CN104579029A - 一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机驱动控制器，具体公开一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，包括三路并联、分别与无刷直流电机连通的伺服控制驱动电路，三路伺服控制驱动电路之间互相通讯；所述的伺服驱动控制电路包括伺服控制模块、电机驱动模块、电流检测模块、电位计，伺服控制模块的输出端与电机驱动模块的输入端连通，电机驱动模块的输出端与无刷直流电机的三相绕组输出端连通，电流检测模块的输入端与无刷直流电机的检测信号输出端连通，电流检测模块的输出端与伺服控制模块的输入端连通；电位计的输入端与无刷直流电机的位置信号输出端连通，电位计的输出端与伺服控制模块的数字信号输入端连通。该驱动器能实现机电伺服控制的高度集成和冗余设计。
Description
技术领域
本发明属于电机控制驱动器，具体涉及一种千瓦级三冗余机电伺服机构的驱动控制器。
背景技术
电机控制驱动器作为机电伺服机构的重要组成部分，直接驱动伺服电机，带动伺服作动器，将电能转化为机械能。目前运载火箭已成功采用和推广了余度电液伺服机构技术来提高系统的可靠性。机电伺服机构应用于飞行器同样需要解决可靠性问题。现有的机电伺服机构控制驱动器通常采用双余度双绕组机电伺服控制驱动器，其功率等级和冗余程度都较低。无法满足新型飞行器的可靠性高的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足高可靠性需求的飞行器千瓦级三冗余机电伺服机构控制驱动器，该驱动器能够实现机电伺服控制的高度集成和冗余设计。
实现本发明目的的技术方案：一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，它包括三路并联的、分别与无刷直流电机连通的伺服控制驱动电路，三路伺服控制驱动电路之间互相通讯。
所述的伺服控制驱动电路包括伺服控制模块、电机驱动模块、电流传感器、电位计，伺服控制模块的输出端与电机驱动模块的输入端连通，电机驱动模块的输出端与无刷直流电机的控制信号输入端连通，电流检测模块的输入端与无刷直流电机的检测信号输出端连通，电流检测模块的输出端与电机驱动模块的输入端连通；电位计的输入端与无刷直流电机的位置信号输出端连通，第一电位计的输出端与伺服控制模块的数字信号输入端连通；电位计采集无刷直流电机的电机位置反馈信号传输伺服控制模块，电机位置反馈信号数字量在伺服控制模块中进行计算，生成PWM脉冲信号和电机转向信号；电流检测模块采集无刷直流电机的电流信号；伺服控制模块生成的PWM脉冲信号、电机转向信号与位置脉冲信号共同进入电机驱动模块，控制直流无刷电机的转向和转速。
所述的三路伺服控制驱动电路的伺服控制模块之间互相通讯，电流检测模 块监测无刷直流电机的输出电流，将其传输给伺服控制模块，伺服控制模块发现其中一路伺服控制驱动电路故障，伺服控制模块将故障信号发送给另两路正常工作的控制驱动通道，并将故障通道进行隔离。
所述的伺服控制模块包括1553模块、DSP控制器和A/D转换模块，1553模块传输指令信号给DSP控制器，电位计采集无刷直流电机的电机位置反馈信号传输给A/D转换模块，A/D转换模块将电机位置反馈信号转换成数字量后传输给DSP控制器，电机位置反馈信号数字量在DSP控制器进行计算，生成PWM脉冲信号和电机转向信号；电流检测模块采集无刷直流电机的电流信号；DSP控制器生成的PWM脉冲信号、电机转向信号与位置脉冲信号共同进入电机驱动模块，控制直流无刷电机工作。
所述的电机驱动模块包括GAL逻辑模块、光耦隔离模块、高压集成驱动模块、MOSFET功率模块，DSP控制器的信号输出端依次与GAL逻辑模块、光耦隔离模块、高压集成驱动模块、MOSFET功率模块连通，MOSFET功率模块与无刷直流电机的控制信号输入端连通，电流检测模块的输出端与伺服控制模块的A/D转换模块连通；GAL逻辑模块将PWM脉冲信号、电机转向信号和霍尔位置脉冲信号经过GAL逻辑运算，光耦隔离模块将逻辑运算后的信号隔离，高压集成驱动模块驱动MOSFET功率模块工作，MOSFET功率模块输出三相PWM脉冲控制信号，用于控制直流无刷电机三相功率逆变桥，进而控制直流无刷电机工作。
电机驱动模块的电源输入端与功率电源连通。
第一电位计的电源输入端与电位计电源连通。
本发明的有益技术效果在于：（1）本发明的驱动控制器能够实现无刷直流伺服控制驱动器的控制部件三冗余设计，具备系统的一度故障容错能力和一度故障工作能力，容错能力与已有机电伺服机构显著提高。（2）与双余度双绕组机电伺服控制驱动器相比，本发明的驱动器三冗余无刷直流伺服驱动控制器方案不仅在位置反馈信号、故障检测切换模块、驱动模块上进行了三余度的设计，还对主控制器件DSP和电源模块进行了三冗余设计，保证了控制系统在各环节的高容错能力与故障工作能力。（3）本发明的驱动器由于在三个子通道均采用1553B通讯技术，保证了三个控制回路的同步运行，相较于传统双余度两控制子通道的主从工作方式，其效率与可靠性大大提高。（4）本发明的三个子控制器之间除共用指令信号外完全独立，每个子控制器均对三路反馈角度信号进行多 数表决，与相同的指令信号比较，实现伺服闭环控制；三个子控制器均监测本路的母线电流，若出现堵转或卡死现象，母线电流将异常增大，若此现象持续一段时间，据此判断此路故障，三个控制子通道中若一通道发生故障时，可对该通道进行故障隔离，上传故障信息，使系统进行重构，保证系统在继续安全运行的同时，尽量减小系统性能的降低。（5）无论是电源、控制器、驱动器、反馈电位计的一度故障，最终都可通过以上的余度管理措施解决，简单有效地保证了伺服系统在冗余部件一度故障下仍能可靠工作，并达到系统性能要求。（6）本发明的驱动器采用变结构PID控制策略，通过实时判断角度误差、反馈位置信号，合理选择控制参数，并利用算法的切换特性，减小系统的超调量和调节时间，加速系统的收敛，提高系统的稳态和动态品质。（7）本发明的驱动控制器能够实现并提高无刷直流伺服机构的一度故障容错能力和故障工作能力，在可靠性指标上会有较大的提高，且基础技术较成熟，易实现。（8）本发明的驱动器的三个通道的供电各自独立，均包含独立的电源变换电路，若其中某一通道电源出现异常，其它通道仍能正常工作，从而保证了电源系统的可靠性。（9）三通道以热备份方式运行，当某一通道出现故障时，直接将其切断，另外两路正常通道通过系统重构继续运行。（10）在控制策略上采用由电流环和位置环构成的双闭环控制结构，与传统的“三环”结构相比，既可提高系统的快速性，又可节省硬件成本；同时采用一种变结构PID控制策略，通过实时判断角度误差、反馈位置信号，合理选择控制参数，并利用算法的切换特性，减小系统的超调量和调节时间，加速系统的收敛，能够提高系统的稳态和动态品质。
附图说明
图1为本发明所提供的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器的系统组成图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所提供的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，包括三路并联的、相同的伺服控制驱动电路，三路伺服控制驱动电路为并联的第一伺服控制驱动电路1、第二伺服服控制驱动电路2和第三伺服服控制驱动电路3。
如图1所示，第一伺服控制驱动电路包括第一伺服控制模块101、第一电机驱动模块102、第一控制电源103、第一电流检测模块104、第一电位计电源105、第一电位计106。
如图1所示，第一伺服控制模块101包括第一1553模块101A、第一DSP控制器101B、第一A/D转换模块101C；第一电机驱动模块102包括第一GAL逻辑模块102A、第一光耦隔离模块102B、第一高压集成驱动模块102C、第一MOSFET功率模块102D。第一1553模块101A的输出端与第一DSP控制器101B的控制信号输入端连通，第一DSP控制器101B的数字信号输入端与第一A/D转换模块101C的信号输出端连通，第一A/D转换模块101C的信号输入端与第一电位计106的反馈信号输出端连通，第一电位计106的信号输入端与无刷直流电机4的电位计信号输出端连通；第一电位计106的电源输入端与第一电位计电源105的输出端连通，第一电位计106用于给第一电位计电源105供电。第一DSP控制器101B的控制信号输出端与第一电机驱动模块102的第一GAL逻辑模块102A的信号输入端连通，第一GAL逻辑模块102A的信号输出端与第一光耦隔离模块102B的信号输入端连通，第一光耦隔离模块102B的信号输出端与第一高压集成驱动模块102C的信号输入端连通，第一高压集成驱动模块102C的信号输出端与第一MOSFET功率模块102D的信号输入端连通，第一MOSFET功率模块102D的信号输出端与无刷直流电机4的三相绕组输出端连通。无刷直流电机4的电流检测信号输出端与第一电流检测模块104的信号输入端连通，第一电流检测模块104的信号输出端与第一A/D转换模块101C的反馈信号输入端连通。第一控制电源103与第一电机驱动模块102中的第一GAL逻辑模块102A、第一光耦隔离模块102B、第一高压集成驱动模块102C的电源输入端均连通，用于给第一控制电源103第一GAL逻辑模块102A、第一光耦隔离模块102B、第一高压集成驱动模块102C供电。
如图1所示，第二伺服控制模块201包括第二1553模块201A、第二DSP控制器201B、第二A/D转换模块201C；第二电机驱动模块202包括第二GAL逻辑模块202A、第二光耦隔离模块202B、第二高压集成驱动模块202C、第二MOSFET功率模块202D。第二1553模块201A的输出端与第二DSP控制器201B的控制信号输入端连通，第二DSP控制器201B的数字信号输入端与第二A/D转换模块201C的信号输出端连通，第二A/D转换模块201C的信号输入端与第二电位计206的反馈信号输出端连通，第二电位计206的信号输入端与无刷直流电机4的电位计信号输出端连通；第二电位计206的电源输入端与第二电位计电源205的输出端连通，第二电位计206用于给第二电位计电源205供电。第二DSP控制器201B的控制信号输出端与第二电机驱动模块202的第二GAL 逻辑模块202A的信号输入端连通，第二GAL逻辑模块202A的信号输出端与第二光耦隔离模块202B的信号输入端连通，第二光耦隔离模块202B的信号输出端与第二高压集成驱动模块202C的信号输入端连通，第二高压集成驱动模块202C的信号输出端与第二MOSFET功率模块202D的信号输入端连通，第二MOSFET功率模块202D的信号输出端与无刷直流电机4的控制信号输入端连通。无刷直流电机4的电流检测信号输出端与第二电流检测模块204的信号输入端连通，第二电流检测模块204的信号输出端与第二A/D转换模块201C的反馈信号输入端连通。第二控制电源203与第二电机驱动模块202中的第二GAL逻辑模块202A、第二光耦隔离模块202B、第二高压集成驱动模块202C的电源输入端均连通，用于给第二控制电源203第二GAL逻辑模块202A、第二光耦隔离模块202B、第二高压集成驱动模块202C供电。
如图1所示，第三伺服控制模块301包括第三1553模块301A、第三DSP控制器301B、第三A/D转换模块301C；第三电机驱动模块302包括第三GAL逻辑模块302A、第三光耦隔离模块302B、第三高压集成驱动模块302C、第三MOSFET功率模块302D。第三1553模块301A的输出端与第三DSP控制器301B的控制信号输入端连通，第三DSP控制器301B的数字信号输入端与第三A/D转换模块301C的信号输出端连通，第三A/D转换模块301C的信号输入端与第三电位计306的反馈信号输出端连通，第三电位计306的信号输入端与无刷直流电机4的电位计信号输出端连通；第三电位计306的电源输入端与第三电位计电源305的输出端连通，第三电位计306用于给第三电位计电源305供电。第三DSP控制器301B的控制信号输出端与第三电机驱动模块302的第三GAL逻辑模块302A的信号输入端连通，第三GAL逻辑模块302A的信号输出端与第三光耦隔离模块302B的信号输入端连通，第三光耦隔离模块302B的信号输出端与第三高压集成驱动模块302C的信号输入端连通，第三高压集成驱动模块302C的信号输出端与第三MOSFET功率模块302D的信号输入端连通，第三MOSFET功率模块302D的信号输出端与无刷直流电机4的控制信号输入端连通。无刷直流电机4的电流检测信号输出端与第三电流检测模块304的信号输入端连通，第三电流检测模块304的信号输出端与第三A/D转换模块301C的反馈信号输入端连通。第三控制电源303与第三电机驱动模块302中的第三GAL逻辑模块302A、第三光耦隔离模块302B、第三高压集成驱动模块302C的电源输入端均连通，用于给第三控制电源303第三GAL逻辑模块302A、第三光耦 隔离模块302B、第三高压集成驱动模块302C供电。
如图1所示，第一DSP控制器101B的故障信号接口、第二DSP控制器201B的故障信号接口、第三DSP控制器301B的故障信号接口之间通过握手方式通讯。
1553模块101A、201A、301A均为为1553B总线。DSP控制器101B、201B、301B均为DSP伺服系统数字电子控制装置。电流检测模块104、201、304均为霍尔位置传感器，高压集成功率模块102D、202D、302D型号均为IR2130。控制电源103、203、303均为+28V功率电源，电位计电源105、205、305均为+12率电源.
如图1所示，本发明所提供的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器的三路伺服控制驱动电路的工作原理相同，工作原理如下：外部控制系统发出指令信号通过1553模块传输给DSP控制器，DSP控制器开始工作，同时DSP控制器通过1553模块向外部控制系统发送DSP控制器的状态信息。电位计采集无刷直流电机4的电机位置反馈信号传输给A/D转换模块，A/D转换模块将电机位置反馈信号转换成数字量后传输给DSP控制器，电机位置反馈信号数字量在DSP控制器中进行多数表决算法、故障监测和闭环控制计算，生成PWM脉冲信号和电机转向信号。电流检测模块采集无刷直流电机4的电流信号。DSP控制器生成的PWM脉冲信号、电机转向信号与电机位置脉冲信号共同进入电机驱动模块，控制直流无刷电机4的转向和转速按照控制系统的指令动作。
电机驱动模块的工作原理：通过GAL逻辑模块将PWM脉冲信号、电机转向信号和位置脉冲信号过GAL逻辑运算，光耦隔离模块将逻辑运算后的信号隔离，高压集成驱动模块驱动MOSFET功率模块工作，MOSFET功率模块输出三相PWM脉冲控制信号，用于控制直流无刷电机4三相功率逆变桥，进而控制直流无刷电机4的转向和转速。电流检测模块实时监测无刷直流电机4的输出电流，将实时传输给DSP控制器，DSP控制器实时发现某一路通道（即某一路伺服控制驱动电路）的一度故障，DSP控制器将故障信号发送给另两路正常工作的控制驱动通道，DSP控制器将故障通道进行隔离，DSP控制器不驱动故障通道。
DSP控制器包含两个中断：外部中断和定时器中断。（1）外部中断功能：三个DSP控制器通过外部中断从1553B模块接收外部控制系统的指令信号，并与外部控制系统进行同步通讯，保证了三个通道能够在同一时刻采集信号，在 同一拍工作，并且清除各自的时钟误差积累，有效地防止了三个通道控制律解算输出结果不一致，实现了三通道的同步工作。（2）定时器中断功能：定时器中断用于完成A/D信号的采集转换，对采集到的电机位置反馈信号进行三选二表决处理，直接将三路信号中的错误信号吸收。同时，对输出电流进行实时监测，能实时发现某一通道的一度故障并进行隔离；三通道之间的故障通讯采用握手方式实现，当某一通道发生故障，则相应通道的故障标志置位并发送给其余两通道故障信号，同时切断故障通道的输出；正常工作的两通道在接收到故障信号后，对本通道的控制律进行重构，调整其控制参数。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (7)
1.一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：它包括三路并联的、分别与无刷直流电机（4）连通的伺服控制驱动电路，三路伺服控制驱动电路之间互相通讯。
2.根据权利要求1所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的伺服控制驱动电路包括伺服控制模块、电机驱动模块、电流检测模块、电位计，伺服控制模块的输出端与电机驱动模块的输入端连通，电机驱动模块的输出端与无刷直流电机（4）的三相绕组输出端连通，电流检测模块的输入端与无刷直流电机（4）的检测信号输出端连通，电流检测模块的输出端与伺服控制模块的输入端连通；电位计的输入端与无刷直流电机（4）的位置信号输出端连通，电位计的输出端与伺服控制模块的数字信号输入端连通；电位计采集无刷直流电机（4）的电机位置反馈信号传输给伺服控制模块，电机位置反馈信号数字量在伺服控制模块中进行计算，生成PWM脉冲信号和电机转向信号；电流检测模块采集无刷直流电机（4）的电流信号；伺服控制模块生成的PWM脉冲信号、电机转向信号共同进入电机驱动模块，控制直流无刷电机（4）的转向和转速。
3.根据权利要求2所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的三路伺服控制驱动电路的伺服控制模块之间互相通讯，电流检测模块监测无刷直流电机（4）的输出电流，将其传输给伺服控制模块，伺服控制模块发现其中一路伺服控制驱动电路故障，伺服控制模块将故障信号发送给另两路正常工作的控制驱动通道，并将故障通道进行隔离。
4.根据权利要求3所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的伺服控制模块包括1553模块、DSP控制器和A/D转换模块，1553模块传输指令信号给DSP控制器，电位计采集无刷直流电机（4）的电机位置反馈信号传输给A/D转换模块，A/D转换模块将电机位置反馈信号转换成数字量后传输给DSP控制器，电机位置反馈信号数字量在DSP控制器进行计算，生成PWM脉冲信号和电机转向信号；电流检测模块采集无刷直流电机（4）的电流信号；DSP控制器生成的PWM脉冲信号、电机转向信号与位置脉冲信号共同进入电机驱动模块，控制直流无刷电机（4）工作。
5.根据权利要求4所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的电机驱动模块包括GAL逻辑模块、光耦隔离模块、高压集成驱动模块、MOSFET功率模块，DSP控制器的信号输出端依次与GAL逻辑模块、光耦隔离模块、高压集成驱动模块、MOSFET功率模块连通，MOSFET功率模块与无刷直流电机（4）的控制信号输入端连通，电流检测模块的输出端与伺服控制模块的A/D转换模块连通；GAL逻辑模块将PWM脉冲信号、电机转向信号和霍尔位置脉冲信号经过GAL逻辑运算，光耦隔离模块将逻辑运算后的信号隔离，通过高压集成驱动模块驱动MOSFET功率模块工作，MOSFET功率模块输出三相PWM脉冲控制信号，用于控制直流无刷电机（4）三相功率逆变桥，进而控制直流无刷电机（4）工作。
6.根据权利要求5所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的电机驱动模块的电源输入端与控制电源连通。
7.根据权利要求6所述的一种三冗余无刷直流伺服驱动控制器，其特征在于：所述的电位计的电源输入端与电位计电源连通。
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