CN104699078A - 机电伺服系统保护与故障恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，包括：步骤S10：采集当前状态的系统参数；步骤S20：对比系统参数与预设参数；步骤S30：当系统参数不满足预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40：继续采集当前状态的系统参数，并与预设参数对比，直到系统参数满足预设参数的限制时，故障恢复计数器开始计数；步骤S50：当故障恢复计数器的计速达到预设值时，退出故障保护状态，并复位驱动器、恢复PWM输出、清零故障恢复计数器。本发明中，当采集的系统参数不满足预设参数的限制时，能够实现驱动器的可靠保护，当相应的系统参数满足预设参数限制时，系统可以快速复位驱动器。

Description

机电伺服系统保护与故障恢复控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制领域，具体而言，涉及一种机电伺服系统保护与故障恢复控制方法。

背景技术

我国对运载火箭等的采用机电伺服技术的飞行控制执行闭环系统的统称为机电伺服系统，机电伺服系统的典型应用之一就是摇摆发动机或发动机喷管实现推力矢量控制，完成对运载火箭姿态的控制。由于机电伺服系统具有组成与结构简单，使用与维护方便，系统特性好等显著优点，已经成为近年来运载火箭推力矢量控制不断采用的控制执行系统。

机电伺服系统主要由以下几个部分组成：机电传动机构、永磁同步伺服电机、伺服控制驱动器、伺服动力电源。其中伺服动力电源为整个系统提供直流电能，是整个系统的初级能源。伺服控制驱动器集成了伺服控制功能与伺服驱动功能，伺服控制功能是以DSP为核心的控制功能电路，DSP中运行闭环控制算法，接收伺服指令信号，采集系统的各种状态反馈信号，最终生成六路PWM占空比斩波信号。伺服驱动功能是以IGBT为核心的功率驱动电路，接收PWM信号后根据PWM信号要求完成功率管的开、关动作，将伺服动力电源提供的直流电能逆变为三相交流电能，提供给永磁同步伺服电机，而永磁同步伺服电机作为整个系统的动力执行元件，输出转矩、转速功率运动，带动机电传动机构做功，实现推力矢量控制。

运载火箭推力矢量控制对机电伺服系统的动态响应速度要求极高，机电伺服系统作为控制执行机构子系统经常处于瞬间短时高功率输出的工况条件下，即要求伺服控制驱动器向永磁同步伺服电机短时间提供峰值大电流。同时，运载火箭在飞行过程中，受到飞行环境中各种气动环境等恶劣影响的干扰，随时需要机电伺服系统输出较大的功率，同时承受振动、冲击、加速度等力学环境与高温环境的影响。而伺服控制驱动器作为电力电子产品，其工作电流必须受到限制，否则电流过大会损坏IGBT功率管，造成产品失效。同时功率驱动电路受恶劣环境影响，有发生短时失效的可能性。但是运载火箭对机电伺服系统的使用要求极高，机电伺服系统作为飞行控制执行系统，一旦在飞行过程中因工作电流过大在成损坏或功率驱动电路失效无法正常工作，都会造成整个任务的失败。因此必须针对在复杂环境与复杂工况下可能出现的过电流或驱动电路失效做出高可靠的有效处理。

发明内容

本发明旨在提供一种可靠性高且故障恢复迅速的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法。

本发明提供了一种机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，包括：步骤S10：采集当前状态的系统参数；步骤S20：对比系统参数与预设参数；步骤S30：当系统参数不满足预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40：继续采集当前状态的系统参数，并与预设参数对比，直到系统参数满足预设参数的限制时，故障恢复计数器开始计数；步骤S50：当故障恢复计数器的计速达到预设值时，退出故障保护状态，并复位驱动器、恢复PWM输出、清零故障恢复计数器。

进一步地，该方法还包括位于步骤S40和步骤S50之间的计数步骤：计数步骤包括继续采集当前状态的系统参数，并与预设参数对比，当系统参数满足预设参数的限制时，故障恢复计数器的计数加一；当系统参数不满足预设参数的限制时，返回步骤S10。

进一步地，系统参数包括相电流，预设参数包括过流电流和过流恢复电流，故障保护状态包括过流故障保护状态，故障恢复计数器包括过流故障恢复计数器；步骤S30包括：当相电流大于过流电流时，进入过流故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40包括：继续采集当前状态的相电流，并与过流恢复电流对比，直到相电流小于过流恢复电流时，过流故障恢复计数器开始计数。

进一步地，系统参数包括母线电流和母线电压，预设参数包括短路电流、欠压电压、短路恢复电流和欠压恢复电压；故障保护状态包括驱动故障保护状态，故障恢复计数器包括短路故障恢复计数器和欠压故障恢复计数器；步骤S30包括：当母线电流大于短路电流或者母线电压小于欠压电压时，进入驱动故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40包括：继续采集当前状态的母线电流和母线电压，并将母线电流与短路恢复电流对比，直到母线电流小于短路恢复电流时，短路故障恢复计数器开始计数；或者将母线电压与欠压恢复电压对比，直到母线电压小于欠压恢复电压时，欠压故障恢复计数器开始计数。

进一步地，系统参数包括相电流、母线电流和母线电压，预设参数包括过流电流、过流恢复电流、短路电流、欠压电压、短路恢复电流和欠压恢复电压，故障保护状态包括过流故障保护状态和驱动故障保护状态，故障恢复计数器包括过流故障恢复计数器、短路故障恢复计数器和欠压故障恢复计数器；步骤S30包括：当相电流大于过流电流时，进入过流故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；或者当母线电流大于短路电流或者母线电压小于欠压电压时，进入驱动故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40包括：继续采集当前状态的相电流，并与过流恢复电流对比，直到相电流小于过流恢复电流时，过流故障恢复计数器开始计数；或者继续采集当前状态的母线电流和母线电压，并将母线电流与过流恢复电流对比，直到母线电流小于短路恢复电流时，短路故障恢复计数器开始计数；或者将母线电压与欠压恢复电压对比，直到母线电压小于欠压恢复电压时，欠压故障恢复计数器开始计数。

根据本发明的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，当采集的系统参数不满足预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出，从而实现驱动器的可靠保护，防止驱动器在故障状态下继续工作而损坏。并且在故障保护状态下继续采集相关系统参数，当相应的系统参数满足预设参数限制时，系统可以快速复位驱动器，并恢复PWM输出，从而满足系统工作要求，保障飞行器安全。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是推力矢量控制用机电伺服系统软件基本流程图；

图2是根据本发明的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法的流程框图；

图3是根据本发明的电流过流保护与自动恢复流程图；

图4是根据本发明的驱动电路故障保护与自动恢复流程图；

图5是根据本发明的电流过流保护与驱动电路故障保护综合处理与恢复流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合图1所示，以推力矢量控制用机电伺服系统为例来说明本发明的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法。图1为推力矢量控制用机电伺服系统软件定时中断服务程序基本流程图。定时中断采用DSP内部定时器，定时中断周期为0.1ms，中断服务程序执行如下操作：

1)系统保护管理；

2)CAN总线通讯管理；

3)运行状态维护和时标维护；

4)每1ms执行看门狗维护；

5)模拟输入信号采集和旋变值采集；

6)每1ms监测Bu61580的重要寄存器，如果异常则重新初始化Bu61580；

7)每1ms更新1553B返回消息；

8)每1ms执行位移到角度转换、位置闭环运算、速度闭环运算；

9)电流环运算及SVPWM生成；

每个定时中断周期内首先进行系统保护管理，判断功率母线电流、母线电压和三相交流电流值，一旦出现欠压、短路、过流等情况，上述参数超出保护阈值，DSP立即封锁PWM输出，锁止驱动电路，关断IGBT管，避免烧坏功率器件本身；当检测到上述故障消失时，迅速恢复PWM输出和驱动电路，进入系统的闭环控制工作状态。

结合图2所示，本发明的提供了机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，即系统保护管理方法，具体包括：步骤S10：采集当前状态的系统参数；步骤S20：对比系统参数与预设参数；步骤S30：当系统参数不满足预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；步骤S40：继续采集当前状态的系统参数，并与预设参数对比，直到系统参数满足预设参数的限制时，故障恢复计数器开始计数；步骤S50：当故障恢复计数器的计速达到预设值时，退出故障保护状态，并复位驱动器、恢复PWM输出、清零故障恢复计数器。

本发明通过的采集当前专题的系统参数，当采集的系统参数不满足预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出，从而实现驱动器的可靠保护，防止驱动器在故障状态下继续工作而损坏。并且在故障保护状态下继续采集相关系统参数，当相应的系统参数满足预设参数限制时，系统可以快速复位驱动器，并恢复PWM输出，从而满足系统工作要求，保障飞行器安全。

具体地，机电伺服系统保护与故障恢复控制方法主要分为三种保护状态，分别为系统电流过流保护、系统驱动电路保护、系统电流过流保护与驱动电路故障保护综合处理。

图3是系统电流过流保护与自动恢复流程图，当检测到三相交流相电流大于过流阈值时，进入过流故障保护状态，关闭PWM输出，使功率器件IGBT关断，从而使电流快速下降，进而使相电流快速恢复到较低值，保护功率器件不因过流和过热损坏。同时进入过流故障保护状态后，软件中实时监测相电流值，一旦相电流减小到过流恢复电流阈值以下，延迟3ms后退出过流故障保护状态，并打开PWM输出，重新进入系统的闭环控制工作状态，确保运载火箭不因电流保护而失去控制，即一方面在电流过大的情况下保护了系统硬件，不会造成系统损坏，同时又能在极短的时间内恢复工作状态，不因对电流的保护而影响整个运载火箭的推力矢量控制。

图4是系统驱动电路保护与自动恢复流程图，当检测到母线电流大于短路电流阈值，或母线电压低于欠压电压阈值时，进入驱动故障保护状态，锁止驱动电路输出并关闭PWM输出，保护功率器件不因短路故障和欠压故障损坏。进入驱动故障保护状态后，软件中实时监测母线电流和母线电压值，一旦其值减小到恢复阈值以下，同样延迟3ms后退出驱动故障保护状态，复位驱动电路并打开PWM输出，重新进入系统的闭环控制工作状态，使得系统不会因驱动电路出现临时性故障而影响整个运载火箭的推力矢量控制。

图5是系统电流过流保护与驱动电路故障保护综合处理与恢复流程图，当同时出现过流保护与驱动电路故障保护时，应首先判断驱动电路故障是否消除，一旦消除立即复位驱动电路，使其正常工作，但同时维持PWM关断状态；其次再判断过流状态是否消除，如果过流状态已消除，则打开PWM输出，进入闭环控制工作状态。即本发明即使出现电流过大与功率驱动电路出现故障同时发生的极端情况，利用该控制策略也可以对电流过流进行保护与恢复，对功率驱动电路出现的故障进行快速恢复，不会因为出现的故障而导致运载火箭飞行失败。

在上述三种保护状态中，延迟3ms通过故障恢复计数器实现，由于定时中断周期为0.1ms，故障恢复计数器计数30次即为3ms。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，提供一种满足运载火箭推力矢量控制用机电伺服系统在飞行过程中遇到电流过大或功率驱动电路出现暂时性故障等问题时的保护处理机制以及恢复正确状态的处理机制，该处理机制最终落实为软件控制方法，利用该控制方法，可以有效保证机电伺服系统在运载火箭飞行过程中不因出现电流过大而损坏，不因功率驱动电路受到干扰而出现短时故障而导致飞行失败。该方法实现了如下效果：

1、可以在不额外增加特殊硬件设备的条件下，通过软件控制机制完成上述故障保护与恢复的控制策略；

2、可以实现对伺服控制驱动器硬件电路的可靠保护。该控制方法可以及其可靠的确保对电流过流的保护，保证电流不会超过驱动器允许的门限，不会因过流损坏驱动器。同时在驱动器功率驱动电路出现故障时，会及时停止驱动器的工作，不会因为在故障情况下继续工作而损坏驱动器；

3、故障恢复迅速，可以保证运载火箭的飞行使用要求。无论是电流过流情况下的恢复时间还是功率驱动电路的恢复时间都为毫秒级，对推力矢量控制的性能无实质性影响；

4、可靠性高。该控制方法具有极高的控制可靠性，即便是在电流出现连续过流或驱动电路出现连续保护的情况下，甚至是在电流过流与功率驱动电路同时连续出现保护的情况下仍能保证系统正常恢复工作状态，保证运载火箭的飞行安全。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，其特征在于，包括：

步骤S10：采集当前状态的系统参数；

步骤S20：对比所述系统参数与预设参数；

步骤S30：当所述系统参数不满足所述预设参数的限制时，进入故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；

步骤S40：继续采集当前状态的系统参数，并与所述预设参数对比，直到所述系统参数满足所述预设参数的限制时，故障恢复计数器开始计数；

步骤S50：当所述故障恢复计数器的计速达到预设值时，退出所述故障保护状态，并复位所述驱动器、恢复所述PWM输出、清零所述故障恢复计数器。

2.根据权利要求1所述的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，其特征在于，所述方法还包括位于所述步骤S40和步骤S50之间的计数步骤：

所述计数步骤包括继续采集当前状态的系统参数，并与所述预设参数对比，当所述系统参数满足所述预设参数的限制时，故障恢复计数器的计数加一；当所述系统参数不满足所述预设参数的限制时，返回步骤S10。

3.根据权利要求2所述的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，其特征在于，

所述系统参数包括相电流，所述预设参数包括过流电流和过流恢复电流，所述故障保护状态包括过流故障保护状态，所述故障恢复计数器包括过流故障恢复计数器；

所述步骤S30包括：当所述相电流大于所述过流电流时，进入过流故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；

所述步骤S40包括：继续采集当前状态的相电流，并与所述过流恢复电流对比，直到所述相电流小于所述过流恢复电流时，所述过流故障恢复计数器开始计数。

4.根据权利要求2所述的机电伺服系统保护与故障恢复控制方法，其特征在于，

所述系统参数包括母线电流和母线电压，所述预设参数包括短路电流、欠压电压、短路恢复电流和欠压恢复电压；所述故障保护状态包括驱动故障保护状态，所述故障恢复计数器包括短路故障恢复计数器和欠压故障恢复计数器；

所述步骤S30包括：当所述母线电流大于所述短路电流或者所述母线电压小于所述欠压电压时，进入所述驱动故障保护状态，并锁止驱动器、关闭PWM输出；

所述步骤S40包括：继续采集当前状态的母线电流和母线电压，并将所述母线电流与所述短路恢复电流对比，直到所述母线电流小于所述短路恢复电流时，所述短路故障恢复计数器开始计数；或者将所述母线电压与所述欠压恢复电压对比，直到所述母线电压小于所述欠压恢复电压时，所述欠压故障恢复计数器开始计数。