CN115924065A - 双余度电动舵机的控制系统、控制方法和双余度电动舵机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了双余度电动舵机的控制系统、控制方法和双余度电动舵机，包括：第一余度，第二余度，与所述第一余度、第二余度分别连接的MCU、双余度电机，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。通过双余度设计，保证了舵机系统的高可靠性。

Description

双余度电动舵机的控制系统、控制方法和双余度电动舵机

技术领域

本申请属于电动舵机领域，尤其涉及双余度电动舵机的控制系统、控制方法和双余度电动舵机。

背景技术

高精尖飞行器系统的快速发展，要求控制系统具有高精度、高灵敏度和高可靠性。舵机伺服系统作为飞行器中的位置随动系统，主要应用在扰流片、襟翼、直升机控制和导弹控制中，能否可靠工作直接决定了飞行器的安全性能。为了提高飞行器的安全可靠性，利用系统中关重件的冗余设计，即可以利用相同元器件、组件冗余设计来有效提高飞行器系统可靠性。

在飞行器伺服系统中，通过能源来分类，主要分为液压伺服、电动伺服、气动伺服。液压伺服系统、气动伺服系统均存在空间利用率低，能耗大等缺陷。随着大功率半导体、微处理器及稀土永磁材料技术的不断发展，电动伺服系统得到迅速发展和广泛应用。早期的电动舵机存在控制精度相对较低、输出力矩较小、响应速度慢等缺陷。随着可靠性要求的提升，单通道舵机的设计并不能满足要求。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供双余度电动舵机的控制系统、控制方法和双余度电动舵机，通过双余度设计，保证了舵机系统的高可靠性。

第一方面，提供了双余度电动舵机的控制系统，所述控制系统包括：

第一余度，第二余度，与所述第一余度、第二余度分别连接的MCU、双余度电机，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在一个可能的实现方式中，第一余度包括：第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机，第二余度包括：第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机。

在另一个可能的实现方式中，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在另一个可能的实现方式中，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

第二方面，提供了双余度电动舵机的控制方法，所述控制方法包括：

对第一余度和双余度电机进行实时监测；

当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在一个可能的实现方式中，所述对第一余度和双余度电机进行实时监测的步骤之前，所述控制方法还包括：

将第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机设置为第一余度，并且将第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机设置为第二余度。

在另一个可能的实现方式中，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在另一个可能的实现方式中，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

第三方面，提供了双余度电动舵机，所述双余度电动舵机，包括：

本体一、滚珠丝杠、本体二、双余度电机、直线位移传感器(1/2)、丝杠齿轮、中间齿轮一、中间轴、锁紧轴、中间齿轮二、电机齿轮、加强筋板、传感器拉杆、连接块、直线轴承、推杆、导轨、楔形块、滚圈，所述的双余度电机在驱动电路的控制下转动，通过电机齿轮、中间齿轮一、中间齿轮二传递到丝杠齿轮，带动滚珠丝杠转动，所述的直线位移传感器(1/2)，分别安装两个独立位移传感器，通过传感器拉杆，在滚珠丝杠的带动下，反馈出舵机推杆的行程位移，所述的导轨固定于本体一上，通过导向槽中安装的滚圈，保障输出轴推杆的直线运动，所述的推杆和滚珠丝杠安装于于本体一和本体二上，形成直线轴承、深沟球轴承和一对背靠背安装的角接触轴承。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过两套余度的切换作用，保证了在任一套余度出现问题时，不会出现电动舵机无法运行的情况，提升了电动舵机的可靠性，同时，通过选用高性能的零部件，提高了电动舵机的性能。而且充分利用悬臂的丝杠齿轮、中间齿轮和电机齿轮，使电机与丝杠并联，使得整个电动舵机更加轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的控制系统的结构图；

图2为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的控制方法的流程图；

图3为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的结构图。

具体实现方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称模块被“连接”或“耦接”到另一模块时，它可以直接连接或耦接到其他模块，或者也可以存在中间模块。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一模块和全部组合。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实现方式作进一步地详细描述。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如和解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

如图1所示为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的控制系统的结构图，所述控制系统包括：

第一余度101，第二余度102，与所述第一余度、第二余度分别连接的MCU103、双余度电机104，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在本发明实施例中，双余度电动舵机的控制系统主要包括以下模块：第一余度101，第二余度102，与所述第一余度、第二余度分别连接的MCU103、双余度电机104。在具体的使用过程中，第一余度作为主要通道，第二余度作为备份通道，实时对当前运行的余度(通常为第一余度)和双余度电机进行检测，如果检测到当前运行的余度或双余度电机出现了故障，则转换为另一余度(通常为第二余度)进行运行。

其中，第一余度包括：第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机，第二余度包括：第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机。

在本发明实施例中，通过分析获取直线舵机系统中故障发生概率较大的关重件，将电机、驱动电路、电流采样电路、位移传感器、A/D信号采集电路等关重件作冗余设计，即将其设计为余度。本方法的余度设计与系统部件全备份相比，在提高舵机系统的可靠性的同时，可以有效降低设计成本，并缩减系统的空间。

其中，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

其中，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

在本发明实施例中，除了通过双余度电机是否出现故障来进行余度切换之外，还可以通过余度中的驱动电路和位移传感器是否故障来进行余度的切换。

电动舵机在运行时，每一个指令发送出去后，为了确认舵机中的设备是否接收到了指令，舵机会要求各设备对接收的指令发送回馈指令，也既是反馈信号，因此可以通过对反馈信号的判断来对设备是否故障进行判断。具体的，在电动舵机中设置预设时长，在该预设时长内接收到了反馈信号，则对应的设备为正常，如果超过所述预设时长收到反馈信号，或者没有收到反馈信号，则对应的设备为异常。

本发明实施例，第一余度，第二余度，与第一余度、第二余度分别连接的MCU、双余度电机，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现电机hall故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。通过两套余度的切换作用，保证了在任一套余度出现问题时，不会出现电动舵机无法运行的情况，提升了电动舵机的可靠性，同时，通过选用高性能的零部件，提高了电动舵机的性能。而且充分利用悬臂的丝杠齿轮、中间齿轮和电机齿轮，使电机与丝杠并联，使得整个电动舵机更加轻量化。

如图2所示为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的控制方法的流程图，所述方法包括：

步骤201，对第一余度和双余度电机进行实时监测；

步骤202，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

在本发明实施例中，第一余度作为主要通道，第二余度作为备份通道，实时对当前运行的余度(通常为第一余度)和双余度电机进行检测，如果检测到当前运行的余度或双余度电机出现了故障，则转换为另一余度(通常为第二余度)进行控制运行。

其中，所述对第一余度和双余度电机进行实时监测的步骤之前，所述控制方法还包括：

将第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机设置为第一余度，并且将第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机设置为第二余度。

在本发明实施例中，通过分析获取直线舵机系统中故障发生概率较大的关重件，将电机、驱动电路、电流采样电路、位移传感器、A/D信号采集电路等关重件作冗余设计，即将其设计为余度。本方法的余度设计与系统部件全备份相比，在提高舵机系统的可靠性的同时，可以有效降低设计成本，并缩减系统的空间。

其中，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

其中，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

在本发明实施例中，除了通过双余度电机是否出现故障来进行余度切换之外，还可以通过余度中的驱动电路和位移传感器是否故障来进行余度的切换。

电动舵机在运行时，每一个指令发送出去后，为了确认舵机中的设备是否接收到了指令，舵机会要求各设备对接收的指令发送回馈指令，也既是反馈信号，因此可以通过对反馈信号的判断来对设备是否故障进行判断。具体的，在电动舵机中设置预设时长，在该预设时长内接收到了反馈信号，则对应的设备为正常，如果超过所述预设时长收到反馈信号，或者没有收到反馈信号，则对应的设备为异常。

本发明实施例，对第一余度和双余度电机进行实时监测；当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现电机hall故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。通过两套余度的切换作用，保证了在任一套余度出现问题时，不会出现电动舵机无法运行的情况，提升了电动舵机的可靠性，同时，通过选用高性能的零部件，提高了电动舵机的性能。而且充分利用悬臂的丝杠齿轮、中间齿轮和电机齿轮，使电机与丝杠并联，使得整个电动舵机更加轻量化。

如图3所示为本发明一个实施例提供的双余度电动舵机的结构图，所述双余度电动舵机，包括：

本体一1、滚珠丝杠2、本体二3、双余度电机4、直线位移传感器(1/2)5、丝杠齿轮6、中间齿轮一7、中间轴8、锁紧轴9、中间齿轮二10、电机齿轮11、加强筋板12、传感器拉杆13、连接块14、直线轴承15、推杆16、导轨17、楔形块18、滚圈19。

在本发明实施例中，所述的双余度电机4在驱动电路的控制下转动，通过电机齿轮11、中间齿轮一7、中间齿轮二10传递到丝杠齿轮6，带动滚珠丝杠2转动，电机-齿轮-滚珠丝杠传递方式，提高传递系统效率。

所述的双余度电机4为两套独立的无刷直流电机，通过独立绕线U\V\W三相线以及独立分布的HALL传感器，能有效提高电机空间利用率，在余度一电机故障失效的情况下，余度二电机正常工作。

所述的直线位移传感器(1/2)5，分别安装两个独立位移传感器，通过传感器拉杆13，在滚珠丝杠的带动下，反馈出舵机推杆16的行程位移，在余度一直线位移传感器故障失效情况下，余度二直线位移传感器正常工作，实时反馈位移行程给主控芯片。

所述的导轨17固定于本体一1上，通过导向槽中安装的滚圈19，保障输出轴推杆16的直线运动，同时滚圈19能有效减小传动系统磨损，提高系统使用寿命。

所述的推杆16和滚珠丝杠3安装于于本体一1和本体二2上，通过直线轴承、深沟球轴承和一对背靠背安装的角接触轴承，提升了推杆16和滚珠丝杠3的支撑刚度和输出轴推杆16的直线运动精度，直线轴承可有效减小传动系统磨损，背靠背安装的角接触轴承可增加其径向和轴向的支承角度刚性，抗变形能力。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本发明的部分实现方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双余度电动舵机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

第一余度，第二余度，与所述第一余度、第二余度分别连接的MCU、双余度电机，当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，第一余度包括：第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机，第二余度包括：第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

5.一种双余度电动舵机的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

对第一余度和双余度电机进行实时监测；

当检测到所述第一余度出现故障或所述双余度电机出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述对第一余度和双余度电机进行实时监测的步骤之前，所述控制方法还包括：

将第一驱动电路、第一电流采样电路、第一位移传感器、第一A/D信号采集电路以及与所述第二余度共用的所述双余度电机设置为第一余度，并且将第二驱动电路、第二电流采样电路、第二位移传感器、第二A/D信号采集电路以及与所述第一余度共用的所述双余度电机设置为第二余度。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述当检测到所述第一余度出现故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制，包括：

当第一驱动电路故障和/或第一位移传感器故障和/或所述双余度电机的电机霍尔特征故障时，由第一余度控制切换为第二余度控制。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第一驱动电路故障或第一位移传感器故障或者所述双余度电机的电机霍尔特征故障，包括：

检测是否在预设的时长内接收到所述第一驱动电路、第一位置传感器或双余度电机的反馈信号，如果接收到所述反馈信号则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为正常，如果未接收到所述反馈信号，则所述第一驱动电路和/或第一位置传感器和/或双余度电机为异常。

9.一种双余度电动舵机，其特征在于，所述双余度电动舵机，包括：

本体一、滚珠丝杠、本体二、双余度电机、直线位移传感器(1/2)、丝杠齿轮、中间齿轮一、中间轴、锁紧轴、中间齿轮二、电机齿轮、加强筋板、传感器拉杆、连接块、直线轴承、推杆、导轨、楔形块、滚圈，所述的双余度电机在驱动电路的控制下转动，通过电机齿轮、中间齿轮一、中间齿轮二传递到丝杠齿轮，带动滚珠丝杠转动，所述的直线位移传感器(1/2)，分别安装两个独立位移传感器，通过传感器拉杆，在滚珠丝杠的带动下，反馈出舵机推杆的行程位移，所述的导轨固定于本体一上，通过导向槽中安装的滚圈，保障输出轴推杆的直线运动，所述的推杆和滚珠丝杠安装于于本体一和本体二上，形成直线轴承、深沟球轴承和一对背靠背安装的角接触轴承。

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