CN109150019A - 一种非相似双余度高可靠电机控制系统及控制方法 - Google Patents

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吴健
饶培峰
罗腾利
孙全艳
陈溯
韩哲
雷晓珍
邓修涛
王宬
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Abstract

本发明公开了一种非相似双余度高可靠电机控制系统，包括微处理器MCU，微处理器MCU分别与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B以及传感器连接，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B还分别与余度管理模块连接，余度管理模块又依次与电气隔离模块、电机驱动模块、电机、减速机传动机构连接，减速机传动机构与传感器连接后连接至微处理器MCU，本发明还公开了非相似双余度高可靠电机控制方法，本发明解决了现有技术中存在的以单路PID算法控制为主的电机控制系统可靠性低、安全性差的问题。

Description

一种非相似双余度高可靠电机控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种非相似双余度高可靠电机控制系统，本发明还涉及非相似双余度高可靠电机控制方法。
背景技术
PID(按闭环系统误差的比例、积分、微分进行控制的调节器)控制器自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用，它结构简单，参数易于调整，在长期应用中已经积累了丰富的经验。现有电机控制系统一般以单路PID算法控制为主，但单路系统可靠性差，一旦发生突发情况，则很有可能导致系统瘫痪，尤其在航空航天领域，则会间接导致生命危险。多余度系统可完美解决单路系统的可靠性问题，但目前所应用的双余度系统各支路在硬件、软件、控制算法方面都是相似的，此类相似多余度系统虽然可避免由于单支路故障引起的系统瘫痪，但避免不了隐藏在所有支路中的由软件或硬件设计漏洞所引起的故障，这种故障的发生往往是致命的。
发明内容
本发明的目的是提供一种非相似双余度高可靠电机控制系统，解决了现有技术中存在的以单路PID算法控制为主的电机控制系统可靠性低、安全性差的问题。
本发明的另一目的是提供一种非相似双余度高可靠电机控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种非相似双余度高可靠电机控制系统，包括微处理器MCU，微处理器MCU分别与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B以及传感器连接，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B还分别与余度管理模块连接，余度管理模块又依次与电气隔离模块、电机驱动模块、电机、减速机传动机构连接，减速机传动机构与传感器连接后连接至微处理器MCU，电气隔离模块还与告警模块连接，告警模块同时还与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别连接，所述减速机传动机构依次与机械阻尼器、负载连接。
本发明第一技术方案的特点还在于，
FPGA多余度控制模块A为Microsemi公司的A3P1000 FPGA芯片，A3P1000基于反熔丝加工工艺，具有1000000逻辑门，掉电不丢失。
FPGA多余度控制模块B为Xilinx公司的Artix7系列XC7A35T FPGA芯片，XC7A35T逻辑单元超过200000个，内部有DSP48计算逻辑单元，掉电丢失需外加FLASH。
余度管理模块为FPGA或MCU。
本发明所采用的第二技术方案是，一种非相似双余度高可靠电机控制方法，具体如下：
当系统启动时，上位机向微处理器MCU发送控制指令，并接收其反馈回的系统状态信息；
微处理器MCU接收上位机下发的控制指令，同时接收传感器测量的脉冲数据，实时解算电机当前角度、角速度；
微处理器MCU将接收到的上位机指令与解算后的电机状态信息组包后通过SPI接口将目标控制值与当前电机状态值发送给FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B；
微处理器MCU外部还连接有独立的铁电存储器，保存控制系统的配置参数，并具有上电加载、配置的功能；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别采用VHDL和VERILOG硬件描述语言编写，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值与测量值信息；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B首先根据当前转速与目标值，选用不同的内部控制策略，在类似于正转高速向反转高速变化过程中产生一个过渡目标值，避免电机目标转速转向突变的不稳定情况；
根据过渡目标值与当前测量值，FPGA多余度控制模块A采用PID控制算法，FPGA多余度控制模块B采用鲁棒控制算法进行控制，生成电机驱动模块所需要的对应于目标控制量的控制信号。
本发明第二技术方案的特点还在于，
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值包括目标转速以及目标转角。
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制测量值包括当前电机角度以及角速度。
本发明的有益效果是，非相似双余度高可靠电机控制系统为平台设计，平台双余度系统有基于不同厂家不同型号的芯片组成的非相似硬件电路，两支路芯片内采用不同的控制算法，两支路算法的实现采用不同的计算机语言编写，两支路计算并输出控制信号到余度管理模块，余度管理模块内设计任意占空比PWM(脉冲宽度调制)发生器，余度管理模块表决后产生PWM信号驱动直流无刷电机动作，再利用编码器测速得脉冲信号，单片机解算脉冲信号得电机转速，将测量值与目标值输入非相似的两支路内，两支路按各自的控制算法计算完成并输出控制量，完成闭环控制。
附图说明
图1是本发明一种非相似双余度高可靠电机控制系统结构示意图；
图2是PID算法控制原理角度控制系统的控制方法；
图3是角速度控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种非相似双余度高可靠电机控制系统，如图1所示，包括微处理器MCU，微处理器MCU分别与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B以及传感器连接，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B还分别与余度管理模块连接，余度管理模块又依次与电气隔离模块、电机驱动模块、电机、减速机传动机构连接，减速机传动机构与传感器连接后连接至微处理器MCU，电气隔离模块还与告警模块连接，告警模块同时还与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别连接，所述减速机传动机构依次与机械阻尼器、负载连接。
FPGA多余度控制模块A为Microsemi公司的A3P1000 FPGA芯片，A3P1000基于反熔丝加工工艺，具有1000000逻辑门，掉电不丢失。
FPGA多余度控制模块B为Xilinx公司的Artix7系列XC7A35T FPGA芯片，XC7A35T逻辑单元超过200000个，内部有DSP48计算逻辑单元，掉电丢失需外加FLASH。
非相似双余度高可靠电机控制方法，具体如下：
当系统启动时，上位机向微处理器MCU发送控制指令，并接收其反馈回的系统状态信息；
微处理器MCU接收上位机下发的控制指令，同时接收传感器测量的脉冲数据，实时解算电机当前角度、角速度；
微处理器MCU将接收到的上位机指令与解算后的电机状态信息组包后通过SPI接口将目标控制值与当前电机状态值发送给FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B；
微处理器MCU外部还连接有独立的铁电存储器，保存控制系统的配置参数，并具有上电加载、配置的功能；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别采用VHDL和VERILOG硬件描述语言编写，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值与测量值信息；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B首先根据当前转速与目标值，选用不同的内部控制策略，在类似于正转高速向反转高速变化过程中产生一个过渡目标值，避免电机目标转速转向突变的不稳定情况；
根据过渡目标值与当前测量值，FPGA多余度控制模块A采用PID控制算法，FPGA多余度控制模块B采用鲁棒控制算法进行控制，生成电机驱动模块所需要的对应于目标控制量的控制信号。
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值包括目标转速以及目标转角。
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制测量值包括当前电机角度以及角速度。
非相似双余度高可靠电机控制方法，两支路内部控制策略，针对不同情况采用不同的控制策略，具体设计如表1所示，FPGA多余度控制模块所在支路控制模块采用PID控制算法，FPGA多余度控制模块B所在支路采用鲁棒控制算法，控制系统的输入为目标转速对应的脉冲数。
表1电机控制策略
测量转速 目标转向 测量转向 动作
快 正 反 先反向减速为0，再正向增速
快 正 正 正常
快 反 正 先正向减速为0，再反向增速
快 反 反 正常
慢 正 正 正常
慢 正 反 直接正向
慢 反 正 直接反向
慢 反 反 正常
其中，PID算法控制原理角度控制系统的控制方法如图2，角速度控制方法如图3，控制系统中，Kp1、Kp2、Ki1、Ki2为可调参数，Kp1和Kp2为PID的比例项系数，Ki1和Ki2为PID的积分项系数，Ki积分项系数的计算公式如下所示，其中Ti为积分时间常数：
由于系统为数字控制系统，故积分器在实际逻辑中应为数字积分器(累加器)，系统控制周期T为0.004s，故PI控制器输入ek和输出uk关系为：
当对电机的控制模式处于速度控制模式之下时，只运行速度控制环。当对电机的控制模式处于角度控制模式之下时，角度控制环作为速度控制环的外环。角度环和速度环都添加积分器抗饱和功能，防止在输出控制量到达极限时，由于积分器作用，引起很大的超调量，导致新的控制得不到快速响应。具体控制方法为：当控制器输出达到额定的上、下限值后，切除积分作用(I)，保留比例作用(P)，构成PI-P控制器。
余度管理模块实现保证余度系统正确协调地工作，监控系统运行并完成故障检测及处理工作的全部功能，具体为监控、判决、故障隔离等。本算法检测两支路输出控制量的差值，将其与设定阈值做比较，若差值小于阈值，则选取FPGA多余度控制模块A支路输出作为控制量输出，若大于阈值，则二次判定各支路控制量数值范围和与本支路上次稳定输出控制量间的差值，确定故障支路。若FPGA多余度控制模块A支路故障，则切除FPGA多余度控制模块A支路，接通FPGA多余度控制模块B支路的控制量输出。
本发明非相似双余度高可靠电机控制系统，余度管理模块可实现监控、表决、故障隔离等功能，提高系统可靠性和安全性，非相似双余度高可靠电机控制方法，将软件控制策略与硬件控制策略结合在一起，实现了控制功能，其双余度表现为系统共有两套控制硬件，两套控制软件，两支路共同工作，计算结果同时输出至余度管理模块。其都可独立作为单路实现系统控制，但同一时刻只能有一条支路处于系统闭环之内，其余度管理模块表现为系统对两支路输出控制量进行监控、判决，若发生故障，还需进行故障隔离，始终保证输出值驱动器的为有效，正确的控制信号。

Claims (7)

1.一种非相似双余度高可靠电机控制系统，其特征在于，包括微处理器MCU，微处理器MCU分别与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B以及传感器连接，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B还分别与余度管理模块连接，余度管理模块又依次与电气隔离模块、电机驱动模块、电机、减速机传动机构连接，减速机传动机构与传感器连接后连接至微处理器MCU，电气隔离模块还与告警模块连接，告警模块同时还与FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别连接，所述减速机传动机构依次与机械阻尼器、负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种非相似双余度高可靠电机控制系统，其特征在于，所述FPGA多余度控制模块A为Microsemi公司的A3P1000FPGA芯片，A3P1000基于反熔丝加工工艺，具有1000000逻辑门，掉电不丢失。
3.根据权利要求1所述的一种非相似双余度高可靠电机控制系统，其特征在于，所述PGA多余度控制模块B为Xilinx公司的Artix7系列XC7A35T FPGA芯片，XC7A35T逻辑单元超过200000个，内部有DSP48计算逻辑单元，掉电丢失需外加FLASH。
4.根据权利要求1所述的一种非相似双余度高可靠电机控制系统，其特征在于，所述余度管理模块为FPGA或MCU。
5.一种非相似双余度高可靠电机控制方法，基于如权利要求1所述的一种非相似双余度高可靠电机控制系统，其特征在于，具体如下：
当系统启动时，上位机向微处理器MCU发送控制指令，并接收其反馈回的系统状态信息；
微处理器MCU接收上位机下发的控制指令，同时接收传感器测量的脉冲数据，实时解算电机当前角度、角速度；
微处理器MCU将接收到的上位机指令与解算后的电机状态信息组包后通过SPI接口将目标控制值与当前电机状态值发送给FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B；
微处理器MCU外部还连接有独立的铁电存储器，保存控制系统的配置参数，并具有上电加载、配置的功能；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B分别采用VHDL和VERILOG硬件描述语言编写，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值与测量值信息；
FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B首先根据当前转速与目标值，选用不同的内部控制策略，在类似于正转高速向反转高速变化过程中产生一个过渡目标值，避免电机目标转速转向突变的不稳定情况；
根据过渡目标值与当前测量值，FPGA多余度控制模块A采用PID控制算法，FPGA多余度控制模块B采用鲁棒控制算法进行控制，生成电机驱动模块所需要的对应于目标控制量的控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种非相似双余度高可靠电机控制方法，其特征在于，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制目标值包括目标转速以及目标转角。
7.根据权利要求5所述的一种非相似双余度高可靠电机控制方法，其特征在于，FPGA多余度控制模块A、FPGA多余度控制模块B通过微处理器MCU传送的电机控制测量值包括当前电机角度以及角速度。
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