CN108628222A - 雷达伺服双机冗余切换控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达伺服双机冗余切换控制系统，其FPGA主控单元通过接口单元解析伺服分机的切换命令，对功率信号切换单元和小信号切换单元进行切换控制，确保小信号全部切换完毕之后才切换功率信号，并对系统BIT检测和反馈；功率信号切换单元由功率继电器带动接触器，对天线座电机的功率信号进行切换控制，实现与天线座动力设备的在线和离线；小信号切换单元由驱动IC带动信号继电器实现对天线座内信号进行切换；并将天线座控保开关信号和角编码器信号同时接入两个分机内，保证两个分机公共状态的同步采集和显示；接口单元包括接收伺服分机指令的控制接口，向伺服分机反馈两个分机的状态反馈接口，切换控制系统自身的BIT反馈接口。

Description

雷达伺服双机冗余切换控制系统

技术领域

本发明涉及一种雷达伺服冗余切换控制系统，尤其涉及一种雷达伺服双机冗余切换控制系统，属于伺服控制技术领域。

背景技术

机场天气雷达是机场综合气象观测系统的重要组成部分，航空运输安全保障通常要求天气雷达24小时不间断运行，这对雷达伺服系统的可靠性提出了很高的要求。在现有的雷达伺服冗余方案中，航管二次雷达大多采用双机热备份，即双电机双驱动器冗余配置，通过PLC或PCC实现热切换，但二次雷达只有方位轴的转动，该方案需要复杂的机械或电磁离合装置，在通常为双轴的气象雷达上实施将大大增加设备量和研制成本。此外，在现有已公开的论文《机场天气雷达伺服系统冗余设计》中所采用的是继电器-接触器控制系统，内部全部通过导线连接，布线量大，无智能化控制、检测反馈和BIT功能，切换过程不区分大小信号，缺乏足够的保护机制，现场应用过程中易出现问题，且难以诊断和排查。

发明内容

本发明针对机场气象雷达高可靠性要求，以及考虑实施难度、成本等因素，提出一种雷达伺服双机冗余切换系统。本发明系统，具有高度可靠性；具备智能化控制、反馈、保护和柔性切换的功能；与主控系统实时交互，接口通用化；布线简单化，故障排查可视化，大大降低后期维护成本。

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：一种雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，包括FPGA主控单元、功率信号切换单元、小信号切换单元、接口单元，

所述的FPGA主控单元：通过接口单元解析伺服分机的切换命令，并按时序对功率信号切换单元和小信号切换单元进行切换控制，确保小信号全部切换完毕之后才切换功率信号，即柔性切换，同时实时进行系统BIT(Built-in Test,机内测试)和反馈；

所述的功率信号切换单元包括功率继电器和接触器；由功率继电器带动接触器，对天线座电机的功率信号进行切换控制，实现与天线座动力设备的在线和离线；

所述的小信号切换单元包括信号继电器和驱动IC：由驱动IC带动信号继电器实现对天线座内的弱电数字、模拟信号，包括电机位置及温度反馈信号、电机抱闸信号进行切换；同时也实现将天线座控保开关信号，和角编码器信号同时接入两个分机内，从而保证两个分机公共状态的同步采集和显示；

所述的接口单元：包括接收伺服分机指令的控制接口，向伺服分机反馈当前两个分机状态的状态反馈接口，以及切换控制系统自身的BIT反馈接口。

所述的小信号切换单元中的信号继电器均为磁保持继电器。可有效避免触点长期通电粘连，和断电再上电后状态不确定等问题的出现。

所述接触器构成自锁回路，不会出现两个分机都在线的情况。

所述的FPGA主控单元的工作方式为：

接口单元获取伺服分机的两路切换控制指令，A_CMD和B_CMD分别代表伺服A机离线/在线和伺服B机离线/在线的控制指令；

为了避免出现线路干扰导致切换错误，FPGA主控单元每隔规定时间Ⅰ读取上述两路切换控制指令，连续若干Ⅰ读取状态一致，则锁定输入指令状态；

FPGA主控单元每隔规定时间Ⅱ读取信号继电器反馈的状态信号，连续若干Ⅱ次读取状态一致，则锁定反馈输入状态，并且传递给内部的BIT进行处理；

FPGA主控单元每隔规定时间Ⅲ读取由接触器反馈的“在线/离线”信号，其中，伺服A机2路“分别为方位和俯仰回路”，伺服B机2路“分别为方位和俯仰回路”，对于伺服A机或伺服B机来说，必须2路为相同状态才认为信号有效，连续若干次Ⅲ读取状态一致，则锁定反馈状态，同时通过接口单元输出伺服A机和伺服B机的差分信号A_FBK,和B_FBK，作为状态反馈给两个伺服分机，0代表离线，1代表在线，即伺服A机和伺服B机不但可以获知自身状态，也可以获知对方的状态。

所述的时间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可根据实际需求设定为任何给定时间，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次可根据实际需求设定为任何给定次数；本发明优选的时间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为20ms，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次为10次。

(5)FPGA主控单元根据当前的控制命令，进行相应控制动作：

若A_CMD＝在线，B_CMD＝在线，保持现有不动作；

若A_CMD＝离线，B_CMD＝离线，伺服A机、伺服B机离线；

若A_CMD＝离线，B_CMD＝在线，或者若A_CMD＝在线，B_CMD＝离线，且与之前状态发生改变，必须先同时离线，并检测到离线反馈正确之后，再进行切换；

离线的动作为：对应的功率继电器控制电平为0，对应的接触器失电，信号继电器保持现有状态不变；

切换的动作为：先同时切换全部信号继电器至在线一方，并检测全部信号的反馈已切换完毕之后，“在线”指令对应的功率继电器控制电平为1，对应的接触器得电，同时相应的接触器反馈信号接入FPGA。

更进一步地，所述BIT具有自检测和故障上报功能,其包含的自检内容以及处理措施如下：

(1)信号继电器的反馈与给定信号状态不一致，并且长达给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

(2)功率继电器对应的接触器的反馈与给定信号状态不一致，并且长达给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

(3)当伺服A机和伺服B机切换控制指令均为“在线”即A_CMD＝1,B_CMD＝1；并且长达给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

(4)当BIT出现故障后即保持伺服A机、伺服B机离线，不自恢复，只有重新上电之后，且再次检测到信号正常后才可以恢复正常工作。

所述的给定时间可根据实际需求设定为任何给定时间；本发明优选为2S。

所述的FPGA芯片采用Xilinx的XC7A100TCSG324；通过接口单元接收来自伺服分机的切换指令，通过光耦电路向功率信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，通过光耦电路向小信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，并通过接口单元向两个分机反馈当前状态信号和BIT信号。

所述的功率继电器采用欧姆龙G5LE-14功率继电器，线圈由直流供电，FPGA主控单元到线圈之间采用光耦隔离并经过线性放大电路驱动；功率继电器采用周期性脉冲驱动。

所述的小信号切换单元根据切换功率大小的区别，模拟信号切换采用欧姆龙G6SU-2磁保持继电器，直流信号切换采用欧姆龙G6AU-274P磁保持继电器，驱动IC均采用BL8023D，每个继电器为双刀双掷，其中1路做输出，另一路做状态反馈，FPGA到驱动IC，以及反馈信号到FPGA之间都经过光耦隔离，磁保持继电器在意外断电后保持原有状态，避免出现意外断电再上电后导致的状态不确定，以提高整个系统的可靠性；驱动采用周期性脉冲驱动。

所述的接口单元：通过接口芯片AM26C32获取伺服分机的2路RS422差分切换控制信号，分别代表伺服A机离线/在线和伺服B机离线/在线，将差分信号转换成单端电平并传递给FPGA主控单元，同时将FPGA主控单元给出的单端信号通过接口芯片AM26C31转化为RS422差分信号，向伺服分机反馈当前两个分机的状态，以及切换控制系统自身的BIT信息。

所述的所有继电器的通断通过LED指示灯可视化观察。

另外，本发明除了将接触器的反馈接入插箱面板的直流指示灯作为在线、离线的主状态指示外，还进一步将所有继电器的状态反馈通过LED显示出来，当出现系统故障后，除了FPGA主控单元会采集到并做出相应保护动作和上报BIT信息外，维护人员亦可通过LED的指示快速确定故障点。

本发明公开了一种基于的FPGA雷达伺服双机冗余切换系统，具备智能化控制、实时状态反馈、对切换过程进行输入保护和柔性切换的功能，具有很高的可靠性，布线简单，故障排查可视化，大大降低后期维护成本，可推广应用至高可靠性要求的机场天气雷达系统和其它有相关要求的雷达系统中。

附图说明

图1为双机冗余雷达伺服系统组成框图。

图2为本发明雷达伺服双机冗余切换控制系统组成框图。

图3磁保持继电器驱动脉冲。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

双机冗余雷达伺服系统包括天线座设备和机房内的伺服分机，其中天线座设备包括方位/俯仰伺服电机、方位/俯仰角编码器、控保开关，伺服分机(伺服A机和伺服B机)包括控制分机和功放分机，控制分机包括显控单元，功放分机包括方位/俯仰电机驱动器及电源。本发明采用单双机混合冗余配置，即天线座设备为单机，伺服分机为双机冗余的方案。

如图1所示，伺服系统包括两套相同的伺服分机(A和B)、一套雷达伺服双机冗余切换控制系统(以下简称“切换控制系统”，如图2所示)以及一套天线座设备。伺服显控单元接收到来自相对应数据处理的工作指令，经过处理后发送运动指令到方位和俯仰电机驱动器，驱动电机使天线按要求运转；同时接收角编码数据和控保信号，发送给数据处理，显示当前的天线和控制状态，并通过按键输入实现人机交互。

两套伺服系统完全等同且独立，可以同时运行，但同一时刻只有一个分机参与控制工作，所有的控制和功率信号都由该分机发出和接收，即“在线”，而另一台不参与控制工作的状态为“离线”。两套伺服分机只要有一套正常工作，就可以实现雷达伺服控制功能。当两个分机均处于正常状态下，可以通过人工进行切换，由数据处理对当前的“离线”方发出“在线”指令，在切换控制系统的流程配合下，等待另一方“离线”完成后，自动将自身切换为“在线”状态。当其中一个正常工作的分机出现故障后，可以由该分机自动发起切换流程，将自身“离线”，并通知对方“在线”。

本发明切换过程实行信号分级切换以及双机柔性切换。信号分级切换就是先将小信号进行切换，并确认切换完毕之后再切换功率信号，这样避免出现现有公开技术中因所有信号同时切换且不经确认，所导致的切换瞬间可能出现的伺服分机驱动器故障。双机柔性切换就是切换过程中，离线方必须等待现有在线方停机、去使能、确认离线之后，才能切换为在线状态，避免带来因切换伺服驱动器导致对天线运动的冲击。

本系统双机切换的原理是：在伺服A机在线，伺服B机离线的情况下，如果伺服B机的显控单元接收到数据处理A的在线指令，则通过相互之间的互联总线发送指令通知伺服A机离线。伺服A机收到离线指令后，将天线运动停止，所有状态恢复到待机状态；然后，通过切换控制系统使得伺服A机与天线座设备离线并将当前状态反馈给伺服B机。当伺服B机接收到伺服A机的离线完成状态信号后，发命令给切换控制系统使得伺服B机在线，并处于待机状态，准备接收对应数据处理的指令。

如图2所示，本发明所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，可以按照功能划分为如下几个单元：

(1)主控单元：FPGA芯片采用Xilinx的XC7A100TCSG324，通过接口单元接收来自伺服分机的切换指令，通过光耦电路向功率信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，通过光耦电路向小信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，并通过接口单元向两个分机反馈当前状态信号和BIT信号。

(2)功率信号切换单元：由4路功率继电器带动4路三相交流接触器，实现功率级的切换。对于一个控制切换回路，如方位回路，对应的伺服A机和伺服B机功率接口接入切换单元，输出一路功率接口接入方位电机。功率继电器采用欧姆龙G5LE-14功率继电器，线圈由24V直流供电，FPGA到线圈之间采用光耦隔离并经过线性放大电路驱动。功率继电器采用周期性脉冲驱动，继电器吸合时，首先输出脉冲宽度为200ms的高脉冲，然后以高5ms低5ms的占空比为50％的脉冲进行维持，从而大幅降低线圈吸合电流，延长工作寿命，提高系统可靠性。每一路功率继电器输出控制1个交流接触器的直流或交流线圈(交流接触器在控制插箱内)，并通过光耦获得该路接触器信号状态的反馈。更进一步地，除了在FPGA的控制输出上保证不会出现两路同时导通外，还利用交流接触器构成自锁回路，确保不出现伺服A机和伺服B机的功率接口同时接入方位电机导致严重故障的情形。

(3)小信号切换单元：由驱动IC带动磁保持继电器，实现小信号(如电机旋变信号和电机抱闸信号)的切换，包含20路模拟信号和4路直流信号。对于一个控制切换回路，如方位回路，对应的伺服A机和伺服B机小信号接口接入切换单元，输出一路小信号接口接入方位电机。根据切换功率大小的区别，模拟信号切换采用欧姆龙G6SU-2磁保持继电器，直流信号切换采用欧姆龙G6AU-274P磁保持继电器，驱动IC均采用BL8023D，每个继电器为双刀双掷，其中1路做输出，另一路做状态反馈，FPGA到驱动IC，以及反馈信号到FPGA之间都经过光耦隔离。磁保持继电器在意外断电后保持原有状态，提高整个系统的可靠性。驱动采用周期性脉冲驱动，A、B的输入状态每隔200ms刷新一次，驱动脉冲宽度为100ms，脉冲与脉冲之间间隔为100ms，如图3所示。

(4)接口单元：通过接口芯片AM26C32获取伺服分机的2路RS422差分切换控制信号，分别代表伺服A机离线/在线和伺服B机离线/在线，将差分信号转换成单端电平并传递给FPGA主控单元，同时将FPGA主控单元给出的单端信号通过接口芯片AM26C31转化为RS422差分信号，向伺服分机反馈当前两个分机的状态，以及切换控制系统自身的BIT信息。

在系统工作逻辑的基础上，系统双机切换功能的几种典型场景分布以及具体实施过程如下：

场景1：伺服A机和伺服B机均正常，且均处于离线状态。当伺服A机接收到数据处理的“在线”指令，并且通过控制切换系统的反馈检测到伺服B机为“离线”，则伺服A机发出A_CMD＝1给切换控制系统，切换系统先后将小信号继电器和功率继电器切换至伺服A机侧，当伺服A机检测到反馈为A_FBK＝1时，伺服A机启动(加使能)正常投入工作。

场景2：伺服A机和伺服B机均正常，伺服A机处于在线工作状态，伺服B机离线。有如下两种情形：

(1)当伺服A机接收到数据处理的“离线”指令，伺服A机停机，去使能，然后伺服A机发出A_CMD＝0给切换控制系统，进行伺服A机离线动作，这种情形伺服A机不主动通知伺服B机在线；

(2)当伺服B机接收到数据处理的“在线”指令，通过相互之间的互联总线发送指令通知伺服A机离线，伺服A机接收到指令后发出A_CMD＝0给切换控制系统，进行伺服A机离线动作；当伺服B机检测到伺服A机的状态反馈A_FBK＝0后，发出B_CMD＝1给切换控制系统进行切换动作，使得伺服B机在线，当伺服B机检测到伺服B机的状态反馈B_FBK＝1后，伺服B机启动(加使能)正常投入工作。

场景3：伺服A机处于在线工作状态，伺服B机离线，此时伺服A机自身发生故障，伺服A机停机，去使能，然后伺服A机发出A_CMD＝0给切换控制系统，进行伺服A机离线动作，当伺服A机检测到伺服A机的状态反馈A_FBK＝0后，通过相互之间的互联总线发送指令通知伺服B机在线，伺服B机接收到指令后发出B_CMD＝1给切换控制系统进行切换动作，使得伺服B机在线，当伺服B机检测到伺服B机的状态反馈B_FBK＝1后，伺服B机启动(加使能)正常投入工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，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权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，包括FPGA主控单元、功率信号切换单元、小信号切换单元、接口单元，

所述的FPGA主控单元：通过接口单元解析伺服分机的切换命令，并对功率信号切换单元和小信号切换单元进行切换控制，确保小信号全部切换完毕之后才切换功率信号，即柔性切换，同时实时进行系统BIT(Built-in Test,机内测试)和反馈；

所述的功率信号切换单元包括功率继电器和接触器；由功率继电器带动接触器，对天线座电机的功率信号进行切换控制，实现与天线座动力设备的在线和离线；

所述的小信号切换单元包括信号继电器和驱动IC：由驱动IC带动信号继电器实现对天线座内的弱电数字、模拟信号，包括电机位置及温度反馈信号、电机抱闸信号进行切换；同时也实现将天线座控保开关信号，和角编码器信号同时接入两个分机内，从而保证两个分机公共状态的同步采集和显示；

所述的接口单元：包括接收伺服分机指令的控制接口，向伺服分机反馈当前两个分机状态的状态反馈接口，以及切换控制系统自身的BIT反馈接口。

2.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的小信号切换单元中的信号继电器均为磁保持继电器。

3.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述接触器构成自锁回路。

4.根据权利要求3所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的FPGA主控单元的工作方式为：

接口单元获取伺服分机的两路切换控制指令，A_CMD和B_CMD分别代表伺服A机离线/在线和伺服B机离线/在线的控制指令；

为了避免出现线路干扰导致切换错误，FPGA主控单元每隔规定时间Ⅰ读取上述两路切换控制指令，连续若干Ⅰ读取状态一致，则锁定输入指令状态；

FPGA主控单元每隔规定时间Ⅱ读取信号继电器反馈的状态信号，连续若干Ⅱ次读取状态一致，则锁定反馈输入状态，并且传递给内部的BIT进行处理；

FPGA主控单元每隔规定时间Ⅲ读取由接触器反馈的“在线/离线”信号，其中，伺服A机2路“分别为方位和俯仰回路”，伺服B机2路“分别为方位和俯仰回路”，对于伺服A机或伺服B机来说，必须2路为相同状态才认为信号有效，连续若干次Ⅲ读取状态一致，则锁定反馈状态，同时通过接口单元输出伺服A机和伺服B机的差分信号A_FBK,和B_FBK，作为状态反馈给两个伺服分机，0代表离线，1代表在线，即伺服A机和伺服B机不但可以获知自身状态，也可以获知对方的状态。

5.根据权利要求4所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的时间Ⅰ为20ms，Ⅰ次为10次；时间Ⅱ为20ms，Ⅱ次为10次；时间Ⅲ为20ms，Ⅲ次为10次。

6.根据权利要求5所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，FPGA主控单元根据当前的控制命令，进行相应控制动作：

若A_CMD＝在线，B_CMD＝在线，保持现有不动作；

若A_CMD＝离线，B_CMD＝离线，伺服A机、伺服B机离线；

若A_CMD＝离线，B_CMD＝在线，或者若A_CMD＝在线，B_CMD＝离线，且与之前状态发生改变，必须先同时离线，并检测到离线反馈正确之后，再进行切换；

离线的动作为：对应的功率继电器控制电平为0，对应的接触器失电，信号继电器保持现有状态不变；

切换的动作为：先同时切换全部信号继电器至在线一方，并检测全部信号的反馈已切换完毕之后，“在线”指令对应的功率继电器控制电平为1，对应的接触器得电，同时相应的接触器反馈信号接入FPGA。

7.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的BIT具有自检测和故障上报功能,其包含的自检内容以及处理措施如下：

信号继电器的反馈与给定信号状态不一致，并且达到给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

功率继电器对应的接触器的反馈与给定信号状态不一致，并且达到给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

当伺服A机和伺服B机切换控制指令均为“在线”即A_CMD＝1,B_CMD＝1；并且达到给定时间后，强制伺服A机、伺服B机离线，BIT报故障；

当BIT出现故障后即保持伺服A机、伺服B机离线，不自恢复，只有重新上电之后，且再次检测到信号正常后才可以恢复正常工作。

8.根据权利要求7所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述给定时间为2S。

9.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的FPGA芯片采用Xilinx的XC7A100TCSG324；通过接口单元接收来自伺服分机的切换指令，通过光耦电路向功率信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，通过光耦电路向小信号切换单元发送切换控制信号并接收各路状态反馈，并通过接口单元向两个分机反馈当前状态信号和BIT信号。

10.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的功率继电器采用欧姆龙G5LE-14功率继电器，线圈由直流供电，FPGA主控单元到线圈之间采用光耦隔离并经过线性放大电路驱动；功率继电器采用周期性脉冲驱动。

11.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的小信号切换单元根据切换功率大小的区别，模拟信号切换采用欧姆龙G6SU-2磁保持继电器，直流信号切换采用欧姆龙G6AU-274P磁保持继电器，驱动IC均采用BL8023D，每个继电器为双刀双掷，其中1路做输出，另一路做状态反馈，FPGA到驱动IC，以及反馈信号到FPGA之间都经过光耦隔离；驱动采用周期性脉冲驱动。

12.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的接口单元：通过接口芯片AM26C32获取伺服分机的2路RS422差分切换控制信号，分别代表伺服A机离线/在线和伺服B机离线/在线，将差分信号转换成单端电平并传递给FPGA主控单元，同时将FPGA主控单元给出的单端信号通过接口芯片AM26C31转化为RS422差分信号，向伺服分机反馈当前两个分机的状态，以及切换控制系统自身的BIT信息。

13.根据权利要求1所述的雷达伺服双机冗余切换控制系统，其特征在于，所述的所有继电器的通断通过LED指示灯可视化观察。