CN107526289A - 一种基于can总线的两余度舵机控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，采用了差动周转轮系运动合成方式，有效地解决了负载不均衡时带来的力纷争问题。使舵机控制系统的可靠性提高。2个余度通道电气部分完全相同，都能独立完成控制任务，实现了完全电气余度，其中一个通道中的任何部件发生故障，舵机系统仍能正常运行。采用了可靠性和实时性高的CAN通讯方式，使两余度间的切换迅速、准确。该双余度控制系统控制精确，余度可靠。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，适用于机械领域。
背景技术
舵机作为飞行器上的关键执行机构，一旦出现故障就会威胁飞行器的飞行安全，舵机的性能和可靠性直接影响飞行器的安全可靠性。较先进的飞行器大都采用了以伺服电动机为驱动动力的电动舵机。要提高舵机的可靠性，仅靠采用提高各控制元件和电机的性能和可靠性的方法，在当时的技术发展水平下，效果并不明显，而成本却成倍地增加。采用余度技术，能够使用成本和可靠性相对较低的元器件组成可靠性高的系统。因此，在飞行器舵机控制系统中应用余度技术是提高飞行器任务可靠性与安全可靠性的有效途径。无刷直流电动机综合了直流电机和交流电机的优点，结构简单、运行可靠、效率高、调速性能好，采用无刷直流电动机作为电动舵机的驱动动力，能进一步提高飞行器的操控性能。CAN总线与常用的RS422,
RS485等通信网络相比，具有可靠性高、实时性好的优点。
发明内容
本发明提出了一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，采用了差动周转轮系运动合成方式，有效地解决了负载不均衡时带来的力纷争问题。使舵机控制系统的可靠性提高。2个余度通道电气部分完全相同，都能独立完成控制任务，实现了完全电气余度，其中一个通道中的任何部件发生故障，舵机系统仍能正常运行。采用了可靠性和实时性高的CAN通讯方式，使两余度间的切换迅速、准确。
本发明所采用的技术方案是：
所述控制系统的上位机通过CAN通信向通道1和通道2发布控制指令，通道1和通道2之间也可通过CAN通信交互信息，通道1和通道2通过差动周转轮系把电机1和电机2的机械运动合成为输出轴的运动，再通过直线作动器把旋转运动转变为直线运动，从而带动舵面旋转。当两个通道的负载不均衡(即转速不一致)时，差动周转轮系能有效地解决力纷争问题，从而降低了控制系统设计的难度。舵机控制系统中的每一通道都由电机、控制驱动单元和供电电源等组成，其中一个通道中的任何部件发生故障，系统都可切换为另一通道替换其工作，舵机系统仍能正常运行，使飞行器的安全可靠性得到提高。
所述舵机控制系统中的控制器是完成舵机运动控制的主体，主要负责和上位机的信息交互，电机的控制和驱动，余度的调度管理和故障的诊断和分类等功能。控制系统中的两个通道中的控制器功能相同，在硬件和软件配置上也完全一致。
所述控制器的硬件电路主要由MCU、电机控制和驱动电路、CAN接口电路、刹车电路、位置检测电路和过流检测电路等模块组成。
所述控制系统的MCU选用Freescale
Semiconductor的高性能16位MC9S
12DG256微处理器，它集成了PWM、串行通信接口、A/D转换器、串行设备接口和CAN接口等各种外设资源。它具有数值计算强.运算指令丰富，晶振模块的功耗低，FLASH存储器容量大，可以在线编程等优点。MCU的任务主要是与上位机进行信息交换，通过CAN驱动器实现CAN信息帧的收发，向LM629写进指令和数据，同时接收LM629反馈回的信息。
所述MC9S12DG256微控制器芯片内部集成了CAN控制器，要完成通信功能，在硬件电路上只需要加上CAN驱动器PCA82C250和光电藕合器bN137。另外，抑制反射的120 SZ的终端匹配电阻还应接在总线的两端，以提高通讯的抗干扰能力和可靠性。
所述控制器软件在CodeWarrior集成开发环境下开发，控制器软件采用模块化设计，主要包括主程序、初始化模块、运动控制模块和通讯模块。主程序主要负责余度管理及余度切换，故障检测处理，并通过检测电机轴端的光电编码器，获取各通道电机的工作任务完成情况。
所述初始化模块主要包括对通讯参数的初始化和对LM629的初始化。通讯参数初始化主要是对MSCAN模块的与通讯初始化相关的寄存器进行设置，如对MSCAN中的CAN1的初始化包括对寄存器CANIBTRO、CAN1BTRl、CANICTLI、CAN1IDAC、CANIIDAR、CANIIDMR等寄存器进行设置。对LM629进行初始化操作时，LM629的RST引脚被拉低至少8个时钟周期，LM629就会硬件复位。
所述运动控制模块主要是由MCU通过对LM629的控制来实现电机控制功能。首先进行初始化操作，然后依次传送PID参数和运动轨迹参数，最后发送运动命令，电机开始运动，在这一过程中一直读LM629状态字，检测其是否已经完成运动轨迹，当运动轨迹完成后，等待新的运动命令。通讯模块主要实现CAN通信传输数据的接收和发送，采用中断机制实现。
本发明的有益效果是：该控制系统采用了差动周转轮系运动合成方式，有效地解决了负载不均衡时带来的力纷争问题。使舵机控制系统的可靠性提高。2个余度通道电气部分完全相同，都能独立完成控制任务，实现了完全电气余度，其中一个通道中的任何部件发生故障，舵机系统仍能正常运行。采用了可靠性和实时性高的CAN通讯方式，使两余度间的切换迅速、准确。
附图说明
图1是本发明的舵机总体结构图。
图2是本发明的控制器硬件结构图。
图3是本发明的CAN接口电路图。
图4是本发明的主程序流程图。
图5是本发明的LM629控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，控制系统的上位机通过CAN通信向通道1和通道2发布控制指令，通道1和通道2之间也可通过CAN通信交互信息，通道1和通道2通过差动周转轮系把电机1和电机2的机械运动合成为输出轴的运动，再通过直线作动器把旋转运动转变为直线运动，从而带动舵面旋转。当两个通道的负载不均衡(即转速不一致)时，差动周转轮系能有效地解决力纷争问题，从而降低了控制系统设计的难度。舵机控制系统中的每一通道都由电机、控制驱动单元和供电电源等组成，其中一个通道中的任何部件发生故障，系统都可切换为另一通道替换其工作，舵机系统仍能正常运行，使飞行器的安全可靠性得到提高。
舵机控制系统中的控制器是完成舵机运动控制的主体，主要负责和上位机的信息交互，电机的控制和驱动，余度的调度管理和故障的诊断和分类等功能。控制系统中的两个通道中的控制器功能相同，在硬件和软件配置上也完全一致。
如图2，控制器的硬件电路主要由MCU、电机控制和驱动电路、CAN接口电路、刹车电路、位置检测电路和过流检测电路等模块组成。
如图3，控制系统的MCU选用Freescale Semiconductor的高性能16位MC9S 12DG256微处理器，它集成了PWM、串行通信接口、A/D转换器、串行设备接口和CAN接口等各种外设资源。它具有数值计算强.运算指令丰富，晶振模块的功耗低，FLASH存储器容量大，可以在线编程等优点。MCU的任务主要是与上位机进行信息交换，通过CAN驱动器实现CAN信息帧的收发，向LM629写进指令和数据，同时接收LM629反馈回的信息。
MC9S12DG256微控制器芯片内部集成了CAN控制器，要完成通信功能，在硬件电路上只需要加上CAN驱动器PCA82C250和光电藕合器bN137。另外，抑制反射的120 SZ的终端匹配电阻还应接在总线的两端，以提高通讯的抗干扰能力和可靠性。
如图4，控制器软件在CodeWarrior集成开发环境下开发，控制器软件采用模块化设计，主要包括主程序、初始化模块、运动控制模块和通讯模块。主程序主要负责余度管理及余度切换，故障检测处理，并通过检测电机轴端的光电编码器，获取各通道电机的工作任务完成情况。
如图5，初始化模块主要包括对通讯参数的初始化和对LM629的初始化。通讯参数初始化主要是对MSCAN模块的与通讯初始化相关的寄存器进行设置，如对MSCAN中的CAN1的初始化包括对寄存器CANIBTRO、CAN1BTRl、CANICTLI、CAN1IDAC、CANIIDAR、CANIIDMR等寄存器进行设置。对LM629进行初始化操作时，LM629的RST引脚被拉低至少8个时钟周期，LM629就会硬件复位。
运动控制模块主要是由MCU通过对LM629的控制来实现电机控制功能。首先进行初始化操作，然后依次传送PID参数和运动轨迹参数，最后发送运动命令，电机开始运动，在这一过程中一直读LM629状态字，检测其是否已经完成运动轨迹，当运动轨迹完成后，等待新的运动命令。通讯模块主要实现CAN通信传输数据的接收和发送，采用中断机制实现。
余度技术是提高舵机可靠性的有效方法，对于余度的切换需要一定的控制算法来实现。并行/主动式和工作/备用式是余度管理系统中的二种典型结构形式，由于并行/主动式余度系统故障瞬态小，对故障检测要求低，出现故障后可实现故障状态的无缝切换，系统的动态响应性能与可靠性均优于工作/备用式余度系统。因此系统选用并行/主动式的工作方式。
系统采用CAN总线作为上位机及控制器之间的通信方式，由于CAN总线为多主工作方式，两个通道控制器间可以相互交换信息，余度管理和故障处理可以由各通道控制器完成。系统通过上位机发出控制命令，2个通道对自身的故障状态和另一通道的故障状态进行检测，并进行余度管理。当余度通道有故障发生时，自动地进行余度切换。对各个通道进行实时故障检测和分类是余度管理的重要任务，根据故障的种类不同，采取不同的故障处理方法，实现各余度通道的切换。系统的故障种类可分为驱动电路故障、通讯故障、位置传感器故障、电机故障、控制系统故障等，这些故障的发生种类不同将会对系统产生不同程度的影响，应采用不同的故障处理方法。
Claims (8)
1.一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述控制系统的上位机通过CAN通信向通道1和通道2发布控制指令，通道1和通道2之间也可通过CAN通信交互信息，通道1和通道2通过差动周转轮系把电机1和电机2的机械运动合成为输出轴的运动，再通过直线作动器把旋转运动转变为直线运动，从而带动舵面旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述舵机控制系统中的控制器是完成舵机运动控制的主体，主要负责和上位机的信息交互，电机的控制和驱动，余度的调度管理和故障的诊断和分类等功能，控制系统中的两个通道中的控制器功能相同，在硬件和软件配置上也完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述控制器的硬件电路主要由MCU、电机控制和驱动电路、CAN接口电路、刹车电路、位置检测电路和过流检测电路等模块组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述控制系统的MCU选用Freescale Semiconductor的高性能16位MC9S 12DG256微处理器，它集成了PWM、串行通信接口、A/D转换器、串行设备接口和CAN接口等各种外设资源。
5.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述MC9S12DG256微控制器芯片内部集成了CAN控制器，要完成通信功能，在硬件电路上只需要加上CAN驱动器PCA82C250和光电藕合器bN137，另外，抑制反射的120 SZ的终端匹配电阻还应接在总线的两端，以提高通讯的抗干扰能力和可靠性。
6.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述控制器软件在CodeWarrior集成开发环境下开发，控制器软件采用模块化设计，主要包括主程序、初始化模块、运动控制模块和通讯模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述初始化模块主要包括对通讯参数的初始化和对LM629的初始化，通讯参数初始化主要是对MSCAN模块的与通讯初始化相关的寄存器进行设置，如对MSCAN中的CAN1的初始化包括对寄存器CANIBTRO、CAN1BTRl、CANICTLI、CAN1IDAC、CANIIDAR、CANIIDMR等寄存器进行设置。
8.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的两余度舵机控制系统，其特征是：所述运动控制模块主要是由MCU通过对LM629的控制来实现电机控制功能，首先进行初始化操作，然后依次传送PID参数和运动轨迹参数，最后发送运动命令，电机开始运动，在这一过程中一直读LM629状态字，检测其是否已经完成运动轨迹，当运动轨迹完成后，等待新的运动命令。
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