CN112182876B

CN112182876B - 一种双余度舵机通道故障切换系统及逻辑设计方法

Info

Publication number: CN112182876B
Application number: CN202011024528.4A
Authority: CN
Inventors: 赵亚妮; 窦森; 王琳琳
Original assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Current assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112182876A

Abstract

一种双余度舵机通道故障切换系统及逻辑设计方法，系统包括与双余度舵机相连的主通道A和备通道B，主通道A和备通道B均包括处理器、通道故障逻辑电路以及功率驱动电路，处理器根据输入状态经过通道故障逻辑电路开断功率驱动电路，功率驱动电路驱动双余度舵机动作；正常情况下，只有主通道A投入工作，备通道B处于热备份状态，各通道的通道故障逻辑电路根据本通道的运行状态接通或切断本通道功率驱动电路的输出。切换逻辑设计方法包括初始化配置、通道类型配置以及故障处理逻辑设置。本发明能够适应主通道、备通道以及独立通道的工作配置需求，可以实现通道故障锁存、故障隔离、通道切换等功能，具有功能齐全、配置灵活、可靠性高等优点。

Description

一种双余度舵机通道故障切换系统及逻辑设计方法

技术领域

本发明属于电动伺服控制领域，涉及一种双余度舵机通道故障切换系统及逻辑设计方法。

背景技术

双余度舵机通道故障逻辑主要负责检测通道的故障信息，一旦出现故障，能够立即切除故障通道，并切换至备通道工作。现有的舵机通道故障逻辑电路多由分立的与、或、非等逻辑门电路和触发器电路来搭建，电路的体积较大；故障逻辑一旦确定，增加故障状态或修改故障逻辑十分困难；而且故障逻辑设计较单一，没有考虑通道类型，没有通用性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中舵机通道故障逻辑电路存在体积大、配置不灵活、通用性差的问题，提供一种双余度舵机通道故障切换系统及逻辑设计方法，具有功能齐全、配置灵活、可靠性高的特点，能够满足一般双余度舵机通道故障逻辑的切换控制需求。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种双余度舵机通道故障切换系统，包括与双余度舵机相连的主通道A和备通道B，主通道A和备通道B均包括处理器、通道故障逻辑电路以及功率驱动电路，所述的处理器根据输入状态经过通道故障逻辑电路开断功率驱动电路，所述的功率驱动电路驱动双余度舵机动作；正常情况下，只有主通道A投入工作，备通道B处于热备份状态，各通道的通道故障逻辑电路根据本通道的运行状态接通或切断本通道功率驱动电路的输出。

所述的通道故障逻辑电路输入信号包括控制器硬件故障信号LRU_ID、WDV、PSV、POWER_Valid、AD_Valid、UNDER_VOL、422A_Valid、422B_Valid；控制器软件故障信号DSP_Valid；舵机硬件故障信号LVDT-ILM、HALL_Valid、CUR_Valid、STOP_Valid、MODE_Valid；使能信号ACT_EN；通道类型信号TYPE1、TYPE0；上电复位信号PRST；故障清除信号CLR；

LRU_ID表示通道ID号故障，WDV表示看门狗故障，PSV表示处理器三次电源故障，POWER_Valid表示二次电源故障，AD_Valid表示AD转换器故障，UNDER_VOL表示一次电源欠压故障，422A_Valid表示第1路422总线故障，422B_Valid表示第2路422总线故障；

DSP_Valid表示DSP故障；

LVDT-ILM表示LVDT传感器故障，HALL_Valid表示电机HALL故障，CUR_Valid表示舵机电流故障，STOP_Valid表示舵机停转故障，MODE_Valid表示舵机模型故障；

ACT_EN表示舵机使能；

TYPE1、TYPE0为11表示主通道，00表示备通道，10表示独立通道。

所述的通道故障逻辑电路输出信号包括通道有效信号ACE_Valid、切机信号SWITCH、通道关断信号OFF_EN以及通道故障信号REP_ERR。

所述的通道故障逻辑电路通过FPGA实现。

本发明同时提供一种双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，包括以下步骤：

-初始化配置；

PRST为舵机控制器的上电复位信号，复位过程为“0”，经非门、2级或门之后输出通道有效ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出处于禁止状态，上电过程舵机不会误动作；

上电复位过程PRST信号为“0”，经与门后为“0”接入RS触发器的S端；经非门、或门之后为“1”接入RS触发器的R端，RS触发器被复位，Q端输出“0”，故障状态被清除；

上电复位完成后PRST为“1”，处理器先将LVDT传感器故障LVDT_ILM、电机HALL故障HALL_Valid、舵机电流故障CUR_Valid、舵机停转故障STOP_Valid、二次电源故障POWER_Valid、AD转换器故障AD_Valid、422总线故障422_Valid、舵机模型故障MODE_Valid、一次电源欠压故障UNDER_VOL故障状态位全部置“0”，这样经2级或门、1级与门后为“0”接入RS触发器的S端；然后将故障清除CLR信号置成“1”，经或门后为“1”接入RS触发器R端，RS触发器被复位，Q端输出“0”，初始化完成后故障状态清零；最后将故障清除CLR高电平信号持续设定时间后，再置成“0”；

-通道类型配置；

处理器读取通道ID号，若通道ID有错，处理器置通道ID号故障LRU_ID信号为“1”，经2级或门之后输出的通道有效ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出被关断；

若通道ID号正确，处理器根据物理ID，配置通道类型TYPE1和TYPE0：“11”为主通道，“00”为备通道，“10”为独立通道；通道类型配置完成后，若通道为主通道或独立通道，处理器会将舵机使能信号ACT_EN置成“1”，经非门后允许通道有效ACE_Valid信号有效；

-故障处理逻辑设置；

会导致舵机通道无法工作的严重故障不进行锁存，经或门后输出的通道有效ACE_Valid信号为“1”，关断功率驱动的输出；

不影响舵机通道工作的轻微故障不进行锁存，经或门后输出的通道故障REP_ERR信号为“1”，只上报故障即可；

影响舵机通道正常工作的一般故障，只要控制器加电，就一直锁存故障状态，并根据通道类型，给出相应的切换备机SWITCH信号、关断通道OFF_EN信号、通道有效ACE_Valid信号、通道故障REP_ERR信号的状态；

若主通道出现一般故障，切换备机SWITCH信号将变为“1”，同时通道有效ACE_Valid信号也变为“1”，立即关断功率输出，处理器上报故障信息，并向备机发送切机指令；若独立通道出现一般故障，关断通道OFF_EN信号将变为“1”，同时通道有效ACE_Valid信号也变为“1”，立即关断功率输出，处理器上报故障信息；若备通道出现一般故障，通道故障REP_ERR信号将变为“1”，处理器只上报故障信息。

所述的通道类型配置完成后，若通道为主通道或独立通道，处理器会将舵机使能ACT_EN信号置成“1”，经非门后允许通道有效ACE_Valid信号有效；通道类型确定后，备通道输出处于关断状态。

所述的会导致舵机通道无法工作的严重故障信号包括通道ID号故障LRU_ID、DSP故障DSP_Valid、看门狗故障WDV、处理器三次电源故障PSV，不影响舵机通道工作的轻微故障信号包括第1路422总线故障422A_Valid、第2路422总线故障422B_Valid、一次电源欠压故障UNDER_VOL、舵机模型故障MODE_Valid，影响舵机通道正常工作的一般故障信号包括LVDT传感器故障LVDT-ILM、电机HALL故障HALL_Valid、舵机电流故障CUR_Valid、舵机停转故障STOP_Valid、二次电源故障POWER_Valid以及AD转换器故障AD_Valid。

相较于现有技术，本发明双余度舵机通道故障切换系统具有如下的有益效果：双余度舵机A、B两个通道均具有输出控制舵机运动的能力。正常情况下，只有主通道A工作，备通道B处于热备份状态，只进行数据采集、计算，但不能输出。舵机每个通道都有通道故障逻辑电路，各通道的通道故障逻辑根据本通道各项运行状态进行综合判断，接通或切断本通道功率驱动电路的输出。若主通道A故障，通道故障逻辑就会立即禁止主通道A的输出。本发明能够适应主通道、备通道以及独立通道的工作配置需求，可以实现通道故障锁存、故障隔离、通道切换等功能，具有功能齐全、配置灵活、可靠性高等优点。本发明是一种通用的双余度舵机通道故障切换系统，能够满足一般双余度舵机通道故障逻辑的切换控制需求。

相较于现有技术，本发明双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法具有如下有益效果：上电初始化过程，通道故障逻辑会禁止功率驱动的输出，舵机不会误动作；通道故障逻辑可确保主、备通道不会同时接通功率驱动电路工作；在不断电的情况下，通道故障状态被锁存，可及时上报。可适应主通道、备通道以及独立通道的工作配置需求，能够实现通道故障锁存、故障隔离、通道切换等功能，具有功能齐全、配置灵活、可靠性高等优点。

附图说明

图1本发明双余度舵机通道故障切换系统架构图；

图2本发明通道故障逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，一种双余度舵机通道故障切换系统，包括与双余度舵机相连的主通道A和备通道B，主通道A和备通道B均包括处理器、通道故障逻辑电路以及功率驱动电路，处理器根据输入状态经过通道故障逻辑电路开断功率驱动电路，功率驱动电路驱动双余度舵机动作；正常情况下，只有主通道A投入工作，备通道B处于热备份状态，各通道的通道故障逻辑电路根据本通道的运行状态接通或切断本通道功率驱动电路的输出。

参见图2，通道故障逻辑电路输入信号包括控制器硬件故障信号LRU_ID、WDV、PSV、POWER_Valid、AD_Valid、UNDER_VOL、422A_Valid、422B_Valid；控制器软件故障信号DSP_Valid；舵机硬件故障信号LVDT-ILM、HALL_Valid、CUR_Valid、STOP_Valid、MODE_Valid；使能信号ACT_EN；通道类型信号TYPE1、TYPE0；上电复位信号PRST；故障清除信号CLR；通道故障逻辑电路输出信号包括通道有效信号ACE_Valid、切机信号SWITCH、通道关断信号OFF_EN以及通道故障信号REP_ERR。通道故障逻辑输入、输出信号定义如表1所示。输入故障信号为“1”表示有故障，逻辑输出信号为“0”表示正常。

表1

本发明通道故障逻辑电路通过FPGA实现，FPGA选用XILINX公司的XC3S200AN，具有IO引脚数195个、20万系统门、片上FLASH。

一种双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，包括以下步骤：

-初始化配置；

舵机通道故障逻辑在上电初始化期间必须确保所控制的舵机不产生非指令运动，处于安全状态。

PRST为舵机控制器的上电复位信号，复位过程为“0”，经非门、2级或门之后输出的ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出处于禁止状态，上电过程不会舵机误动作。

上电复位过程PRST信号为“0”，经与门后为“0”接入RS触发器的S端；经非门、或门之后为“1”接入RS触发器的R端，RS触发器被复位，Q端输出“0”，故障状态被清除。

上电复位完成后PRST为“1”，处理器软件先将LVDT_ILM、HALL_Valid、CUR_Valid、STOP_Valid、POWER_Valid、AD_Valid、422_Valid、MODE_Valid、UNDER_VOL等故障状态位全部置“0”，这样经2级或门、1级与门后为“0”接入RS触发器的S端；然后将CLR信号置成“1”，经或门后为“1”接入RS触发器R端，RS触发器被复位，Q端输出“0”，初始化完成后故障状态清零；最后将CLR高电平信号持续1us后，再置成“0”。

-通道类型配置；

软件初始完成后，处理器读取通道ID号，若通道ID有错，处理器置LRU_ID信号为“1”，经2级或门之后输出的ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出被关断。

若通道ID号正确，处理器会根据物理ID，配置通道类型TYPE1和TYPE0：“11”为主通道，“00”为备通道，“10”为独立通道。

若TYPE被置成备份通道“00”，则经过与、或、非等门后输出的SWITCH信号、OFF_EN信号均为“0”，ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出被关断。备通道不具备切机功能、功率输出处于关断状态。故障信号REP_ERR的状态与通道故障有关。

若TYPE被置成独立通道“10”，则经过与门后输出的SWITCH信号为“0”，独立通道不具备切机功能。OFF_EN信号，ACE_Valid信号、REP_ERR信号的状态与通道故障有关。

若TYPE被置成主通道“11”，则SWITCH信号、OFF_EN信号、ACE_Valid信号、REP_ERR信号的状态与通道故障有关。

通道类型配置完成后，若通道为主通道或独立通道，处理器会将舵机使能信号ACT_EN置成“1”，经非门后允许ACE_Valid信号有效。

通道类型确定后，备通道的功率输出始终处于关断状态，这就保证了主、备通道不会同时接通工作。

-故障处理逻辑设计；

LRU_ID、DSP_Valid、WDV、PSV等会导致舵机通道无法工作的严重故障，不进行锁存，一旦出现，经或门后输出的ACE_Valid信号为“1”，关断功率驱动的输出。

422A_Valid、422B_Valid、UNDER_VOL、MODE_Valid等不影响舵机通道工作的轻微故障，不进行锁存，一旦出现，经或门后输出的REP_ERR信号为“1”，只需上报故障即可。

LVDT-ILM、HALL_Valid、CUR_Valid、STOP_Valid、POWER_Valid、AD_Valid等影响舵机通道正常工作的一般故障，只要控制器加电就一直锁存故障状态，并根据通道类型，给出相应的故障处理SWITCH信号、OFF_EN信号、ACE_Valid信号、REP_ERR信号的状态。

若主通道出现一般故障，SWITCH信号将变为“1”，同时ACE_Valid信号也变为“1”，立即关断功率输出，处理器上报故障信息，并向备机发送切机指令。

若独立通道出现一般故障，OFF_EN信号将变为“1”，同时ACE_Valid信号也变为“1”，立即关断功率输出，处理器上报故障信息。

若备通道出现一般故障，REP_ERR信号将变为“1”，处理器只需上报故障信息。

本发明解决了双余度舵机通道故障逻辑小型化、通用化的问题，采用现场可编程器件FPGA来实现通道故障锁存、故障隔离、通道切换等功能，简化了电路设计，减小了体积，提高了灵活性，具有功能齐全、配置灵活、可靠性高等优点。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims

1.一种双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

-初始化配置；

PRST为舵机控制器的上电复位信号，复位过程为“0”，经非门、2级或门之后输出的通道有效ACE_Valid信号为“1”，通道无效，功率驱动的输出处于禁止状态，上电过程舵机不会有误动作；

-通道类型配置；

-故障处理逻辑设置；

2.根据权利要求1所述的双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，其特征在于：通道类型配置完成后，若通道为主通道或独立通道，处理器会将舵机使能ACT_EN信号置成“1”，经非门后允许通道有效ACE_Valid信号有效；通道类型确定后，备通道输出处于关断状态。

3.根据权利要求1所述的双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，其特征在于：会导致舵机通道无法工作的严重故障信号包括通道ID号故障LRU_ID、DSP故障DSP_Valid、看门狗故障WDV、处理器三次电源故障PSV，不影响舵机通道工作的轻微故障信号包括第1路422总线故障422A_Valid、第2路422总线故障422B_Valid、一次电源欠压故障UNDER_VOL、舵机模型故障MODE_Valid，影响舵机通道正常工作的一般故障信号包括LVDT传感器故障LVDT-ILM、电机HALL故障HALL_Valid、舵机电流故障CUR_Valid、舵机停转故障STOP_Valid、二次电源故障POWER_Valid以及AD转换器故障AD_Valid。

4.一种双余度舵机通道故障切换系统，其特征在于：用于实现如权利要求1至3中任意一项所述的双余度舵机通道故障切换逻辑设计方法，包括与双余度舵机相连的主通道A和备通道B，主通道A和备通道B均包括处理器、通道故障逻辑电路以及功率驱动电路，所述的处理器根据输入状态经过通道故障逻辑电路开断功率驱动电路，所述的功率驱动电路驱动双余度舵机动作；正常情况下，只有主通道A投入工作，备通道B处于热备份状态，各通道的通道故障逻辑电路根据本通道的运行状态接通或切断本通道功率驱动电路的输出。

5.根据权利要求4所述的双余度舵机通道故障切换系统，其特征在于：通道故障逻辑电路输入信号包括控制器硬件故障信号LRU_ID、WDV、PSV、POWER_Valid、AD_Valid、UNDER_VOL、422A_Valid、422B_Valid；控制器软件故障信号DSP_Valid；舵机硬件故障信号LVDT-ILM、HALL_Valid、CUR_Valid、STOP_Valid、MODE_Valid；使能信号ACT_EN；通道类型信号TYPE1、TYPE0；上电复位信号PRST；故障清除信号CLR；

DSP_Valid表示DSP故障；

ACT_EN表示舵机使能；

TYPE1、TYPE0为11表示主通道，00表示备通道，10表示独立通道。

6.根据权利要求4所述的双余度舵机通道故障切换系统，其特征在于：

通道故障逻辑电路输出信号包括通道有效信号ACE_Valid、切机信号SWITCH、通道关断信号OFF_EN以及通道故障信号REP_ERR。

7.根据权利要求4所述的双余度舵机通道故障切换系统，其特征在于：所述的通道故障逻辑电路通过FPGA实现。