CN106200479A - 实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器 - Google Patents

Abstract

实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，应用于高可靠新一代运载火箭伺服系统和导弹系列伺服系统。通过三个子控制器之间的数据通讯，实现信息交互和共享，为实现功率放大单元的故障吸收提供技术基础。三冗余伺服阀电流信号通过三路模/数转换单元进行采集，输入到三个CPU控制单元中进行电流监测，当一路功率放大单元出现一度故障时，通过调整三个运算放大电路输出端的电压输出，实现对正常两路功率放大单元输出电流的调节，以补偿故障通道的电流输出。该方法实现了功率放大单元一度故障吸收，达到在功率放大单元一度故障时精确控制三冗余伺服阀的目的，且在部分功能电路出现二度故障时，也具有故障吸收功能，提高三冗余伺服控制器的可靠性。

Description

实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器

技术领域：

本发明涉及一种实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，应用于高可靠新一代运载火箭伺服系统和导弹系列伺服系统。

背景技术：

目前，公知的三冗余伺服控制器是通过1553B总线接收控制系统的三冗余数字控制指令，三冗余伺服控制器的每个余度通过模/数转换采集一台伺服机构的三冗余线位移传感器三路线位移，由DSP执行线位移多数表决算法和数据闭环控制算法处理，经数/模转换及功率放大后输出伺服阀控制电流，输出到一个三冗余伺服阀的三个前置级，控制伺服作动器执行相应动作。但是，该方法采集线位移信号所需要的模/数转换器数量较多(9路)，且仅具有部分一度故障吸收功能，对于功率放大单元出现的故障无法进行故障吸收。

发明内容：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，减少了模/数转换器数量，能够吸收功率放大单元的一度故障，提高三冗余伺服控制器的可靠性。

本发明的技术解决方案是：实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，包括三个子控制器，每个子控制器均包括CPU控制单元，数/模转换单元、第一模/数转换单元、第二模/数转换单元以及功率放大单元，每个子控制器分别与三冗余位移传感器的一路以及三冗余伺服阀的一路对应连接；

每个子控制器的CPU控制单元接收一路控制指令、第一模/数转换单元反馈的三冗余伺服阀的一路控制电流以及第二模/数转换单元反馈的三冗余位移传感器的一路线位移信号，将控制指令和线位移信号进行闭环控制运算，得到三冗余伺服阀的一路数字量控制电流输出给数/模转换单元；同时将控制指令、三冗余伺服阀的一路控制电流以及三冗余位移传感器的一路线位移信号通过数据通讯与其他两个子控制器的CPU控制单元进行交互和共享，通过对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算，对数字量控制电流进行补偿，实现功率放大单元一度故障的吸收；

数/模转换单元将数字量控制电流转换为电压量控制电流，输出给功率放大单元；

功率放大单元将电压量控制电流转换为控制电流，输出给三冗余伺服阀的一路；

第一模/数转换单元采集三冗余伺服阀的一路控制电流，进行转换后反馈给CPU控制单元；

第二模/数转换单元采集三冗余位移传感器的一路线位移信号，进行转换后反馈给CPU控制单元。

所述每个子控制器的数/模转换单元与一个电压处理电路连接，每个电压处理电路将三个子控制器的数/模转换单元输出的电压量控制电流进行取中值计算后，将结果输出给对应的功率放大单元，实现三个子控制器数/模转换单元前端电路的一度故障吸收。

每个CPU控制单元对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算后，对数字量控制电流进行补偿，实现功率放大单元一度故障吸收的方法如下：

(3.1)每个CPU控制单元按照如下公式对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算，得到故障控制电流和多数表决后的输出值I_x：

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)

$I_x=\frac{I_{xi}+I_{xj}}{2}$

式中，I_x1、I_x2、I_x3表示三冗余伺服阀的三路控制电流，故障控制电流为I_xk，k≠i且k≠j；

(3.2)将故障控制电流与多数表决后的输出值I_x做差，根据做差结果对数字量控制电流e进行校正，使输出到三冗余伺服阀的总电流不变，校正方法如下：

ΔI_x＝I_xk-I_x

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

式中，f表示对数字量控制电流e进行补偿后的电流。

所述数字量控制电流e按照如下方式获得：

(4.1)每个CPU控制单元对三冗余位移传感器的三路线位移信号进行多数表决运算，得到表决后的输出值V_x：

ΔV_x12＝|V_x1-V_x2|

ΔV_x23＝|V_x2-V_x3|

ΔV_x13＝|V_x1-V_x3|

ΔV_xpq＝min(ΔV_x12,ΔV_x23,ΔV_x13)

$V_x=\frac{V_{xp}+V_{xq}}{2}$

式中，V_x1、V_x2、V_x3分别表示三冗余位移传感器的三路线位移信号；

(4.2)每个CPU控制单元将接收的控制指令和量纲转换后的V_x做差，结果进行增益放大后得到数字量控制电流e。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过三个CPU控制单元之间的数据通讯，实现三路指令信号、三路电流信号的信息交互和共享，为实现功率放大单元的故障诊断提供技术基础。

(2)三冗余伺服阀电流信号通过三路模/数转换单元进行采集，输入到三个CPU控制单元中进行电流监测，通过CPU控制单元之间的数据总线进行数据交互，实现功率放大单元输出电流的多数表决和故障诊断。当一路功率放大单元出现一度故障时，通过对数字量控制电流进行补偿，实现对正常两路功率放大单元输出电流的调节，以补偿故障通道的电流输出。该方法实现了对功率放大单元一度故障的吸收，达到功率放大单元一度故障时精确控制三冗余伺服阀的目的，提高三冗余伺服控制器可靠性。

(3)通过电压处理电路对三个子控制器的数/模转换单元的电压量控制电流进行取中值处理，实现三个子控制器数/模转换单元前端电路(包括CPU控制单元和D/A转换单元)的一度故障吸收。

(4)本发明在部分功能电路出现二度故障时，具有故障吸收功能。如图1中的第一个通道的CPU控制单元、第一数/模转换单元出现一度故障，通过电压处理电路实现前端故障吸收；而此时第二路的功率放大单元25出现二度故障，则通过调整第二路和第三路数/模转换单元输出端的电压量控制电流，实现对正常两路功率放大单元(第一路和第三路)输出电流的调节，以补偿故障通道的电流输出。

(5)位移采集通道出现一度故障，则通过多数表决算法剔除故障线位移信号，使线位移的一度故障不影响伺服系统控制，实现反馈通道的一度故障吸收。

(6)本发明采集线位移信号所需要的模/数转换器数量为三路，三路位移信号同时在三个CPU控制单元里进行表决，有效保证了系统整体可靠性和控制精度；同时减少了模/数转换器数量，进一步降低了硬件成本，且提高了系统的固有可靠性。

附图说明：

图1为本发明系统组成示意图；

图2是本发明工作过程流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明提供了一种实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，硬件由三个子控制器组成，每个子控制器由CPU控制单元、模/数转换单元、两个数/模转换单元和功率放大单元组成。三冗余线位移传感器的三路与三个子控制器对应连接，三冗余伺服阀的三路与三个子控制器对应连接。

子控制器1的CPU控制单元11接收控制指令C1，通过模/数转换单元采集三冗余线位移传感器第一路输出的线位移信号W1以及三冗余伺服阀第一路的控制电流D1，将控制指令C1和线位移信号W1进行闭环控制运算，得到三冗余伺服阀第一路的数字量控制电流输出给数/模转换单元12，数/模转换单元12将数字量控制电流转换为电压量控制电流，输出给功率放大单元15，功率放大单元15将电压量控制电流转换为控制电流，输出给三冗余伺服阀的第一路。第一模/数转换单元13采集三冗余伺服阀第一路的控制电流D1，进行转换后反馈给CPU控制单元11。第二模/数转换单元14采集三冗余位移传感器第一路的线位移信号W1，进行转换后反馈给CPU控制单元11。

子控制器2的CPU控制单元21接收控制指令C2，通过模/数转换单元采集三冗余线位移传感器第二路输出的线位移W2以及三冗余伺服阀第二路的控制电流D2，子控制器3的CPU控制单元31接收控制指令C3，通过数/模转换单元采集三冗余线位移传感器第三路输出的线位移W3以及三冗余伺服阀第三路的控制电流D3，每个子组件与子控制器1中的处理类似，这里不再赘述。每个子控制器采集的控制指令、线位移和控制电流，作为闭环运算和故障诊断的输入信号。三个子控制器的CPU控制单元11、21、31之间通过数字总线进行数据通讯，实现前端电路数据通讯，使三个子控制器分别采集的线位移W1、W2、W3和控制电流D1、D2、D3，可供三个子控制器同时使用，进行多数表决和故障判断，给出数字量控制电流的补偿策略和结果；三个子控制器将补偿结果进行数/模转换后，作为三冗余功率放大单元的输入信号，实现功率放大单元一度故障的吸收，经功率放大单元变换为电流信号控制三冗余伺服阀执行相应动作；实现高可靠三冗余控制。

如图2所示，本发明的三个子控制器配置相同，三冗余伺服控制故障吸收的实现步骤相同，以子控制器1为例说明其工作流程：

(1)子控制器1接收控制指令和采集线位移、电流信号

子控制器1的CPU控制单元11通过数字总线接收控制系统发送的伺服控制指令1信号C1，通过第二模/数转换单元14采集三冗余线位移传感第一路的线位移W1，第一模/数转换单元13采集三冗余伺服阀第一路的阀电流D1。

(2)CPU控制单元11、12、13数据交互

CPU控制单元11通过数字总线1-2和总线1-3，分别与CPU控制单元12和CPU控制单元13进行数据通讯，将子控制器1采集的线位移W1和控制电流D1发送给子控制器2和子控制器3，接收子控制器2和子控制器3采集的线位移W2、W3和控制电流D2、D3。

(3)线位移W1、W2、W3进行多数表决

如位移采集通道出现一度故障，则通过多数表决算法剔除故障线位移信号，使线位移的一度故障不影响伺服系统控制，实现反馈通道的一度故障吸收。三冗余线位移多数表决算法如下：

ΔV_x12＝|V_x1-V_x2|

ΔV_x23＝|V_x2-V_x3|

ΔV_x13＝|V_x1-V_x3|

ΔV_xpq＝min(ΔV_x12,ΔV_x23,ΔV_x13)

$V_x=\frac{V_{xp}+V_{xq}}{2}$

式中，V_x1、V_x2、V_x3分别表示线位移W1、线位移W2和线位移W3；V_x表示多数表决后的输出值。

每个CPU控制单元将接收的控制指令和量纲转换后的V_x做差，结果进行增益放大后得到数字量控制电流e。

(4)控制电流D1、D2、D3进行多数表决

当功率放大单元出现一度故障时，采用三冗余电流多数表决算法，对控制电流D1、D2、D3进行多数表决：

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)

$I_x=\frac{I_{xi}+I_{xj}}{2}$

式中，I_x1、I_x2、I_x3分别表示控制电流D1、控制电流D2和控制电流D3；

I_x表示多数表决后的输出值。

将故障电流与多数表决的结果做差，对数字控制电流e进行补偿，使输出到三冗余伺服阀的总电流不变，补偿方法如下：

ΔI_x＝I_xk-I_x

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

式中，I_xk表示故障路电流，k≠i、k≠j；

f表示对数字量控制电流e进行补偿后的电流。

该方法实现了对功率放大单元一度故障的吸收能力，达到功率放大单元一度故障时精确控制三冗余伺服阀的目的。

控制电流D1、D2、D3进行多数表决的示例如下：

假设三个子控制器的数字量控制电流e均为5mA，

(a)在三路功率放大单元均正常的情况下，则三冗余伺服阀三路控制电流I_x1、I_x2、I_x3分别为4.9mA、5.1mA和5mA，则三冗余伺服阀的总控制电流为I_x1、I_x2、I_x3之和，为15mA，该总电流实现对伺服阀的控制；

(b)在有一路功率放大单元出现一度故障的情况下，假设为第三路功率放大单元故障，三冗余伺服阀电流信号I_x1、I_x2、I_x3分别为4.9mA、5.1mA和25mA；采用三冗余电流多数表决算法，对电流1、2、3进行多数表决，

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|＝0.2mA

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|＝19.9mA

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|＝20.1mA

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)＝ΔI_x12＝0.2mA

$I_x=\frac{I_{x1}+I_{x2}}{2}=\frac{4.9+5.1}{2}=5mA$

第一路和第二路电流之间的误差最小，则该两路电流正常，则第三路电流I_x3故障，多数表决后的电流值I_x为5mA；将故障路电流I_x3与多数表决后的电流值做差，得到补偿电流值△I_x，

ΔI_x＝I_xk-I_x＝I_x3-I_x＝25-5＝20mA

通过补偿数字量控制电流e，使正常的两路功率放大单元的输出单元均减小10mA，使最终输出给三冗余伺服阀的总电流不变，仍为15mA，即经过补偿后的数字量控制电流为：

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_x}{2}=e-\frac{20}{2}=e-10$

因为数字量控制电流e的理论值为5mA，则f＝-5mA，三冗余伺服阀电流信号I_x1、I_x2、I_x3分别为-5mA、-5mA和25mA(故障电流)，则三冗余伺服阀的总控制电流为I_x1、I_x2、I_x3之和，仍为15mA，实现了对伺服阀的精确控制和功率放大单元一度故障吸收。

(5)控制电流信号数/模转换

通过数/模转换单元12对补偿后的数字量控制电流信号进行数/模转换，输出电压量控制电流(模拟电压信号)。

(6)电压信号取中值处理后输出

数/模转换单元12与一个电压处理电路连接，每个电压处理电路将三个子控制器的数/模转换单元输出的电压量控制电流进行取中值计算后，将结果Vf输出给功率放大单元15，可实现控制通道一度故障吸收功能。

(7)功率放大输出

通过功率放大单元15将电压信号Vf变换为伺服阀电流信号(控制电流)后输出，控制伺服阀执行相应动作。

该方法在部分功能电路出现二度故障时，具有故障吸收功能。如图1中的CPU控制单元11或数/模转换单元12出现一度故障，通过电压处理电路输出端并联实现前端故障吸收；而此时功率放大单元25出现二度故障，则通过调整第二路和第三路数/模转换单元输出端的电压量控制电流，实现对正常两路功率放大单元(第一路和第三路)输出电流的调节，以补偿故障通道的电流输出。

此技术发明与现有国内外现有方案相比，可实现简化采集电路、所有功能电路一度故障吸收，以及部分功能电路的二度故障吸收，进一步提高三冗余控制设备的产品可靠性。

本发明通过仿真和工程试验验证，在采用该方法之前，当功率放大单元出现一度故障时，三冗余伺服控制器控制对象的零偏出现超差，实测值达到-1.39°，不满足-0.1～0.1°的指标要求。采用该方法之后，当功率放大单元出现一度故障时，三冗余伺服控制器控制对象的零偏正常，实测值为0.06°，满足-0.1～0.1°的指标要求。说明本发明方法在减少模/数转换器数量的同时，能够有效吸收功率放大单元的一度故障，提高伺服控制器的可靠性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，其特征在于：包括三个子控制器，每个子控制器均包括CPU控制单元，数/模转换单元、第一模/数转换单元、第二模/数转换单元以及功率放大单元，每个子控制器分别与三冗余位移传感器的一路以及三冗余伺服阀的一路对应连接；

每个子控制器的CPU控制单元接收一路控制指令、第一模/数转换单元反馈的三冗余伺服阀的一路控制电流以及第二模/数转换单元反馈的三冗余位移传感器的一路线位移信号，将控制指令和线位移信号进行闭环控制运算，得到三冗余伺服阀的一路数字量控制电流输出给数/模转换单元；同时将控制指令、三冗余伺服阀的一路控制电流以及三冗余位移传感器的一路线位移信号通过数据通讯与其他两个子控制器的CPU控制单元进行交互和共享，通过对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算，对数字量控制电流进行补偿，实现功率放大单元一度故障的吸收；

数/模转换单元将数字量控制电流转换为电压量控制电流，输出给功率放大单元；

功率放大单元将电压量控制电流转换为控制电流，输出给三冗余伺服阀的一路；

第一模/数转换单元采集三冗余伺服阀的一路控制电流，进行转换后反馈给CPU控制单元；

第二模/数转换单元采集三冗余位移传感器的一路线位移信号，进行转换后反馈给CPU控制单元。

2.根据权利要求1所述的实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，其特征在于：所述每个子控制器的数/模转换单元与一个电压处理电路连接，每个电压处理电路将三个子控制器的数/模转换单元输出的电压量控制电流进行取中值计算后，将结果输出给对应的功率放大单元，实现三个子控制器数/模转换单元前端电路的一度故障吸收。

3.根据权利要求2所述的实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，其特征在于：每个CPU控制单元对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算后，对数字量控制电流进行补偿，实现功率放大单元一度故障吸收的方法如下：

(3.1)每个CPU控制单元按照如下公式对三冗余伺服阀的三路控制电流进行多数表决运算，得到故障控制电流和多数表决后的输出值I_x：

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)

$I_x=\frac{I_{xi}+I_{xj}}{2}$

式中，I_x1、I_x2、I_x3表示三冗余伺服阀的三路控制电流，故障控制电流为I_xk，k≠i且k≠j；

(3.2)将故障控制电流与多数表决后的输出值I_x做差，根据做差结果对数字量控制电流e进行校正，使输出到三冗余伺服阀的总电流不变，校正方法如下：

ΔI_x＝I_xk-I_x

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

式中，f表示对数字量控制电流e进行补偿后的电流。

4.根据权利要求3所述的实现功率放大单元故障吸收的三冗余伺服控制器，其特征在于：所述数字量控制电流e按照如下方式获得：

(4.1)每个CPU控制单元对三冗余位移传感器的三路线位移信号进行多数表决运算，得到表决后的输出值V_x：

ΔV_x12＝|V_x1-V_x2|

ΔV_x23＝|V_x2-V_x3|

ΔV_x13＝|V_x1-V_x3|

ΔV_xpq＝min(ΔV_x12,ΔV_x23,ΔV_x13)

$V_x=\frac{V_{xp}+V_{xq}}{2}$

式中，V_x1、V_x2、V_x3分别表示三冗余位移传感器的三路线位移信号；

(4.2)每个CPU控制单元将接收的控制指令和量纲转换后的V_x做差，结果进行增益放大后得到数字量控制电流e。