CN105474804B - 冗余伺服控制系统 - Google Patents
冗余伺服控制系统Info
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Abstract
本发明冗余伺服控制系统包括一主控制器、一备控制器和一电机驱动线路模块；主控制器和备控制器均包括霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、中心控制模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块；霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块分别与中心控制模块连接，中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机连接，两控制器的步进电机控制信号隔离模块通过共同通道与电机驱动线路模块连接，两控制器的直流电机控制信号隔离模块通过共同通道与电机驱动线路模块连接。<pb pnum="1" />
Description
技术领域
本发明涉及冗余伺服控制技术，特别涉及一种冗余伺服控制系统。
背景技术
在航天领域伺服控制现有技术中，常用的方式是控制电路和电机驱动电路同时备份，即主控制电路+主电机驱动电路与备控制电路+备电机驱动电路互为冷备份。这种伺服控制方式的优点是主、备份之间完全独立，缺点是由于控制电路和驱动电路均备份造成伺服控制驱动器体积、重量过大。在对控制器体积、重量指标要求严苛的航天领域，这种伺服控制方式的应用受到一定限制。
在月面巡视器中共需驱动控制17台电机，若采用传统的控制、驱动电路均备份方式则无法满足伺服控制驱动器的体积、重量指标。
根据以往航天应用经验，控制电路容易受到空间辐射效应的影响，如电离总剂量效应(TID)、单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)等，而驱动电路受空间辐射效应影响极小。因此在空间辐射环境较好(电离总剂量要求小于20Krad)，在轨运行时间较短(小于3个月)的航天器上可以考虑使用双控制器冷备份+单驱动器的伺服控制方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冗余伺服控制系统，采用双控制器冷备份和单驱动器的伺服控制方式，可大大减小控制驱动器的体积和重量。
为了达到上述的目的，本发明提供一种冗余伺服控制系统，包括一主控制器、一备控制器和一电机驱动线路模块，其中，所述主控制器与所述备控制器结构完全相同，互为冷备份；所述主控制器和备控制器均包括霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、中心控制模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块；所述霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块分别与所述中心控制模块连接，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机连接，所述主控制器的步进电机控制信号隔离模块与所述备控制器的步进电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块连接，所述主控制器的直流电机控制信号隔离模块与所述备控制器的直流电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块连接。
上述冗余伺服控制系统，其中，正常工作时，外部霍尔信号同时输入所述主控制器的霍尔信号隔离模块和所述备控制器的霍尔信号隔离模块，所述主控制器的霍尔信号隔离模块让输入的霍尔信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的霍尔信号隔离模块阻止输入的霍尔信号进入所述备控制器；外部温度信号同时输入所述主控制器的温度信号隔离模块和所述备控制器的温度信号隔离模块，所述主控制器的温度信号隔离模块让输入的温度信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的温度信号隔离模块阻止输入的温度信号进入所述备控制器；外部旋变信号同时输入所述主控制器的旋变信号隔离模块和所述备控制器的旋变信号隔离模块，所述主控制器的旋变信号隔离模块让输入的旋变信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的旋变信号隔离模块阻止输入的旋变信号进入所述备控制器；所述主控制器的步进电机控制信号隔离模块让所述主控制器的中心控制模块的输出信号无失真地到达所述电机驱动线路模块，所述备控制器的步进电机控制信号隔离模块阻止所述主控制器的中心控制模块的输出信号进入所述备控制器；所述主控制器的直流电机控制信号隔离模块让所述主控制器的中心控制模块的输出信号无失真地到达所述电机驱动线路模块，所述备控制器的直流电机控制信号隔离模块阻止所述主控制器的中心控制模块的输出信号进入所述备控制器。
上述冗余伺服控制系统，其中，工作时，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机进行通信，接收上一级中心计算机发出的各类指令、解析指令，并发送遥测数据至上一级中心计算机；所述中心控制模块采集各传感器信号完成相关计算，并输出电机控制信号至所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块。
上述冗余伺服控制系统，其中，所述中心控制模块对外部输入的霍尔信号，利用测周法完成被控直流无刷电机的速度测量；利用旋变信号和霍尔信号的测频法完成电机的位置测量；利用PID算法完成被控直流无刷电机的位置、速度闭环控制，输出电压占空比信号通过所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块传输给所述电机驱动线路模块。
上述冗余伺服控制系统，其中，所述中心控制模块包括DSP、第一FPGA、第二FPGA、数据存储器、程序存储器、SJA1000、旋变器激励及RDC电路、AD574、霍尔信号输入滤波电路和PCA82C250；通过所述霍尔信号隔离模块的霍尔信号输入所述霍尔信号输入滤波电路，所述霍尔信号输入滤波电路与所述第一FPGA连接；通过所述温度信号隔离模块的温度信号输入所述AD574，所述AD574与所述第二FPGA连接；通过所述旋变信号隔离模块的旋变信号输入旋变器激励及RDC电路，所述旋变器激励及RDC电路与所述第二FPGA连接；所述第一FPGA和第二FPGA分别通过总线收发器与所述DSP连接；所述数据存储器和程序存储器均与所述DSP连接；所述第二FPGA依次通过所述SJA1000和PCA82C250与上一级中心计算机连接；所述第一FPGA与所述直流电机控制信号隔离模块连接；所述第二FPGA与所述步进电机控制信号隔离模块连接。
上述冗余伺服控制系统，其中，所述直流电机控制信号隔离模块包括二极管D3和电阻R4，所述二极管D3的阳极与所述中心模块连接，所述二极管D3的阴极与所述电阻R4连接，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R4连接二极管的一端与所述电机驱动线路模块连接。
上述冗余伺服控制系统，其中，所述双机加电检测模块包括二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端+5V电压，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的阳极连接，所述电阻R2的一端与所述二极管D1的阴极连接，所述电阻R2的另一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的另一端接地，被测控制器加电或断电状态输入所述二极管D2的阳极，所述二极管D1的阳极连接所述中心控制模块。
本发明的冗余伺服控制系统控制电路为主、备冷备份，驱动器无备份，与传统的控制电路和电机驱动电路同时备份的方式相比，本伺服控制系统的体积可减小1/3，重量可减少一半。
附图说明
本发明的冗余伺服控制系统由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明实施例的冗余伺服控制系统的结构框图。
图2是本发明实施例中中心控制模块的结构示意图。
图3是本发明实施例中直流电机控制信号隔离模块的电路图。
图4是本发明实施例中双机加电检测模块的电路图。
具体实施方式
以下将结合图1～图4对本发明的冗余伺服控制系统作进一步的详细描述。
参见图1，本发明一较佳实施例中，冗余伺服控制系统包括一主控制器10、一备控制器20和一电机驱动线路模块30，其中，所述主控制器10与所述备控制器20结构完全相同，互为冷备份；
所述主控制器10和备控制器20均包括霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、中心控制模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块；
所述霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块分别与所述中心控制模块连接，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机(图1中未示)连接，所述主控制器的步进电机控制信号隔离模块与所述备控制器的步进电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块30连接，所述主控制器的直流电机控制信号隔离模块与所述备控制器的直流电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块30连接。
正常工作时，外部霍尔信号同时输入所述主控制器10的霍尔信号隔离模块和所述备控制器20的霍尔信号隔离模块，所述主控制器10的霍尔信号隔离模块(热板上的)用于让输入的霍尔信号无失真地进入所述主控制器10的中心控制模块，所述备控制器20的霍尔信号隔离模块(冷板上的)用于阻止输入的霍尔信号进入所述备控制器20(冷板)以免造成信号的衰减与失真，即正常工作时，在霍尔信号隔离模块作用下，输入到备份控制器的霍尔信号可以实现隔离，不会对主控制器产生影响；外部温度信号同时输入所述主控制器10的温度信号隔离模块和所述备控制器20的温度信号隔离模块，所述主控制器10的温度信号隔离模块用于让输入的温度信号无失真地进入所述主控制器10的中心控制模块，所述备控制器20的温度信号隔离模块用于阻止输入的温度信号进入所述备控制器20以免造成信号的衰减与失真，即正常工作时，在温度信号隔离模块作用下，输入到备份控制器的温度信号可以实现隔离，不会对主控制器产生影响；外部旋变信号同时输入所述主控制器10的旋变信号隔离模块和所述备控制器20的旋变信号隔离模块，所述主控制器10的旋变信号隔离模块用于让输入的旋变信号无失真地进入所述主控制器10的中心控制模块，所述备控制器20的旋变信号隔离模块用于阻止输入的旋变信号进入所述备控制器20以免造成信号的衰减与失真，即正常工作时，在旋变信号隔离模块作用下，输入到备份控制器的旋变信号可以实现隔离，不会对主控制器产生影响。
工作时，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机进行通信，接收上一级中心计算机发出的各类指令、解析指令，并发送遥测数据至上一级中心计算机；所述指令包括移动多电机控制指令、机械臂多电机控制指令、移动多电机模式指定指令、单电机模式指定指令、移动多电机数据请求指令、移动多电机插补响应时间参数设定指令、存储重要数据指令和关键遥测量数据请求指令；所述中心控制模块采集各传感器信号(包括霍尔信号、温度信号、旋变信号)完成相关计算，并输出电机控制信号至所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块。所述中心控制模块对外部输入的霍尔信号，利用测周法完成被控直流无刷电机的速度测量；利用旋变信号和霍尔信号的测频法完成电机的位置测量；利用PID算法完成被控直流无刷电机的位置、速度闭环控制，输出电压占空比信号(电机控制信号)通过所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块传输给所述电机驱动线路模块30。
正常工作时，只有所述主控制器10的中心控制模块工作，所述主控制器10的中心控制模块输出电机控制信号(包括步进电机控制信号和直流电机控制信号)，所述主控制器10的步进电机控制信号隔离模块用于让所述主控制器10的中心控制模块输出的步进电机控制信号无失真地到达所述电机驱动线路模块30，所述备控制器20的步进电机控制信号隔离模块用于阻止所述步进电机控制信号进入冷板以免造成信号的衰减与失真；所述主控制器10的直流电机控制信号隔离模块用于让所述主控制器10的中心控制模块输出的直流电机控制信号无失真地到达所述电机驱动线路模块30，所述备控制器20的直流电机控制信号隔离模块用于阻止所述直流电机控制信号进入冷板以免造成信号的衰减与失真。
所述主控制器10的双机加电检测模块用于监控备控制器的加电或断电状态，所述备控制器20的双机加电检测模块用于监控主控制器的加电或断电状态，当发生双机同时加电的故障时能够正确识别并让主份控制停止工作，从而保证备控制器能正常完成功能。
所述电机驱动线路模块30用于完成步进电机、直流电机的底层功率驱动。
本实施例中，所述霍尔信号隔离模块包括开关型二极管1N4148和RC滤波电路，即采用开关型二极管1N4148隔离的方式。
所述温度信号隔离模块包括开关型二极管1N4148和16选1多路复用器ADG506A；外部温度信号同时输入主、备份控制器，与控制器上的16选1的多路开关ADG506输入端直接相连，为达到冷热隔离之目的，把主、备控制器上各个多路开关芯片ADG506的通路选通信号全部下拉，将第一个通道接地，同时备控制器上的多路开关一直供电，这样当备控制器不上电时，多路开关一直选通第一个通道，所以备控制器对主控制器来说就是高阻，从而对主控制器上的信号不产生影响。
所述旋变信号隔离模块包括8选1多路复用器ADG408。
参见图2，所述中心控制模块包括DSP(例如芯片SMJ320C31GFAM40)、第一FPGA(例如芯片A54SX72A)、第二FPGA(例如芯片A54SX72A)、数据存储器(SRAM)、程序存储器(PROM)、SJA1000、旋变器激励及RDC电路、AD574、霍尔信号输入滤波电路和PCA82C250；
通过所述霍尔信号隔离模块的霍尔信号输入所述霍尔信号输入滤波电路，所述霍尔信号输入滤波电路与所述第一FPGA连接；通过所述温度信号隔离模块的温度信号输入所述AD574，所述AD574与所述第二FPGA连接；通过所述旋变信号隔离模块的旋变信号输入旋变器激励及RDC电路，所述旋变器激励及RDC电路与所述第二FPGA连接；所述第一FPGA和第二FPGA分别通过总线收发器与所述DSP连接；所述数据存储器和程序存储器均与所述DSP连接；所述第二FPGA依次通过所述SJA1000和PCA82C250与上一级中心计算机连接；所述第一FPGA与所述直流电机控制信号隔离模块连接；所述第二FPGA与所述步进电机控制信号隔离模块连接。
如图3所示，所述直流电机控制信号隔离模块包括二极管D3和电阻R4，所述二极管D3的阳极与所述中心模块连接，所述二极管D3的阴极与所述电阻R4连接，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R4连接二极管的一端与所述电机驱动线路模块30连接。所述步进电机控制信号隔离模块的结构与所述直流电机控制信号隔离模块的结构相同。
如图4所示，所述双机加电检测模块包括二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端+5V电压，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的阳极连接，所述电阻R2的一端与所述二极管D1的阴极连接，所述电阻R2的另一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的另一端接地，被测控制器加电或断电状态输入所述二极管D2的阳极，所述二极管D1的阳极连接所述中心控制模块。双机加电检测模块检测主、备份控制的工作状态，若发现出现主/备控制器两者同时工作的异常现象后通知主控制器的FPGA启动内部‘输出封口电路，将17台电机的控制信号均置成‘低电平’，即封锁输出口，同时输出‘高电平，关闭两路CAN总线控制器SJA1000，确保备份板上CAN总线能正常工作。所述双机加电检测模块工作原理如下：
正常工况一：主控制器上电备份板断电，此时主控制器上第一FPGA和第二FPGA相应的检测管脚上为‘低电平’，两片FPGA均处于正常工作状态；
正常工况二：主控制器断电备份板上电，此时控制器上第一FPGA和第二FPGA相应的检测管脚上为‘低电平’，两片FPGA均处于正常工作状态；
故障工况；主控制器、备控制器均被上电，此时主控制器上第一FPGA和第二FPGA相应的检测管脚上为‘高电平’，两片FPGA启动内部‘输出封口电路，将17台电机的控制信号均置成‘低电平’，即封锁输出口，同时输出‘高电平，关闭两路CAN总线控制器SJA1000，确保备控制器上CAN总线能正常工作，此时备控制器上第一FPGA和第二FPGA相应的检测管脚上仍为‘低电平’，备控制器上两片FPGA均处于正常工作状态，即当发生双机加电时故障时，封锁主控制器的输出，让备控制器能正常工作。
电机驱动线路模块30中芯片LMD18200及外围电路完成步进电机的功率驱动，芯片LMD18200内部包含两个功率H桥电路，芯片MSK4300及外围电路完成直流电机的功率驱动，芯片MSK4300内部包含一个三相桥电路。
本实施例中，控制电路为主、备冷备份，驱动器无备份，采用特定电路完成霍尔信号、温度信号、旋变信号、步进电机控制信号、直流电机控制信号的冷热隔离。与传统的控制电路和电机驱动电路同时备份的方式相比，伺服控制系统的体积可减小1/3，重量可减少一半，适合于空间辐射环境较好(电离总剂量要求小于20Krad(si))，在轨运行时间较短(小于3个月)的航天器上应用。
Claims (6)
1.冗余伺服控制系统，其特征在于，包括一主控制器、一备控制器和一电机驱动线路模块，其中，所述主控制器与所述备控制器结构完全相同，互为冷备份；
所述主控制器和备控制器均包括霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、中心控制模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块；
所述霍尔信号隔离模块、温度信号隔离模块、旋变信号隔离模块、步进电机控制信号隔离模块、直流电机控制信号隔离模块和双机加电检测模块分别与所述中心控制模块连接，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机连接，所述主控制器的步进电机控制信号隔离模块与所述备控制器的步进电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块连接，所述主控制器的直流电机控制信号隔离模块与所述备控制器的直流电机控制信号隔离模块通过共同通道与所述电机驱动线路模块连接；
正常工作时，外部霍尔信号同时输入所述主控制器的霍尔信号隔离模块和所述备控制器的霍尔信号隔离模块，所述主控制器的霍尔信号隔离模块让输入的霍尔信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的霍尔信号隔离模块阻止输入的霍尔信号进入所述备控制器；外部温度信号同时输入所述主控制器的温度信号隔离模块和所述备控制器的温度信号隔离模块，所述主控制器的温度信号隔离模块让输入的温度信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的温度信号隔离模块阻止输入的温度信号进入所述备控制器；外部旋变信号同时输入所述主控制器的旋变信号隔离模块和所述备控制器的旋变信号隔离模块，所述主控制器的旋变信号隔离模块让输入的旋变信号无失真地进入所述主控制器的中心控制模块，所述备控制器的旋变信号隔离模块阻止输入的旋变信号进入所述备控制器；所述主控制器的步进电机控制信号隔离模块让所述主控制器的中心控制模块的输出信号无失真地到达所述电机驱动线路模块，所述备控制器的步进电机控制信号隔离模块阻止所述主控制器的中心控制模块的输出信号进入所述备控制器；所述主控制器的直流电机控制信号隔离模块让所述主控制器的中心控制模块的输出信号无失真地到达所述电机驱动线路模块，所述备控制器的直流电机控制信号隔离模块阻止所述主控制器的中心控制模块的输出信号进入所述备控制器。
2.如权利要求1所述的冗余伺服控制系统，其特征在于，工作时，所述中心控制模块通过CAN总线与上一级中心计算机进行通信，接收上一级中心计算机发出的各类指令、解析指令，并发送遥测数据至上一级中心计算机；所述中心控制模块采集各传感器信号完成相关计算，并输出电机控制信号至所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块。
3.如权利要求2所述的冗余伺服控制系统，其特征在于，所述中心控制模块对外部输入的霍尔信号，利用测周法完成被控直流无刷电机的速度测量；利用旋变信号和霍尔信号的测频法完成电机的位置测量；利用PID算法完成被控直流无刷电机的位置、速度闭环控制，输出电压占空比信号通过所述步进电机控制信号隔离模块和直流电机控制信号隔离模块传输给所述电机驱动线路模块。
4.如权利要求1所述的冗余伺服控制系统，其特征在于，所述中心控制模块包括DSP、第一FPGA、第二FPGA、数据存储器、程序存储器、SJA1000、旋变器激励及RDC电路、AD574、霍尔信号输入滤波电路和PCA82C250；
通过所述霍尔信号隔离模块的霍尔信号输入所述霍尔信号输入滤波电路，所述霍尔信号输入滤波电路与所述第一FPGA连接；通过所述温度信号隔离模块的温度信号输入所述AD574，所述AD574与所述第二FPGA连接；通过所述旋变信号隔离模块的旋变信号输入旋变器激励及RDC电路，所述旋变器激励及RDC电路与所述第二FPGA连接；所述第一FPGA和第二FPGA分别通过总线收发器与所述DSP连接；所述数据存储器和程序存储器均与所述DSP连接；所述第二FPGA依次通过所述SJA1000和PCA82C250与上一级中心计算机连接；所述第一FPGA与所述直流电机控制信号隔离模块连接；所述第二FPGA与所述步进电机控制信号隔离模块连接。
5.如权利要求1所述的冗余伺服控制系统，其特征在于，所述直流电机控制信号隔离模块包括二极管D3和电阻R4，所述二极管D3的阳极与所述中心模块连接，所述二极管D3的阴极与所述电阻R4连接，所述电阻R4的另一端接地，所述电阻R4连接二极管的一端与所述电机驱动线路模块连接。
6.如权利要求1所述的冗余伺服控制系统，其特征在于，所述双机加电检测模块包括二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端接+5V电压，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的阳极连接，所述电阻R2的一端与所述二极管D1的阴极连接，所述电阻R2的另一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的一端与所述二极管D2的阴极连接，所述电阻R3的另一端接地，被测控制器加电或断电状态输入所述二极管D2的阳极，所述二极管D1的阳极连接所述中心控制模块。
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| GR03 | Grant of secret patent right | ||
| DC01 | Secret patent status has been lifted | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: No.3805, Jindu Road, Minhang District, Shanghai, 201109 Patentee after: Aerospace System Engineering Shanghai Address before: 201108, No. 3805 Jin Du Road, Shanghai, Minhang Patentee before: Aerospace System Engineering Shanghai |