被控对象为电压。

电路上电后，主份取大电路接收被控量的基准值ref，同时接收第二检测电路发出的备份被控量x1，接收ref/2，通过运算取大后，向第一误差放大器发送主份被控量基准ref1，第一反馈电路将被控对象信息发送到第一误差放大器中，第一误差放大器放大主份被控量基准ref1与被控对象信息之间的差值，第一控制器通过多次调节，使主份被控量基准ref1与被控对象信息的数值相同，得到主份被控量的实际输出值，并将主份被控量的实际输出值发送到第一检测电路；第一检测电路检测主份被控量的实际输出值，并发出主份被控量x2到备份取大电路中，备份取大电路接收被控量的基准值ref，同时接收第一检测电路发出的主份被控量x2，接收ref/2，通过运算取大后，向第二误差放大器发送备份被控量基准ref2，第二反馈电路将被控对象信息发送到第二误差放大器中，第二误差放大器放大备份被控量基准ref2与被控对象信息之间的差值，第二控制器通过多次调节，使备份被控量基准ref2与被控对象信息的数值相同，得到备份被控量的实际输出值，并将备份被控量的实际输出值发送到第二检测电路中，第二检测电路检测备份被控量的实际输出值，并发出备份被控量x1到主份取大电路中。

在整个工作流程过程中，主份被控量基准ref1由备份被控量实际输出值决定，而备份被控量基准ref2由主份被控量实际输出值决定，实现了主份和备份的互锁。本技术方案确保了系统的安全、可靠，相对于冷备份，它的优势是降低了系统的热应力与电应力，加强了系统的稳定性，能提高系统的寿命；参考变量的自动分配，方案简单且灵活有效；应用范围很广，只要被控对象是电信号，无论是电流还是电压，都可以采用该方案；精度高、反应灵敏，当主份或备份工作不正常时，及时终止不正常工作模块的运作。

优选地，ref/2是ref通过比例电路获得，所述被控对象为电流。

实施例2，参见图4和图6主份模块损坏，主份被控量实际输出值为零，主份被控量x2=0，备份被控量基准ref2自动变为系统基准设定值ref，即ref2=ref，备份被控量实际输出值则决定实际系统被控量输出。

实施例3，参见图4和图6，备份模块损坏，备份被控量实际输出值为零，备份被控量x1=0，主份被控量基准ref1自动变为系统基准设定值ref，即ref1=ref，主份被控量实际输出值则决定实际系统被控量输出。

实施例4，参见图1、图2、图4和图6，所述主份放大电路包括第一运算放大器，该第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1连接所述第二检测电路，所述运算放大器的正向输入端分别连接电阻R3和电阻R4，该电阻R4接地；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R5连接第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的正向输入端连接电阻R6，所述第二运算放大器的输出端通过第一二极管连接所述第一误差放大器；通过外部电源给所述第一运算放大器和所述第二运算放大器供电，所述第一运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R2连接。

主份被控量基准ref1满足以下公式：

y1=ref-x1

ref1=max(ref/2,y1)

其中，y1是第一运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x1为第二检测电路输出的备份被控量，ref1为主份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

以上公式说明了主份取大电路实现了主份被控量基准ref1由ref/2和ref-x1取大实现。系统稳定后，主备份都正常工作时，ref1=ref2=ref/2。

系统的安全、可靠，相对于冷备份，它的优势是降低了系统的热应力与电应力，加强了系统的稳定性，提高了系统的寿命。

实施例5，参见图1、图3、图4和图6，备份放大电路包括第三运算放大器，该第三运算放大器的反相输入端通过电阻R7连接所述第一检测电路，所述第三运算放大器的正向输入端分别连接电阻R9和电阻R10，该电阻R10接地；所述第三运算放大器的输出端通过电阻R11连接第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正向输入端连接电阻R12，所述第四运算放大器的输出端通过第二二极管连接所述第二误差放大器；通过外部电源给所述第三运算放大器和所述第四运算放大器供电，所述第三运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R8连接。

备份被控量基准ref2满足以下公式：

y2=ref-x2

ref2=max（ref/2,y2）

其中，y2是第三运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x2为第一检测电路输出的主份被控量，ref2为备份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

以上公式说明了备份取大电路实现了备份被控量基准ref2由ref/2和ref-x2取大实现。系统稳定后，主备份都正常工作时，ref1=ref2=ref/2；主份或备份故障时，ref1=ref或ref2=ref。

系统的安全、可靠，主份或备份故障时，正常工作的模块承担100%的被控量，加强了系统的稳定性，提高了系统的寿命。

优选地，第一检测电路为霍尔电路。使主份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

优选地，第一检测电路为差分放大电路。使主份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

优选地，第二检测电路为霍尔电路。使备份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

优选地，第二检测电路为差分放大电路。使备份被控量的实际输出值与被控对象的量纲一致。

优选地，电阻R1到电阻R10中所有电阻的阻值都为1KΩ。

优选地，电阻R1到电阻R10中所有电阻的阻值都为50KΩ。

优选地，电阻R1到电阻R10中所有电阻的阻值都为100KΩ。

优选地，第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及第一运算放大器的型号都是LM258。

优选地，第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及第一运算放大器的型号都是LM124。

优选地，第一控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种；第二控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动热备份系统，其特征在于，包括：

主份取大电路，连接第二检测电路和第一误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第二检测电路发出的备份被控量x1，接收ref/2，通过运算取大后，向第一误差放大器发送主份被控量基准ref1；

第一误差放大器，连接所述主份取大电路、第一控制器以及第一反馈电路，用于接收所述主份取大电路发出的主份被控量基准ref1，接收第一反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述主份被控量基准ref1与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第一控制器中；

第一控制器，连接所述第一误差放大器、第一反馈电路和第一检测电路，用于将主份被控量基准ref1与被控对象信息的差值调节为0，得到主份被控量的实际输出值，并将主份被控量的实际输出值发送到第一检测电路；

第一反馈电路，连接所述第一误差放大器和所述第一控制器，用于向所述第一误差放大器发送被控对象信息；

备份取大电路，连接第一检测电路和第二误差放大器，用于接收被控量的基准值ref，接收第一检测电路发出的主份被控量x2，接收ref/2，通过运算取大后，向第二误差放大器发送备份被控量基准ref2；

第二误差放大器，连接所述备份取大电路、第二控制器以及第二反馈电路，用于接收所述备份取大电路发出的备份被控量基准ref2，接收第二反馈电路发出的被控对象信息，通过将所述备份被控量基准ref2与所述被控对象信息比较，得出误差，并将该误差放大，再发送到第二控制器中；

第二控制器，连接所述第二误差放大器、第二反馈电路和第二检测电路，用于将备份被控量基准ref2与被控对象信息的差值调节为0，得到备份被控量的实际输出值，并将备份被控量的实际输出值发送到第二检测电路；

第二反馈电路，连接所述第二误差放大器和所述第二控制器，用于向所述第二误差放大器发送被控对象信息；

所述第一控制器和所述第二控制器合并控制并输出被控量的实际输出值；

其中，所述被控量的基准值ref由系统设定，ref/2通过分压电路或比例电路获得，所述被控对象为电流或电压。

2.根据权利要求1所述的自动热备份系统，其特征在于：所述主份放大电路包括第一运算放大器，该第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1连接所述第二检测电路，所述运算放大器的正向输入端分别连接电阻R3和电阻R4，该电阻R4接地；所述第一运算放大器的输出端通过电阻R5连接第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的正向输入端连接电阻R6，所述第二运算放大器的输出端通过第一二极管连接所述第一误差放大器；通过外部电源给所述第一运算放大器和所述第二运算放大器供电，所述第一运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R2连接。

3.根据权利要求2所述的自动热备份系统，其特征在于：备份放大电路包括第三运算放大器，该第三运算放大器的反相输入端通过电阻R7连接所述第一检测电路，所述第三运算放大器的正向输入端分别连接电阻R9和电阻R10，该电阻R10接地；所述第三运算放大器的输出端通过电阻R11连接第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的正向输入端连接电阻R12，所述第四运算放大器的输出端通过第二二极管连接所述第二误差放大器；通过外部电源给所述第三运算放大器和所述第四运算放大器供电，所述第三运算放大器的输出端与反相输入端通过电阻R8连接。

4.根据权利要求2所述的自动热备份系统，其特征在于：主份被控量基准ref1满足以下公式：

y1=ref-x1

ref1=max（ref/2，y1）

其中，y1是第一运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x1为第二检测电路输出的备份被控量，ref1为主份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

5.根据权利要求3所述的自动热备份系统，其特征在于：备份被控量基准ref2满足以下公式：

y2=ref-x2

ref2=max（ref/2,y2）

其中，y2是第三运算放大器的输出值，ref为被控量的基准值,x2为第一检测电路输出的主份被控量，ref2为备份被控量基准，ref/2为被控量基准值的一半。

6.根据权利要求2所述的自动热备份系统，其特征在于：第一检测电路为霍尔电路或差分放大电路。

7.根据权利要求3所述的自动热备份系统，其特征在于：第二检测电路为霍尔电路或差分放大电路。

8.根据权利要求7所述的自动热备份系统，其特征在于：电阻R1到电阻R10中所有电阻的阻值范围都为1KΩ~100KΩ。

9.根据权利要求1所述的自动热备份系统，其特征在于：所述ref/2为ref通过分压电路或比例电路得出。

10.根据权利要求9所述的自动热备份系统，其特征在于：第一控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种；第二控制器采用PI/PID控制器、滑膜控制器以及滞回控制器中的一种。