CN111190347B

CN111190347B - 一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法

Info

Publication number: CN111190347B
Application number: CN201811364331.8A
Authority: CN
Inventors: 熊官送; 王帅; 卢扬; 张翔; 何平; 吴真; 宋涛; 翟琨; 庞喜浪; 曹东海
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: CN111190347A

Abstract

本发明属于故障诊断和多信息融合领域，一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，首先确定无刷直流电机的霍尔状态信息，确定霍尔状态计数值，解算出伺服机构的位置信息，伺服机构位置信息进行多位置信息综合处理，确定综合后的输出位置信息，对综合后的位置信息进行滤波平滑处理，获得用于系统闭环控制的位置反馈信息。在不额外增加传感器的情况下，通过充分利用无刷直流电机的霍尔状态信息，为系统增加了两个位置信息，提高了系统位置检测的可靠性。

Description

一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法

技术领域

本发明属于故障诊断和多信息融合领域，具体涉及一种双余度机电伺服系统多位置信息的故障检测方法。

背景技术

双余度机电伺服系统主要应用于各种中大型飞行器的舵面控制、伺服作动等领域，是一种高可靠的冗余作动控制系统，对提高整个装备和产品的可靠性具有决定性影响。双余度机电伺服系统通常由双电机、双余度驱动控制器、双余度或多余度位置传感器以及传动机构(舵机)等组成，而每个电机配有用于电机控制的位置传感器。双余度机电伺服系统通常有两种方案：一种为速度合成方式，即两个电机的速度和为传动机构的速度输入，而两个电机的输出力矩一致；另一种为力矩合成方式，即两个电机的力矩和为传动机构的力矩输入，而两个电机的转速一致。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，解决双余度伺服系统位置信息难以进行故障判别的问题，实现系统可靠性的大幅提高。

本发明的技术方案如下：

一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，包括如下步骤：

1)确定无刷直流电机的霍尔状态信息，即确定霍尔状态计数值；

2)解算出伺服机构的位置信息；

3)伺服机构位置信息进行多位置信息综合处理，确定综合后的输出位置信息；

4)对综合后的位置信息进行滤波平滑处理，获得用于系统闭环控制的位置反馈信息。

所述的步骤1)具体为：

1.1)确定当前三个霍尔传感器A、B和C对应的状态标识s；

1.2)利用下式确定状态计数值

其中s_k为当前采样周期霍尔状态标识，s_k-1为上一采样周期霍尔状态标识；n_k为当前采样周期霍尔状态计数值，n_k-1为上一采样周期霍尔状态计数值。

所述的步骤2)具体为

2.1)确定两个电机当前周期的霍尔状态计数值分别为n_k1、n_k2；

2.2)确定对应的伺服机构位置信息f₁、f₂

其中，i为电机输出转速与舵机输出转速之间的减速比，通常为常值，也可为某一数学表达式；p为电机极对数，n_k1、n_k2分别为电机1和电机2的霍尔状态计数值，f₀为舵机起控前的初始角度，可取双余度位置传感器的均值。

其中，双余度电位器输出电压分别为V₁(0)、V₂(0)。

所述步骤3)具体为：

3.1)确定系统四冗余位置信息f₁、f₂、f₃和f₄；

其中f₁、f₂是分别由两个电机的霍尔传感器解算出的位置反馈信息，f₃和f₄为输出轴双余度传感器输出的两路位置信息；

3.2)多位置信息综合处理

当|f₁-f₂|＜Δ₁，|f₃-f₄|＜Δ₂时，计算数列{f₁、f₂、f₃、f₄}中与平均值((f₁+f₂+f₃+f₄)/4)差值最小的位置信息f_i，作为输出位置信息f；

当|f₁-f₂|≥Δ₁，|f₃-f₄|＜Δ₂，或|f₁-f₂|＜Δ₁，|f₃-f₄|≥Δ₂，数列{f₁、f₃、f₄}中与平均值((f₁+f₃+f₄)/3)差值最小的位置信息记为f_i1、数列{f₂、f₃、f₄}中与平均值((f₂+f₃+f₄)/3)差值最小的位置信息记为f_i2，输出位置信息f为(f_i1+f_i2)/2；

当|f₁-f₂|≥Δ₁，|f₃-f₄|≥Δ₂，输出位置信息为数列{|f₁-f₃|、|f₂-f₄|}中的较小的两个位置信息的均值，如|f₁-f₃|≤|f₂-f₄|，则输出位置信息f为(f₁+f₃)/2，反之输出位置信息f为(f₂+f₄)/2。

所述步骤4)中：对综合处理后的位置信息f，进行一阶低通滤波。

取Δ₁＝0.2，Δ₂＝0.1。

本发明的显著效果在于：

1、在不额外增加传感器的情况下，通过充分利用无刷直流电机的霍尔状态信息，为系统增加了两个位置信息，提高了系统位置检测的可靠性。

2、提出一种多位置信息处理方法，可以相比普通的信号表决法，该方法具有更强的容错性，可以快速进行信号综合和容错处理。

3、当多位置信息出现明显差异时，通过不同类型传感器分组处理方法，可以避免两个同类传感器故障导致信号难以辨别的问题。

4、针对信号综合过程中由于信号源切换导致输出信号跳变的问题，采用了低通滤波器进行滤波平滑，从而优化了最终反馈信号的输出品质。

附图说明

图1为双余度电动舵机原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，双余度电动舵机主要由两个无刷直流电机、减速器以及双余度位置传感器组成。两个电机通过齿轮并联输出，带动减速器驱动输出轴转动。其中每个无刷直流电机分别输出A、B、C三个霍尔位置信号，双余度位置传感器(以电位器为例)输出两路反馈电压信号V1和V2。

按照如下步骤进行容错处理。

步骤1、通过无刷直流电机的霍尔信号获取状态计数值；

针对双余度电动舵机，对两个无刷直流电机的霍尔信号进行状态计数值解算。

1.1)通过表1查询当前三个霍尔传感器A、B和C对应的状态标识s；

1.2)利用下式确定状态计数值

表1霍尔状态查询表

HaLL_A	HaLL_B	HaLL_C	状态标识s
				0	1	0	1
0	1	1	2
				0	0	1	3
1	0	1	4
				1	0	0	5
1	1	0	6

步骤2、通过霍尔状态计数值及初始位置信息解算出伺服机构的位置信息(角度或位移)；

2.1)按照式子1得到两个电机当前周期的霍尔状态计数值分别为n_k1、n_k2；

2.2)确定对应的伺服机构位置信息f₁、f₂

其中i为电机输出转速与舵机输出转速之间的减速比，通常为常值，也可为某一数学表达式；p为电机极对数，n_k1、n_k2分别为电机1和电机2的霍尔状态计数值，f₀为舵机起控前的初始角度，可取双余度位置传感器的均值。

步骤3、通过电机霍尔信号解算出的伺服机构位置信息和位置传感器输出的伺服机构位置信息进行多位置信息综合处理；

3.1)通过双余度舵机的电机位置信息和输出轴传感器的位置信息可得到系统四冗余位置信息f₁、f₂、f₃和f₄，其中f₁、f₂是分别由两个电机的霍尔传感器解算出的位置反馈信息，正常情况下其误差绝对值小于Δ₁(可由实测结果标定)，f₃和f₄为输出轴双余度传感器输出的两路位置信息，正常情况下其误差绝对值小于Δ₂(可由实测结果标定)

3.2)多位置信息综合处理

步骤4、对综合后的位置信息进行滤波平滑处理，获得用于系统闭环控制的位置反馈信息

对f₁、f₂、f₃和f₄综合处理后的位置信息f，进行一阶低通滤波，以平滑位置信息的波动。

下面给出一组算例。

1)霍尔信号状态计数值计算：通过伺服控制器采集电机当前霍尔状态按表1确定当前周期的状态标识，然后按式1)计算状态计数值。比如当前霍尔A1、B1、C1状态为001，上一周期霍尔状态为011，上一周期霍尔状态计数值为5，则当前状态计数值为n₁为6。同理可获得电机2的霍尔状态计数值n₂。

2)伺服机构(舵机输出轴)的位置解算：在舵机启动之前，获取双余度位置传感器的输出位置信息电压f₀。以双余度电位器为例，其输出电压为V₁(0)、V₂(0)，电压与位置的转换系数为k，则

再通过式2)、式3)可解算出两个电机霍尔信号所对应的位置信息分别为f₁、f₂。

3)多位置信息综合解算：通过双余度舵机的电机位置状态(A1、B1、C1以及A2、B2、C2)和输出轴传感器的位置反馈电压(V1、V2)可得到系统四冗余位置信息f₁、f₂、f₃和f₄。分别计算|f₁-f₂|和|f₃-f₄|，若取Δ₁＝0.2，Δ₂＝0.1。按以下3种情况进行解算。

a、|f₁-f₂|＜0.2，|f₃-f₄|＜0.1时，如f₁、f₂、f₃和f₄分别为{1.01、1.12、1.25、1.18}。则数列{f₁、f₂、f₃、f₄}中与平均值((f₁+f₂+f₃+f₄)/4)差值最小的位置信息为f₂＝1.12，f＝f₂作为输出位置信息；

b、|f₁-f₂|＜0.2，|f₃-f₄|≥0.1或者|f₁-f₂|≥0.2，|f₃-f₄|＜0.1时，如f₁、f₂、f₃和f₄分别为1.01、1.12、1.25和1.01。则分别求取数列{1.01、1.25、1.01}和数列{1.12、1.25、1.01}中与均值差值最小的位置信息f_i1＝1.01、f_i2＝1.12，输出位置信息

c、|f₁-f₂|≥0.2，|f₃-f₄|≥0.1时，如f₁、f₂、f₃和f₄分别为1.01、2.12、1.25和3.24。数列{|f₁-f₃|、|f₂-f₄|}为{0.24、1.12}，则取数列中差值绝对值较小的两个位置信息均值

作为输出位置信息f，即f＝1.13；

4)将以上输出的位置信息f通过一阶低通滤波器滤波平滑后，用于伺服系统控制的位置反馈信息。

Claims

1.一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)解算出伺服机构的位置信息；

3)对伺服机构位置信息进行多位置信息综合处理，确定综合后的输出位置信息；

4)对综合后的输出位置信息进行滤波平滑处理，获得用于系统闭环控制的位置反馈信息；

所述的步骤2)具体为

2.2)确定对应的伺服机构位置信息f₁、f₂

其中，i为电机输出转速与舵机输出转速之间的减速比，为常值或数学表达式；p为电机极对数，n_k1、n_k2分别为电机1和电机2的霍尔状态计数值，f₀为舵机起控前的初始角度，或者直接取值为双余度位置传感器的均值；

所述步骤3)具体为：

3.1)确定系统四冗余位置信息f₁、f₂、f₃和f₄；

其中f₁、f₂是分别由两个电机的霍尔传感器解算出的位置信息，f₃和f₄为输出轴双余度位置传感器输出的两路位置信息；

3.2)多位置信息综合处理

当|f₁-f₂|＜Δ₁，|f₃-f₄|＜Δ₂时，计算数列{f₁、f₂、f₃、f₄}中与平均值(f₁+f₂+f₃+f₄)/4差值最小的位置信息f_i，作为输出位置信息f；

当|f₁-f₂|≥Δ₁，|f₃-f₄|＜Δ₂，或|f₁-f₂|＜Δ₁，|f₃-f₄|≥Δ₂，数列{f₁、f₃、f₄}中与平均值((f₁+f₃+f₄)/3差值最小的位置信息记为f_i1、数列{f₂、f₃、f₄}中与平均值(f₂+f₃+f₄)/3差值最小的位置信息记为f_i2，输出位置信息f为(f_i1+f_i2)/2；

当|f₁-f₂|≥Δ₁，|f₃-f₄|≥Δ₂，输出位置信息为数列{|f₁-f₃|、|f₂-f₄|}中的较小的两个位置信息的均值，如|f₁-f₃|≤|f₂-f₄|，则输出位置信息f为(f₁+f₃)/2，反之输出位置信息f为(f₂+f₄)/2；

取Δ₁＝0.2，Δ₂＝0.1。

2.如权利要求1所述的一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：

1.1)确定当前三个霍尔传感器A、B和C对应的状态标识s；

1.2)利用下式确定状态计数值

3.如权利要求1所述的一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，其特征在于：

其中，双余度位置传感器为双余度电位器，其输出电压分别为V₁(0)、V₂(0)，k为电压与位置的转换系数。

4.如权利要求1所述的一种双余度机电伺服系统多位置信息故障容错处理方法，其特征在于，所述步骤4)中：对综合处理后的输出位置信息f，进行一阶低通滤波。