CN109653603B - 一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路 - Google Patents

一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双冗余热备份作动器开落锁监测电路，该电路包括DSP控制器、作动器电磁锁，开落锁及监测电路含两路控制电路、两路锁定解锁电路、两路电压监测电路、两路电流监测电路。两路开落锁解锁电路以双冗余热备份方式工作，当一路电磁锁开落锁失效时，另一路开落锁电路可独立实现电磁锁的开落锁，提高开落锁动作的可靠性；监测电路可以实现开落锁状态检查与电路健康状态评估，并传至远程主控站。本发明具备隔离功能，第二光耦、第四光耦和第三电源模块可以实现对锁紧机构的控制与检测与锁紧机构有效隔离；当电磁锁故障发生时，可以将负载与电源隔离，避免造成更加严重的后果。

Description

一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路
技术领域
本发明涉及一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁及监测电路，属于数字控制领域。
背景技术
机电作动器电磁锁常见应用于运载火箭伺服系统中，其作用为伺服不上电时锁定转子轴，实现球窝喷管在水平贮存或者运输过程锁定在零位功能；上电时电磁锁松开，实现正常的伺服功能。若不上电时，电磁锁未锁定转子轴，会造成球窝喷管下垂对火箭内其余部件造成碰撞损坏；若上电后电磁锁未开锁将导致作动器转子轴上加载较大的电磁锁惯量致使伺服特性发生改变影响飞行任务。
目前的机电作动器解锁电路均采用单路开落锁方式，电路中开关电源、光耦有多种失效模式，当元器件损坏时将无法完成正常开落锁，从而导致影响飞行任务失利，以往的机电作动器电磁锁开落锁电路中仅对电磁锁的供电电源进行检测，当电源与电磁锁间导线断裂、电磁锁常时工作致使自身阻性发生改变的故障无法进行监测。由此可靠的解锁方式是完成火箭飞行任务的保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁及监测电路，当一路电磁锁开落锁失效时，另一路开落锁电路可独立实现电磁锁的开落锁，提高开落锁动作的可靠性；监测电路可以实现开落锁状态检查与电路健康状态评估，并经1553方式传至远程主控站。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁及监测电路，包括主控制器、第一控制电路、第二控制电路、第一解锁电路、第二解锁电路、第一电流监测电路及第二电流监测电路；
所述主控制器接收远程控制站发送的解锁指令，并向第一控制电路和第二控制电路发送解锁信号，第一控制电路将解锁信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将解锁信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器。
优选的，自检的流程如下：
(1)主控制器接收到发射前自检指令，向第一控制电路和第二控制电路发送解锁信号，第一控制电路将解锁信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将解锁信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器；
(2)主控制器根据第一和第二电流监测电路反馈的电流进行状态判断，如果一路反馈电流不在设定阈值范围内，则判断该路反馈电流对应的解锁电路故障；如果两路反馈电流均不在设定阈值范围内，则判断作动器电磁锁故障；如果两路反馈电流均在设定阈值范围内，则判断解锁正常；
(3)主控制器向第一控制电路和第二控制电路发送锁定信号，第一控制电路将锁定信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路停止给作动器电磁锁提供解锁电压，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将锁定信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路停止给作动器电磁锁提供解锁电压，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器；
(4)主控制器根据第一和第二电流监测电路反馈的电流进行状态判断，如果任一路反馈电流超过设定阈值，则判断该路反馈电流对应的存在解锁电路存在异常开启。
优选的，起飞前准备阶段，主控制器接收第一和第二电流监测电路反馈电流，在接收到解锁指令后，如果一路反馈电流不在设定阈值范围内，则判断该路反馈电流对应的解锁电路故障，则控制该解锁电路断电；如果两路反馈电流均不在设定阈值范围内，则判断作动器电磁锁故障，停止发射；如果两路反馈电流均正常，则继续后续流程。
优选的，第一控制电路和第二控制电路为非门，对主控制器输出的信号进行反向，并驱动对应的第一解锁电路或第二解锁电路。
优选的，第一解锁电路和第二解锁电路结构相同，包括第一光耦和电源模块；
第一光耦通过限流电阻接收非门输出的信号，当该信号为高时，第一光耦导通，电源模块允许输出电压控制作动器电磁锁解锁；当该信号为低时，电源模块禁止输出。
优选的，第一解锁电路和第二解锁电路的电源模块由主控制器控制是否允许输出电压。
优选的，还包括第一电压监测电路及第二电压监测电路，分别监测第一、第二解锁电路输出电压并反馈给主控制器。
优选的，在接收到解锁指令后，如果一路反馈电流低于正常值，则主控制器读取该路电压反馈值，如果电压反馈值正常或低于正常值，则判断为该路电源模块带载能力故障；如果两路反馈电流高于正常值，电压反馈值不高于正常值，则判断为作动器电磁锁短路故障。
优选的，第一解锁电路电源模块采用不同型号的芯片。
优选的，主控制器发现故障后，发送给远程主控站，远程主控站发送复位指令，控制主控制器复位重启；如果故障仍然存在，则进行排故处理。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的控制电路可以满足机械作动器在不上电情况下，保持一定锁紧力矩；且能够在上电瞬间保证状态不变；上电后，可由软件控制解锁、落锁的时机。
(2)锁定状态全程可控：在电源上电后，可通过软件控制锁定机构的锁定与解锁状态。
(3)具备隔离功能，第二光耦、第四光耦和第三电源模块可以实现对锁紧机构的控制与检测与锁紧机构有效隔离；当电磁锁故障发生时，可以将负载与电源隔离，避免造成更加严重的后果。
(4)双冗余的控制解锁电路，最大程度了避免未正常解锁带来的灾难性后果，保证了产品的可靠性。
(5)本发明控制电路具有热备份的功能，能够在一路控制电路损坏的情况下，另一路控制解锁电路及时起作用。
(6)本发明的控制电路同时具备电压和电流检测功能，电流的检测范围可达到±50A，满足绝大部分电磁锁的检测，两种检测电路结果对比，有效争强测试结果的有效性、可靠性。
(7)本发明的两路解锁电路电源模块采用不同型号的芯片，避免同种原因导致两个电源模块均失效，进一步提高了解锁的可靠性。
附图说明
图1为本发明所提供的一种锁紧机构解锁控制电路的系统框图；
图2为本发明所提供的一种锁紧机构解锁控制电路的原理图；
图3为本发明所提供的DSP的原理图；
图4为本发明所提供的控制电路的原理图；
图5为本发明所提供的锁定电路的原理图；
图6为本发明所提供的电流检测电路的原理图；
图7为本发明所提供的电压检测电路的原理图；
其中：DSP控制器101；作动器电磁锁107；开落锁及监测电路A106 含控制电路A102；锁定解锁电路A103；电压监测电路A104；电流监测电路A105；开落锁及监测电路B206；控制电路B202；锁定解锁电路B203；电压监测电路B204；电流监测电路B205。
具体实施方式
如附图1所示，DSP电路101的输出端与控制电路102的输入端连通，控制电路102的输出端与锁定电路103的控制输入端连通，锁定电路103 的一个输出端与待解锁电路105的一个输入端连通、检测电路104的一个输入端连通，锁定电路103的另一个输出端分别与待解锁电路107的一个输入端、电压检测电路104的另一个输入端连通、电流电压检测电路105的一个输入端连通，电压检测电路104的反馈输出端与DSP电路101的输入端连通，电流检测电路105的反馈输出端与DSP电路101的输入端连通。 DSP电路101向控制电路102发出控制指令，低电平锁定，高电平解锁，控制电路102将控制指令反向后传输给锁定电路103，锁定电路103将反向后的控制指令进行滤波、光耦隔离后传输给待解锁电路107、电压检测电路104和电压检测电路105，检测电路104和105实时采集待解锁电路107 的状态、并将待解锁电路107的状态实时传输给DSP电路101，DSP电路 101确定待解锁电路107的锁定状态，从而实现对待解锁电路107的解锁。落锁及监测电路B如同开落锁及监测电路A电路连接一样，仍然使用DSP 电路101作为控制核心，经过控制电路B202、锁定解锁电路B203、电压监测电路B204、电流监测电路B205，最终锁定解锁电路203解锁作动器电磁锁107。
本发明提供的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁及监测电路，该电路是基于数字逻辑实现的对外设的控制、反馈，电路中所有的信号均为逻辑电平，即“0”、“1”信号，其的工作原理如下：
如图1、图2和图4所示，DSP电路101的输出管脚CTRL经过下拉电阻R1，通过下拉电阻R1、非门U1和DSP电路101初始化IO状态共同保证在电源上电过程中，DSP电路101的管脚状态保持不变。在DSP电路 101管脚初始化过程中，将输出CTRL管脚初始化为低电平；在上电过程中，由于非门U1此时管脚状态不确定，通过下拉电阻R1下拉至地，使非门U1 状态为低。
如图1、图2和图5所示，非门U1将DSP电路101的输出管脚CTRL 输入的控制信号反向；同时非门U1增大该控制信号的输出电流，使该控制信号能够驱动下一级的第一光耦U2。第一光耦U2通过第一限流电阻R2控制第一光耦U2原边信号，使第一光耦U2达到最佳工作点。第一光耦U2 的输出的逻辑信号控制电源模块U3，同时第一光耦U2也起到隔离的作用。电源模块U3起到稳定输出电压、隔离和控制输出电源开关三个作用。外部 +28V电源会存在一定波动，由于电源模块U3原边的电压输入管脚Vin+连接外部+28V电源，电源模块U3的引入可以稳定电磁锁U20的供电电压。电源模块U3同时具备隔离功能，当电磁锁U20锁起失效后，不会影响到电源模块U3原边的+28V电路。电源模块U3还具有禁止端Forbid，通过控制禁止端Forbid与+28V电源的导通状态，可使达到控制电磁锁U20的锁定与解锁状态。
U3为开关电源模块ZMD28S25BF(功率30W)，U3的1脚连接至28V 供电电源，2脚连接至28V电源地，3脚接控制电路(102或202)的输出， 5脚输出接二极管D1正端，D1负端输出接作动器电磁锁供电正端，4脚接作动器电磁锁供电负端。两路解锁电路相同。用于实现额定开锁电压为 24～26V的电磁锁开落锁，参见图5。
如图1、图2和图6所示，通过调整第二限流电阻R3的阻值，确定第二光耦U4的原边工作电流，通过光耦参数，计算上拉电阻R4的阻值，确定第二光耦U4副边电平跳变的阈值，将第二光耦U4副边电平跳变的阈值设定为略低于电源模块U3的输出电压。第一光耦U2输出的开关信号控制电源模块U3；当第一光耦U2输出端OUT+与OUT-断开时，电源模块U3 输出24V电压，此时，24V电压经过光耦U4前级的第二限流电阻R3，达到光耦U4原边IN+和IN-的电流刚好为最佳工作电流；此时第二光耦U4的输出端OUT+与OUT-联通，正电压输出管脚OUT+为逻辑“0”。当第一光耦U2输出端OUT+与OUT-联通时，电源模块U3输出0V电压，此时，没有电流流经光耦U4，故第二光耦U4的输出端OUT+与OUT-断开，正电压输出管脚OUT+的电平经过上拉电阻R4上拉至逻辑“1”。
如图1、图2和图7所示，当电源模块U3工作时，电源模块U3输出 Vo+与电流检测模块U5的IP+相连，当有电流从IP+流入、IP-流出，电流检测模块把模拟电流信号转化为数字信号，通过SPI通讯反馈给DSP电路 101,若DSP电路101判断电流超出额定电流，就会通过控制电路102、锁定解锁电路103控制电磁锁U20锁定与解锁的状态。
U5为Infineon公司芯片TLI4970-D05074，其采样电流为±50A，可用于实现消耗电流不大于50A的电磁锁的检测，U5的IP+引脚连接至锁定解锁电路A的输出，IP-引脚连接至电磁锁的IN+端，OCD引脚悬空，VCC引脚接+3.3V电源，GND引脚接GND，D0引脚DSP的SPISOMI端，SCLK 接DSP的SPICLK端，CS接DSP的CsI1端。两路开落锁及监测电路工作方式相同，参见图7。U5是一个数字式电流检测芯片，当检测电流信号，转化成数值，通过SPI通讯传给DSP控制芯片；U5的IP-引脚经过限流电阻传到第二光耦U4的IN+引脚，第二光耦组成第二原边限流电阻的一端与电源模块的正电压输出管脚Vo+连接，第二原边限流电阻的另一端与第二光耦的正输入管脚IN+连接；第二光耦的负输入管脚IN-与电源模块的负电压输出管脚Vo-连接；第二光耦的正输出管脚OUT+分别与上拉电阻的一端、DSP 电路的检测管脚TEST连接；上拉电阻的另一端与+3.3V电源的输入端连接，第二光耦的负输出管脚OUT+接地；锁定电路的电源模块输出的电压信号经过第四电容滤波后传输给电磁锁，限流后的电流信号传输给第二光耦进行隔离，隔离后的限流电流信号经过上拉电阻上拉后，实时传输给DSP电路的检测管脚TSET，DSP电路检测电磁锁的供电状态，从而确定电磁锁的锁定状态。
所述的控制电路由第一下拉电阻R1、非门U1、第一电容组成，DSP 电路的输出管脚CTRL分别与第一下拉电阻的一端、非门的输入管脚IN连接，第一下拉电阻的另一端接地；非门的接地管脚GND接地，非门的电源输入管脚OE接+3.3V电源，非门的电源管脚Vcc分别与+3.3V电源的输出端、第一电容的一端连接，第一电容的另一端接地，非门的输出管脚OUT 与锁定电路的输入端连接；非门将DSP电路输出的控制信号反向，同时，非门增大该控制信号的输出电流，并将反向增大后的控制信号传输给锁定电路。
所述的控制电路B是与控制电路A一样的电路，控制电路B也接受DSP 控制芯片发出的指令，经过锁定电路B的光耦隔离和滤波后传给开关电源模块U3’，U3’的两个输出引脚控制电磁锁的开落锁，同样的电流和电压检测电路检测电磁锁的输入端的电流和电压值。DSP控制电路会同时给两路控制电路发送指令，当一路出现故障时，另一路依然能够控制电磁锁的开落， DSP会停止向故障电路发送指令信号。
开落锁及监测电路B工作原理同开落锁及监测电路A一样，当开落锁及监测电路A发生故障时，开落锁及监测电路B仍能保证作动器电磁锁正常工作，两个电路同时工作，共同保障作动器电磁锁可靠运行。
从整个电路来看，控制逻辑、锁定状态和检测电压的逻辑状态存在如下逻辑关系：逻辑控制为低电平时，为锁定状态，检测电压逻辑状为高电平；逻辑控制为高电平时，为解锁状态，检测电压逻辑状为低电平。故通过DSP 电路101的检测管脚TSET便可检测电磁锁U20的供电状态，从而确定电磁锁U20的锁定状态，也可由电流反馈信号可判断电磁锁U20是否工作在正常状态。
主控制器发现故障后，通过1553B总线发送给远程主控站，远程主控站发送复位指令，控制主控制器复位重启，如果重启后故障仍然存在，则进行排故处理。
以往的机电作动器解锁电路均采用单路开落锁方式，电路中开关电源、光耦有多种失效模式，当元器件损坏时将无法完成正常开落锁，从而导致影响飞行任务失利，本发明实现了电磁锁开落锁及监测电路的双冗余，当一路电磁锁开落锁失效时，另一路开落锁电路可独立实现电磁锁的开落锁，提高开落锁动作的可靠性。
以往的机电作动器电磁锁开落锁电路中仅对电磁锁的供电电源进行检测，当电源与电磁锁间导线断裂、电磁锁常时工作致使自身阻性发生改变的故障无法进行监测，本发明实现了对电源与电磁锁回路供电电流的检测，可以判别出供电电源正常、印制导线断裂的故障，并可实现电磁锁常时工作致使自身阻性改变时及时通过1553B通知远程工作站进行及时检修，避免带故障电磁锁进行任务发射影响飞行任务。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，包括主控制器、第一控制电路、第二控制电路、第一解锁电路、第二解锁电路、第一电流监测电路及第二电流监测电路；
所述主控制器接收远程控制站发送的解锁指令，并向第一控制电路和第二控制电路发送解锁信号，第一控制电路将解锁信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将解锁信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器。
2.如权利要求1所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，自检的流程如下：
(1)主控制器接收到发射前自检指令，向第一控制电路和第二控制电路发送解锁信号，第一控制电路将解锁信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将解锁信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路控制作动器电磁锁解锁，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器；
(2)主控制器根据第一和第二电流监测电路反馈的电流进行状态判断，如果一路反馈电流不在设定阈值范围内，则判断该路反馈电流对应的解锁电路故障；如果两路反馈电流均不在设定阈值范围内，则判断作动器电磁锁故障；如果两路反馈电流均在设定阈值范围内，则判断解锁正常；
(3)主控制器向第一控制电路和第二控制电路发送锁定信号，第一控制电路将锁定信号发送给第一解锁电路，第一解锁电路停止给作动器电磁锁提供解锁电压，第一电流监测电路监测第一解锁电路输出电流并反馈给主控制器；第二控制电路将锁定信号发送给第二解锁电路，第二解锁电路停止给作动器电磁锁提供解锁电压，第二电流监测电路监测第二解锁电路输出电流并反馈给主控制器；
(4)主控制器根据第一和第二电流监测电路反馈的电流进行状态判断，如果任一路反馈电流超过设定阈值，则判断该路反馈电流对应的存在解锁电路存在异常开启。
3.如权利要求1所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，起飞前准备阶段，主控制器接收第一和第二电流监测电路反馈电流，在接收到解锁指令后，如果一路反馈电流不在设定阈值范围内，则判断该路反馈电流对应的解锁电路故障，则控制该解锁电路断电；如果两路反馈电流均不在设定阈值范围内，则判断作动器电磁锁故障，停止发射；如果两路反馈电流均正常，则继续后续流程。
4.如权利要求1所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，第一控制电路和第二控制电路为非门，对主控制器输出的信号进行反向，并驱动对应的第一解锁电路或第二解锁电路。
5.如权利要求4所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，第一解锁电路和第二解锁电路结构相同，包括第一光耦和电源模块；
第一光耦通过限流电阻接收非门输出的信号，当该信号为高时，第一光耦导通，电源模块允许输出电压控制作动器电磁锁解锁；当该信号为低时，电源模块禁止输出。
6.如权利要求5所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，第一解锁电路和第二解锁电路的电源模块由主控制器控制是否允许输出电压。
7.如权利要求5所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，还包括第一电压监测电路及第二电压监测电路，分别监测第一、第二解锁电路输出电压并反馈给主控制器。
8.如权利要求7所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，在接收到解锁指令后，如果一路反馈电流低于正常值，则主控制器读取该路电压反馈值，如果电压反馈值正常或低于正常值，则判断为该路电源模块带载能力故障；如果两路反馈电流高于正常值，电压反馈值不高于正常值，则判断为作动器电磁锁短路故障。
9.如权利要求7所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，第一解锁电路的电源模块和第二解锁电路的电源模块采用不同型号的芯片。
10.如权利要求7所述的双冗余热备份作动器电磁锁开落锁监测电路，其特征在于，主控制器发现故障后，发送给远程主控站，远程主控站发送复位指令，控制主控制器复位重启；如果故障仍然存在，则进行排故处理。
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