CN111049460A - 一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法 - Google Patents

一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法。该平台包括三个独立控制通道和两个独立驱动通道;其主要控制步骤是:1、三个独立控制通道首先进行同步,确保同一时刻开始执行任务;2、获取每个独立控制通道的两路初始控制信号;3、确定每个独立控制通道的两路最终控制信号;4、利用最终控制信号对被控电机进行功率驱动,实现电机的控制。本发明从电机控制平台层面上使电机控制系统具备内、外部故障检测、处理的能力,大大提高了电机控制系统的可靠性,避免电机控制系统“带病工作”的情况出现。

Description

一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法
技术领域
本发明属于航空交直流电动机控制系统领域,具体涉及一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法。
背景技术
在航空交直流电动机控制系统设计中,电机控制器的设计尤为重要,是整个控制系统的核心部件。目前控制系统中大部分采用的是数字式电机控制器,在涉及飞机系统关键部件交直流电机控制时,结合电机本身特性(绕组构成形式和工作模式),对数字式电机控制器的设计在可靠性和故障检测隔离效果上提出了更高的要求。
当前的数字式电机控制器的平台架构上多为单余度或者双余度;
当使用单余度的数字式电机控制器平台架构出现故障时,控制器只能进行降级处理或停机;
当使用双余度的数字式电机控制器平台架构出现故障时,只能针对每个通道内部工作状态进行切换来处理故障,当采集外部信号不一致时(即外部故障),该架构无法判别自身及另一通道工作是否正常,会导致电机控制系统“带病工作”的情况出现。
发明内容
本发明的目的是提供了一种三余度双驱动电机控制平台及控制方法,从电机控制平台层面上使电机控制系统具备内、外部故障检测、处理的能力,大大提高了电机控制系统的可靠性,避免电机控制系统“带病工作”的情况出现。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
本发明提供了一种三余度双驱动电机控制平台,包括三个独立控制通道和两个独立驱动通道;
每个独立控制通道用于采集、转换被控电机的传感器输出的相电流信息、位置信息,接收外部上位机通过总线传送过来的位置指令信息,结合相应电机控制算法,产生两路初始控制信号,并将两路初始控制信号通过交叉传输链路传输至其它两个控制通道;
三个独立控制通道结合自身运行状态、进行表决监控后产生主控通道,并由主控通道向两个独立驱动通道分别输出两路最终控制信号;
每个独立驱动通道对应被控电机的一套绕组,且分别接收主控通道输出的最终控制信号,对被控电机的两套绕组通过功率驱动方式分别进行独立驱动,并通过实时监控被控电机运行状态,实现被控电机单绕组工作模式和双绕组工作模式之间的切换。
进一步地,上述交叉传输链路的协议实现方式可为曼彻斯特编码、UART及其他工业常用协议。
进一步地,上述总线为1553B总线或RS422总线或RS232总线或其他工业常用总线。
进一步地,上述功率驱动方式为采用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建。
基于上述三余度双驱动电机控制平台,现对采用该平台进行电机控制的具体方法进行介绍,具体实现步骤如下:
步骤1:三个独立控制通道首先进行同步,确保同一时刻开始执行任务;
每个独立控制通道通过同步接口传输给其他两个控制通道自身运行状态,并获取其他两个控制通道运行状态,结合自身和其他两个控制通道的运行状态,通过同步接口实现通道间的同步;
所述运行状态包括上电BIT结果、周期BIT结果;
步骤2:计算每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤2.1:每个独立控制通道对被控电机的双绕组电流传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机相电流信息;对被控电机的位置传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机位置信息;
步骤2.2:每个独立控制通道将采集的相电流信息、位置信息通过交叉传输链路传输给其他两个独立控制通道,并获取其他两个独立控制通道采集转换的相应相电流信息及位置信息;
步骤2.3:将三组相电流信息、位置信息分别进行数据比较及处理,得到最终的相电流信息、位置信息;
三组相电流信息比较及处理的规则是:
A:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都超过设定的相电流阈值时,取中间值作为最终相电流信息;所述相电流阈值根据被控电机系统安全性要求确定;
B:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都未超过设定相电流阈值时,取三组相电流信息的平均值作为最终相电流信息;
C:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值中有一个超过设定相电流阈值时,取未超差值与中间值的平均值作为最终相电流信息;
位置信息的比较及处理的规则与三组相电流信息比较及处理的规则一致;
步骤2.4:将最终的相电流信息、位置信息结合外部上位机通过总线接口传送过来的位置指令信息,通过相应电机控制算法,计算得出每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤3:确定每个独立控制通道的两路最终控制信号;
步骤3.1:每个独立控制通道将本通道产生的两路初始控制信号通过交叉传输链路传输给其他两个独立控制通道,并获取其他两个独立控制通道相应的两路初始控制信号,同时获取自身通道运行状态和其他两个独立控制通道运行状态;
步骤3.2:将获取的三个独立控制通道的初始控制信号、三个控制通道的运行状态以及本通道级别,结合进行表决,判别出三个独立控制通道中工作正常的通道及主控通道;
步骤3.3:将主控通道的两路初始控制信号作为最终控制信号输出,工作异常的控制通道及非主控通道关断。
步骤4:利用最终控制信号对被控电机进行功率驱动;
两个独立驱动通道分别接收主控通道输出的两路最终控制信号,每个驱动通道对应电机的一套绕组,通过功率驱动方式将最终控制信号转换为相应的功率驱动信号,分别驱动被控电机的一套绕组,实现被控电机的双绕组工作模式;并通过控制通道监控被控电机是否工作正常,工作正常的判断依据为异常时被控电机对应绕组上的单相电流超过设定阈值或多相电流之和非零,出现异常时接收主控通道指令,切断相应电机绕组功率输出信号,实现电机单绕组工作模式。
进一步地,上述步骤1中具体同步情况为以下三种:
情况一:当三个控制通道运行状态均正常时,由默认的高级别通道向另外两个通道发起同步;所述高级别通道通过通道识别链路确认级别;
情况二:当仅有两个控制通道运行状态正常时,由默认的高级别通道向低级别通道发起同步;
情况三:当仅有单通道运行状态正常的情况下不进行同步。
进一步地,上述交叉传输链路的协议实现方式可为曼彻斯特编码、UART及其他工业常用协议。
进一步地,上述总线为1553B总线或RS422总线或RS232总线或其他工业常用总线。
进一步地,上述功率驱动方式为采用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建。
本发明的有益效果:
本发明通过三个独立控制通道之间的相互配合,能够对平台内部运行状态及外部输入信号进行统一表决判别,输出可靠的控制信号,提高整个被控电机系统的任务可靠性;通过两个独立驱动通道分别驱动被控电机的两套绕组,出现异常时进行工作模式切换,提高了整个被控电机系统的安全性指标。
附图说明
图1是控制平台组成架构图;
图2是单个控制通道中同步处理组成图;
图3是单个控制通道中初始控制信号生成组成图;
图4是单个控制通道中最终控制信号表决组成图;
图5是单个驱动通道组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明:
如图1所示,一种三余度双驱动电机控制平台包括三个独立控制通道(分别为图中通道A、通道B和通道C)和两个独立驱动通道(分别为图中驱动A和驱动B);
每个独立控制通道用于采集、转换被控电机的传感器输出的相电流信息、位置信息,接收外部上位机通过总线(该总线为1553B总线或RS422总线或RS232总线或其他工业常用总线)传送过来的位置指令信息,结合相应电机控制算法,产生两路初始控制信号,并将两路初始控制信号通过交叉传输链路(该交叉传输链路的协议实现方式可为曼彻斯特编码、UART及其他工业常用协议)传输至其它两个控制通道;
三个独立控制通道结合自身运行状态、进行表决监控后产生主控通道,并由主控通道向两个独立驱动通道分别输出两路最终控制信号;
每个独立驱动通道对应被控电机的一套绕组,且分别接收主控通道输出的最终控制信号,对被控电机的两套绕组通过功率驱动方式(该功率驱动方式为采用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建)分别进行独立驱动,并通过实时监控被控电机运行状态,实现被控电机单绕组工作模式和双绕组工作模式之间的切换。
基于上述控制平台的描述,现对采用该平台进行电机控制的方法进行介绍,具体包括以下步骤:
步骤1:如图2,三个独立控制通道首先通过同步接口(实现方式可为通用GPIO口)传输给其他独立控制两个通道自身运行状态(运行状态可为上电BIT正常、周期BIT正常等状态逻辑综合后的结果)并获取其他两个通道运行状态,结合自身和其他两个通道运行状态,通过同步处理(实现方式可为通用GPIO口)实现通道间的同步:
三个独立控制通道同步情况为以下三种:
情况一:当三个独立控制通道运行状态均正常时,由默认的高级别通道向另外两个通道发起同步;所述高级别通道通过通道识别链路确认级别;
情况二:当仅有两个控制通道运行状态正常时,由默认的高级别通道向低级别通道发起同步;
情况三:当仅有单通道运行状态正常的情况下不进行同步。
步骤2:如图3,获取每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤2.1:每个控制通道通过模数转换器,对被控电机的双绕组电流传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机相电流信息;对被控电机的位置传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机位置信息;
步骤2.2:每个独立控制通道将采集的相电流信息、位置信息通过交叉传输链路(协议实现方式可为曼彻斯特编码、UART及其他工业常用协议)传输给其他两个独立控制通道,并获取其他两个独立控制通道采集转换的相应相电流信息及位置信息;
步骤2.3:每个独立控制通道将自己采集的和其他通道传输过来的共三组相电流信息、位置信息进行数据比较及处理,得到最终的相电流信息、位置信息;
三组相电流信息比较及处理的规则是:
A:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都超过设定的相电流阈值时,取中间值作为最终相电流信息;所述相电流阈值根据被控电机系统安全性要求确定;
B:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都未超过设定相电流阈值时,取三组相电流信息的平均值作为最终相电流信息;
C:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值中有一个超过设定相电流阈值时,取未超差值与中间值的平均值作为最终相电流信息;
位置信息的比较及处理的规则与三组相电流信息比较及处理的规则一致,此处不再赘述;
步骤2.4:将最终的相电流信息、位置信息结合外部上位机通过总线接口传送过来的位置指令信息,通过相应电机控制算法,计算得出每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤3:如图4,确定每个独立控制通道的两路最终控制信号;
步骤3.1:每个独立控制通道将本通道产生的两路初始控制信号通过交叉传输链路(协议实现方式同步骤2中的描述)传输给其他两个独立控制通道并获取其他两个独立控制通道相应控制信号信息,并获取自身通道运行状态和其他两通道运行状态(实现方式同步骤1中的描述);
步骤3.2:将获取的三个独立控制通道的初始控制信号、三个控制通道的运行状态以及本通道级别(通过通道识别链路确认级别)结合进行表决,判别出三个独立控制通道中工作正常的通道及主控通道;
步骤3.3:主控通道通过多路开关选择的方式实现对外输出两路控制信号,工作异常的通道及非主控通道通过多路开关选择的方式关断对外输出的两路控制信号。
步骤4:如图5,利用最终控制信号对被控电机进行功率驱动;
两个独立驱动通道分别接收主控通道输出的两路控制信号,每个驱动通道对应电机的一套绕组,通过功率驱动方式(实现方式可选用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建)将数字控制信号转换为相应的功率驱动信号,分别驱动电机的一套绕组,实现电机的双绕组工作模式,并通过控制通道监控电机是否工作正常(判断依据为异常时电机对应绕组上的单相电流超过设定阈值或多相电流之和非零),出现异常时接收主控通道指令,切断相应电机绕组功率输出信号,实现电机单绕组工作模式,避免电机“带病工作”情况的出现。
在实验过程中,本发明的方法作为控制平台已配套于多型交直流电机控制系统中,加载电机控制算法应用软件后配合系统经过各种试验验证,整个电机控制系统的可靠性、安全性和稳定性有了显著提高。

Claims (9)

1.一种三余度双驱动电机控制平台,其特征在于:包括三个独立控制通道和两个独立驱动通道;
每个独立控制通道用于采集、转换被控电机的传感器输出的相电流信息、位置信息,接收外部上位机通过总线传送过来的位置指令信息,结合相应电机控制算法,产生两路初始控制信号,并将两路初始控制信号通过交叉传输链路传输至其它两个控制通道;
三个独立控制通道结合自身运行状态、进行表决监控后产生主控通道,并由主控通道向两个独立驱动通道分别输出两路最终控制信号;
每个独立驱动通道对应被控电机的一套绕组,且分别接收主控通道输出的最终控制信号,对被控电机的两套绕组通过功率驱动方式分别进行独立驱动,并通过实时监控被控电机运行状态,实现被控电机单绕组工作模式和双绕组工作模式之间的切换。
2.根据权利要求1所述的三余度双驱动电机控制平台,其特征在于:所述交叉传输链路的协议实现方式可为曼彻斯特编码以及UART。
3.根据权利要求1所述的三余度双驱动电机控制平台,其特征在于:所述总线为1553B总线或RS422总线或RS232总线。
4.根据权利要求1所述的三余度双驱动电机控制平台,其特征在于:所述功率驱动方式为采用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建。
5.一种三余度双驱动电机控制方法,其特征在于,具体实现步骤如下:
步骤1:三个独立控制通道首先进行同步,确保同一时刻开始执行任务;
每个独立控制通道通过同步接口传输给其他两个控制通道自身运行状态,并获取其他两个控制通道运行状态,结合自身和其他两个控制通道的运行状态,通过同步接口实现通道间的同步;
所述运行状态包括上电BIT结果、周期BIT结果;
步骤2:获取每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤2.1:每个独立控制通道对被控电机的双绕组电流传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机相电流信息;对被控电机的位置传感器输出信息进行采集转换,得到被控电机位置信息;
步骤2.2:每个独立控制通道将采集的相电流信息、位置信息通过交叉传输链路传输给其他两个独立控制通道,并获取其他两个独立控制通道采集转换的相应相电流信息及位置信息;
步骤2.3:将三组相电流信息、位置信息分别进行数据比较及处理,得到最终的相电流信息、位置信息;
三组相电流信息比较及处理的规则是:
A:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都超过设定的相电流阈值时,取中间值作为最终相电流信息;所述相电流阈值根据被控电机系统安全性要求确定;
B:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值都未超过设定相电流阈值时,取三组相电流信息的平均值作为最终相电流信息;
C:将三组相电流信息中最大值、最小值分别与中间值之差的绝对值中有一个超过设定相电流阈值时,取未超差值与中间值的平均值作为最终相电流信息;
位置信息的比较及处理的规则与三组相电流信息比较及处理的规则一致;
步骤2.4:将最终的相电流信息、位置信息结合上位机通过总线接口传送过来的位置指令信息,通过相应电机控制算法,计算得出每个独立控制通道的两路初始控制信号;
步骤3:确定每个独立控制通道的两路最终控制信号;
步骤3.1:每个独立控制通道将本通道产生的两路初始控制信号通过交叉传输链路传输给其他两个独立控制通道,并获取其他两个独立控制通道相应的两路初始控制信号,同时获取自身通道运行状态和其他两个独立控制通道运行状态;
步骤3.2:将获取的三个独立控制通道的初始控制信号、三个控制通道的运行状态以及本通道级别,结合进行表决,判别出三个独立控制通道中工作正常的通道及主控通道;
步骤3.3:将主控通道的两路初始控制信号作为最终控制信号输出,工作异常的控制通道及非主控通道关断;
步骤4:利用最终控制信号对被控电机进行功率驱动;
两个独立驱动通道分别接收主控通道输出的两路最终控制信号,每个驱动通道对应电机的一套绕组,通过功率驱动方式将最终控制信号转换为相应的功率驱动信号,分别驱动被控电机的一套绕组,实现被控电机的双绕组工作模式;并通过控制通道监控被控电机是否工作正常,工作正常的判断依据为异常时被控电机对应绕组上的单相电流超过设定阈值或多相电流之和非零,出现异常时接收主控通道指令,切断相应电机绕组功率输出信号,实现电机单绕组工作模式。
6.根据权利要求5所述的三余度双驱动电机控制方法,其特征在于:所述步骤1中具体同步情况为以下三种:
情况一:当三个控制通道运行状态均正常时,由默认的高级别通道向另外两个通道发起同步;所述高级别通道通过通道识别链路确认级别;
情况二:当仅有两个控制通道运行状态正常时,由默认的高级别通道向低级别通道发起同步;
情况三:当仅有单通道运行状态正常的情况下不进行同步。
7.根据权利要求5所述的三余度双驱动电机控制方法,其特征在于:所述交叉传输链路的协议实现方式可为曼彻斯特编码及UART。
8.根据权利要求5所述的三余度双驱动电机控制方法,其特征在于:所述总线为1553B总线或RS422总线或RS232总线。
9.根据权利要求5所述的三余度双驱动电机控制方法,其特征在于:所述功率驱动方式为采用集成式功率驱动芯片或分立式功率开关管器件进行搭建。
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