CN108345254B - 三冗余控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三冗余控制方法和系统，该方法包括：通过三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，根据优先级顺序，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。本发明中的方法能够通过三冗余架构实现对单驱动对象的控制，减少I、II类单点故障数量，使控制器具有高度故障兼容性、强鲁棒性。

Description

三冗余控制方法和系统
技术领域
本发明涉及三冗余控制技术领域，具体地，涉及三冗余控制方法和系统。
背景技术
随着我国新一代运载领域的发展，对火箭系统的可靠性要求越来越高，控制系统关系到火箭的成败，因此尤其重要。特别是当控制系统采用三冗余总线后，驱动单个的对象如何适应三冗余架构就成为一个必须解决的问题。传统的电机驱动只需要输入相序即可工作。但当有三路相序需要进行选择切换时，如何可靠地切换就非常的关键。
因此，根据高可靠性的要求，有必要提供一种结构清晰、仲裁可靠，适应驱动单个对象的三冗余控制方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三冗余控制方法和系统。
第一方面，本发明提供的一种三冗余控制方法，应用在三冗余控制系统中，所述系统包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接；所述方法包括：
三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；
每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；
根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；
通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。
可选地，所述三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块，包括：
将三个DSP模块按照优先级从高到低的顺序记为：A模块、B模块、C模块；
所述A模块通过内部定时计数器生成第一心跳信号，并分别向所述B模块、所述C模块发送所述第一心跳信号；
所述B模块通过内部定时计数器生成第二心跳信号，并分别向所述A模块、所述C模块发送所述第二心跳信号；
所述C模块通过内部定时计数器生成第三心跳信号，并分别向所述A模块、所述B模块发送所述第三心跳信号。
可选地，所述每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果，包括：
所述A模块根据自身生成的第一心跳信号，以及接收到的所述第二心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第一仲裁结果；其中，所述第一仲裁结果包括：所述A模块对自身是否当班的自判结果、所述B模块判断所述A模块是否当班的结果、所述C模块判断所述A模块是否当班的结果；
所述B模块根据自身生成的第二心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第二仲裁结果；其中，所述第二仲裁结果包括：所述B模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述B模块是否当班的结果、所述C模块判断所述B模块是否当班的结果；
所述C模块根据自身生成的第三心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第二心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第三仲裁结果；其中，所述第三仲裁结果包括：所述C模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述C模块是否当班的结果、所述B模块判断所述C模块是否当班的结果。
可选地，所述根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块，包括：
当某一DSP模块自判为当班的DSP模块时，若存在至少一个其他DSP模块判断所述DSP模块为当班模块，则确定所述DSP模块为当班的DSP模块。
可选地，还包括：
若三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未输出心跳信号，或者三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未接收到心跳信号，则确定所述DSP模块的故障类型，所述故障类型包括：硬件故障、飞行软件故障、自判总线输入故障、链路故障。
第二方面，本发明提供一种三冗余控制系统，包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接；
所述三个DSP模块，用于分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；
所述三取二仲裁模块，用于根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；并通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的三冗余控制方法和系统，通过三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。本发明中的方法能够通过三冗余架构实现对单驱动对象的控制，减少I、II类单点故障数量，使控制器具有高度故障兼容性、强鲁棒性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的三冗余控制系统的原理示意图；
图2为本发明实施例二提供的DSP模块心跳仲裁原理框图；
图3为本发明实施例三提供的三取二仲裁逻辑图；
图4为步进电机的三冗余控制方法的原理示意图；
图5为采用继电器差分开关实现冗余控制的电路示意图；
图6为采用继电器实现冗余控制的使能输出端的逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种三冗余控制方法，应用在三冗余控制系统中，所述系统包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接。由于数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)工作正常标志以心跳信号输出，同时接收其他模块心跳信号，进行是否正常工作的判断。因此，在本发明中，通过结合心跳信号的判断结果，根据优先级排序输出仲裁结果，再根据输出仲裁结果自主判断是否当班。当班仲裁电路采用独立的三取二电路，通过六管冗余选通电路进行使能，实现当班工作的方式。最后通过三取二电路的输出是相序驱动电路的电源通断使能端。
图1为本发明实施例一提供的三冗余控制系统的原理示意图，如图1所示，系统组成包括三冗余的1553B总线、DSP、心跳优先级三取二仲裁电路、六管选通使能电路、电源、CAN总线、电机驱动电路以及步进电机。DSP(A模块)、DSP(B模块)、DSP(C模块)之间通过CAN总线通信连接。每个DSP的输入端口均通过1553B总线与外部控制电路连接。每个DSP间通过CAN总线传输心跳信号，根据自身的心跳信号以及接收到的其他DSP发送的心跳信号得到相应的仲裁结果。每个DSP的输出端口输出的仲裁结果被发送给心跳优先级三取二仲裁电路、六管选通使能电路。最后得到当班的DSP，将所述当班的DSP的电机相序输出给电机驱动电路，实现对步进电机的控制。
具体地，本发明中的方法可以包括如下步骤：
步骤1：三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块。
本实施例中，可以将三个DSP模块按照优先级从高到低的顺序记为：A模块、B模块、C模块；所述A模块通过内部定时计数器生成第一心跳信号，并分别向所述B模块、所述C模块发送所述第一心跳信号；所述B模块通过内部定时计数器生成第二心跳信号，并分别向所述A模块、所述C模块发送所述第二心跳信号；所述C模块通过内部定时计数器生成第三心跳信号，并分别向所述A模块、所述B模块发送所述第三心跳信号。
若三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未输出心跳信号，或者三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未接收到心跳信号，则确定所述DSP模块的故障类型，所述故障类型包括：硬件故障、飞行软件故障、自判总线输入故障、链路故障。在排除故障后，重新执行步骤1。
步骤2：每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果。
本实施例中，以A模块、B模块、C模块为例，所述A模块根据自身生成的第一心跳信号，以及接收到的所述第二心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第一仲裁结果；其中，所述第一仲裁结果包括：所述A模块对自身是否当班的自判结果、所述B模块判断所述A模块是否当班的结果、所述C模块判断所述A模块是否当班的结果。所述B模块根据自身生成的第二心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第二仲裁结果；其中，所述第二仲裁结果包括：所述B模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述B模块是否当班的结果、所述C模块判断所述B模块是否当班的结果。所述C模块根据自身生成的第三心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第二心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第三仲裁结果；其中，所述第三仲裁结果包括：所述C模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述C模块是否当班的结果、所述B模块判断所述C模块是否当班的结果。
图2为本发明实施例二提供的DSP模块心跳仲裁原理框图，A模块、B模块、C模块的心跳信号通过交互输出到各模块。各模块的心跳判别模块根据输入心跳信号判别心跳信号是否正常；优先级仲裁模块根据飞行软件装订的识别码，确定本模块的优先级顺序，详见表1。其中，优先级按A模块、B模块、C模块进行顺序排列。由飞行软件判断优先级与心跳信号，输出对各模块的当班结果。飞行软件通过总线装订的方式在DSP的片内Flash区写入各模块识别码。确定各数字模块的优先级。
表1三冗余模块识别码定义表
序号 模块 代码 装订值(参数装订指令)
1 A模块 001 0x0001
2 B模块 010 0x0002
3 C模块 011 0x0003
注：除了软件方式，还可以采用硬件设置方式，通过DSP的GPIO端口设置各模块的识别码。
按优先级顺序和心跳是否正常输出仲裁结果各模块仲裁真值表见表2-表4。
表2A模块的优先级仲裁输出真值表
Figure GDA0002386255220000051
Figure GDA0002386255220000061
表3B模块的优先级仲裁输出真值表
Figure GDA0002386255220000062
表4C模块的优先级仲裁输出真值表
Figure GDA0002386255220000063
注：1、真值表中1为仲裁当班，0为仲裁不当班；
2、其他输出状态，对应该模块工作不正常，仲裁为无效结果。
三取二的仲裁规则：各模块接收另两个模块的仲裁结果，当前模块自判为当班时，且另两模块的裁判中至少有一个判为当班，本模块电机相序输出使能，真值表见表5。
表5针对单个模块(1路自判，2路外判)的仲裁输入选择结果真值表
Figure GDA0002386255220000064
Figure GDA0002386255220000071
注：真值表中1为仲裁当班，0为仲裁不当班。
步骤3：根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块。
本实施例中，当某一DSP模块自判为当班的DSP模块时，若存在至少一个其他DSP模块判断所述DSP模块为当班模块，则确定所述DSP模块为当班的DSP模块。
图3为本发明实施例三提供的三取二仲裁的逻辑图，如图3所示，三取二仲裁规则由硬件电路实现，当班信号满足(A+B)*(B+C)*(A+C)的逻辑，输出低为当班(即使能)，高不当班(缺省)。
步骤4：通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。
本实施例，通过三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。本发明中的方法能够通过三冗余架构实现对单驱动对象的控制，减少I、II类单点故障数量，使控制器具有高度故障兼容性、强鲁棒性。
图4为步进电机的三冗余控制方法的原理示意图，三冗余心跳仲裁模块对心跳信号进行计数，心跳信号采用10ms周期(可设置)。当心跳信号连续4个周期未接收到，仲裁模块判定错误，可执行切换操作。当冗余模块切换在非电机转动阶段时，电机转动角度没有误差；当冗余模块切换正在电机转动过程中时，相序需切换的故障恢复时间约为40ms(即电机停止转动40ms)，电机延迟角度约为0.4°(根据当前电机转角40°，此时的误差为1％)。电机会有瞬时的突跳或爬行。电机对故障切换延时的影响在可要求指标内。
对数字处理模块的故障状态进行归类分析，具体如表6所示。
表6故障状态归类表
Figure GDA0002386255220000081
图5为采用继电器差分开关实现冗余控制的电路示意图，如图5所示，其中的六管冗余选通电路采用三个2通路固体继电器，实现高可靠性控制继电器。采用DSP输出差分信号冗余开关固体继电器，经带使能端的锁存器和电流驱动器输出，驱动固体继电器。图6为采用继电器实现冗余控制的使能输出端的逻辑示意图。
本发明还提供一种三冗余控制系统，包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接；
所述三个DSP模块，用于分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；
所述三取二仲裁模块，用于根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；并通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号。
需要说明的是，本发明提供的所述三冗余控制方法中的步骤，可以利用所述三冗余控制系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种三冗余控制方法，其特征在于，应用在三冗余控制系统中，所述系统包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接；所述方法包括：
三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；
每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；
根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；
通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号；
通过结合心跳信号的判断结果，根据优先级排序输出仲裁结果，再根据输出仲裁结果自主判断是否当班；当班仲裁电路采用独立的三取二电路，通过六管冗余选通电路进行使能，实现当班工作的方式；最后通过三取二电路的输出是相序驱动电路的电源通断使能端；其中，优先级按A模块、B模块、C模块进行顺序排列，由飞行软件判断优先级与心跳信号，输出对各模块的当班结果，飞行软件通过总线装订的方式在DSP的片内Flash区写入各模块识别码，确定各数字模块的优先级。
2.根据权利要求1所述的三冗余控制方法，其特征在于，所述三个DSP模块分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块，包括：
将三个DSP模块按照优先级从高到低的顺序记为：A模块、B模块、C模块；
所述A模块通过内部定时计数器生成第一心跳信号，并分别向所述B模块、所述C模块发送所述第一心跳信号；
所述B模块通过内部定时计数器生成第二心跳信号，并分别向所述A模块、所述C模块发送所述第二心跳信号；
所述C模块通过内部定时计数器生成第三心跳信号，并分别向所述A模块、所述B模块发送所述第三心跳信号。
3.根据权利要求2所述的三冗余控制方法，其特征在于，所述每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果，包括：
所述A模块根据自身生成的第一心跳信号，以及接收到的所述第二心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第一仲裁结果；其中，所述第一仲裁结果包括：所述A模块对自身是否当班的自判结果、所述B模块判断所述A模块是否当班的结果、所述C模块判断所述A模块是否当班的结果；
所述B模块根据自身生成的第二心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第三心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第二仲裁结果；其中，所述第二仲裁结果包括：所述B模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述B模块是否当班的结果、所述C模块判断所述B模块是否当班的结果；
所述C模块根据自身生成的第三心跳信号，以及接收到的所述第一心跳信号、第二心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的第三仲裁结果；其中，所述第三仲裁结果包括：所述C模块对自身是否当班的自判结果、所述A模块判断所述C模块是否当班的结果、所述B模块判断所述C模块是否当班的结果。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的三冗余控制方法，其特征在于，所述根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块，包括：
当某一DSP模块自判为当班的DSP模块时，若存在至少一个其他DSP模块判断所述DSP模块为当班模块，则确定所述DSP模块为当班的DSP模块。
5.根据权利要求1所述的三冗余控制方法，其特征在于，还包括：
若三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未输出心跳信号，或者三个DSP模块中存在DSP模块在预设的周期时长内未接收到心跳信号，则确定所述DSP模块的故障类型，所述故障类型包括：硬件故障、飞行软件故障、自判总线输入故障、链路故障。
6.一种三冗余控制系统，其特征在于，包括：驱动电路、三取二仲裁模块，以及与所述驱动电路连接的三个数字信号处理器DSP模块，三个DSP模块之间通过内部CAN总线通信连接；
所述三个DSP模块，用于分别生成心跳信号并发送给其他DSP模块；每个DSP模块接收其他DSP模块发送的心跳信号，并结合自身生成的心跳信号进行仲裁判断，得到表征三个DSP模块所处状态的仲裁结果；
所述三取二仲裁模块，用于根据每个DSP模块输出的仲裁结果，从所述三个DSP模块中确定当班的DSP模块；并通过所述当班的DSP模块向所述驱动电路发送使能控制信号；通过结合心跳信号的判断结果，根据优先级排序输出仲裁结果，再根据输出仲裁结果自主判断是否当班；当班仲裁电路采用独立的三取二电路，通过六管冗余选通电路进行使能，实现当班工作的方式；最后通过三取二电路的输出是相序驱动电路的电源通断使能端；其中，优先级按A模块、B模块、C模块进行顺序排列，由飞行软件判断优先级与心跳信号，输出对各模块的当班结果，飞行软件通过总线装订的方式在DSP的片内Flash区写入各模块识别码，确定各数字模块的优先级。
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