一种伺服机组无扰动冗余控制系统

技术领域

本发明涉及伺服机组控制技术，具体涉及一种伺服机组无扰动冗余控制系统。

背景介绍

大推力液体火箭发动机推力调节伺服控制系统包括伺服控制器和伺服机组，伺服控制器由控制电路及驱动电路组成；伺服机组由双绕组永磁同步电机、双路电机旋转变压器、双路机组旋转变压器、失电制动器及减速器组成，伺服控制器控制伺服机组的位置环，从而调节流量调节器的开度，实现大推力液体火箭发动机的推力调节。

伺服控制系统对伺服机组的控制精度成为液体火箭发动机推力控制的关键保证，同时冗余切换过程中对伺服机组位置扰动消除是提高液体火箭发动机控制可靠性和推力平稳调节的重要体现。

目前推力调节伺服控制器通常采用双冗余设计思路，在主控通道与冗余通道热切换时，伺服机组在位置控制上仍会出现一定的扰动，特别是在带载测试时，随着负载力矩的加大，位置扰动更加明显。大的位置扰动会引起发动机点火过程中的推力波动，严重影响发动机的点火(热)试车或发射的成功。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种伺服机组无扰动冗余控制系统，所述伺服机组中的电机输出两路电机旋变信号，分别为电机旋变信号A和电机旋变信号B；所述伺服机组输出两路机组旋变信号，分别为机组旋变信号A和机组旋变信号B。

本发明提供的伺服机组无扰动冗余控制系统包括控制电路CPUA、控制电路CPUB、切机仲裁电路、输出使能电路A和输出使能电路B；

所述控制电路CPUA实时接收由电机旋变信号A解码所得的电机位置信号A和电机转速信号A以及由电机旋变信号B解码后所得的电机位置信号B和电机转速信号B，同时接收由机组旋变信号A解码所得的机组位置信号A和由机组旋变信号B解码后所得的机组位置信号B；控制电路CPUA对接收到的电机位置信号A、电机转速信号A、电机位置信号B、电机转速信号B、机组位置信号A和机组位置信号B实时进行解算得到电机控制数据，并将控制数据实时输出给输出使能电路A；

所述控制电路CPUA实时对自身状态进行自检，并依据自检状态实时向切机仲裁电路输出信号束CPUA_STATUS，所述信号束CPUA_STATUS包括软件自检信号BIT、硬件复位信号RESET、看门狗信号WDO和电源监控信号PFO；

所述控制电路CPUA接收伺服机组的位置限位信号，当伺服机组达到限位时，控制电路CPUA输出控制伺服电机停止工作的信号并输入至输出使能电路A；

所述控制电路CPUB实时接收由电机旋变信号B解码所得的电机位置信号B和电机转速信号B以及由电机旋变信号A解码后所得的电机位置信号A和电机转速信号A，同时接收由机组旋变信号B解码所得的机组位置信号B和由机组旋变信号A解码后所得的机组位置信号A；控制电路CPUB对接收到的电机位置信号A、电机转速信号A、电机位置信号B、电机转速信号B、机组位置信号A和机组位置信号B实时进行解算得到电机控制数据；并将控制数据实时输出给输出使能电路B；

所述控制电路CPUB实时对自身状态进行自检，并依据自检状态实时向切机仲裁电路输出信号束CPUB_STATUS，所述信号束CPUB_STATUS包括软件自检信号BIT、硬件复位信号RESET和看门狗信号WDO；

所述控制电路CPUB接收伺服机组的位置限位信号，当伺服机组达到限位时，控制电路CPUB输出控制伺服电机停止工作的信号并输入至输出使能电路B；

所述控制电路CPUA和控制电路CPUB通过双端口RAM实时交互控制数据；

所述切机仲裁电路根据信号束CPUA_STATUS和信号束CPUB_STATUS判断控制电路CPUA当班还是控制电路CPUB当班，并将判断结果输出给输出使能电路A或输出使能电路B；

输出使能电路A用于实现控制电路CPUA控制信号输出使能：当控制电路CPUA当班时，控制电路CPUA输出控制数据控制伺服机组工作；当控制电路CPUA不当班时，控制电路CPUA不输出；

输出使能电路B用于实现控制电路CPUB控制信号输出使能：当控制电路CPUB当班时，控制电路CPUB输出控制数据控制伺服机组工作；当控制电路CPUB不当班时，控制电路CPUB不输出。

进一步，本发明的系统还包括电机旋变解码电路A、机组旋变解码电路A、电机旋变解码电路B和机组旋变解码电路B；

所述电机旋变解码电路A用于将电机旋变信号A解码为电机位置信号A和电机转速信号A，并传输给控制电路CPUA和控制电路CPUB；

所述机组旋变解码电路A用于将机组旋变信号A解码为机组位置信号A，并传输给控制电路CPUA和控制电路CPUB；

所述电机旋变解码电路B用于将电机旋变信号B解码为电机位置信号B和电机转速信号B，并传输给控制电路CPUA和控制电路CPUB；

所述机组旋变解码电路B用于将机组旋变信号B解码为机组位置信号B，并传输给控制电路CPUA和控制电路CPUB。

进一步，本发明的系统还包括电机驱动电路A、制动器控制电路、霍尔信号检测电路和电机驱动电路B；

所述制动器控制电路用于接收输出使能电路A或输出使能电路B发出的制动器控制信号，控制制动器解锁，从而保证伺服机组输出轴的正常运转；

所述霍尔信号检测电路用于检测伺服机组的限位信号，将信号传送到控制电路CPUA和控制电路CPUB；

所述电机驱动电路A用于接收控制电路CPUA和控制电路CPUB发出的电机驱动信号驱动伺服机组。

所述电机驱动电路B用于接收控制电路CPUA和控制电路CPUB发出的电机驱动信号来驱动伺服机组。

进一步，所述切机仲裁电路包括第一与非逻辑电路、第一上拉电路、第二与非逻辑电路和第二上拉电路；

所述第一与非逻辑电路用于根据信号束CPUA_STATUS判断控制电路CPUA是否当班，并将判断结果输出给第一上拉电路，第一上拉电路根据判断结果输出控制电路CPUA当班或控制电路CPUA不当班的信号至输出使能电路A和第二与非逻辑电路；

所述第二与非逻辑电路根据第一上拉电路的输出信号及信号束CPUB_STATUS判断控制电路CPUB是否当班，并将判断结果输出给第二上拉电路，第二上拉电路根据判断结果输出控制电路CPUB当班或控制电路CPUB不当班的信号至输出使能电路B。

可选的，所述输出使能电路A和输出使能电路B独立的采用电平转换芯片。

本发明通过专用的伺服控制器硬件电路和控制策略设计，解决了冗余电路中主控通道与冗余通道切换过程中的位置扰动问题，实现了发动机推力的平稳调节，极大提高了发动机工作的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中控制系统的结构及工作原理示意图，图中A/B驱动模拟量采集信号包括A/B绕组的三相相电流，分别是U相相电流、V相相电流、W相相电流，三相电流采集后输入到控制电路CPUA和控制电路CPUB中，用于A/B绕组的控制闭环。

图2为本发明实施例中切机仲裁电路的结构原理示意图。

图3为采用图1和图2所示控制系统对大推力液体火箭发动机推力调节伺服机组进行控制时的效果图，该图中，横坐标为时间，单位为S；右侧纵坐标为转速，单位为rpm；左侧纵坐标为电流，单位为A。

具体实施方式

除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。

图1示出了本发明的一种具体的控制系统，该控制系统包括控制电路CPUA、控制电路CPUB、切机仲裁电路、输出使能电路A、输出使能电路B电路、电机旋变解码电路A、机组旋变解码电路A、电机旋变解码电路B、机组旋变解码电路B、电机驱动电路A、制动器控制电路、霍尔信号检测电路和电机驱动电路B；其中：

控制电路CPUA通过SPI接口接收电机旋变解码电路A解算的电机位置和转速信号，通过QEP接口接收电机旋变解码电路B解算的电机位置和转速信号；控制电路CPUA通过SPI接口接收机组旋变解码电路A解算的机组位置信号，通过QEP接口接收机组旋变解码电路B解算的机组位置信号；通过电机两路和机组两路的旋变信号的位置解算，保证了控制电路CPUA对电机转速和机组位置在不同情况下的闭环控制；

控制电路CPUA接收霍尔检测电路检测的伺服机组的上下限位信号；

控制电路CPUA依据自身自检状态实时向切机仲裁电路输出信号束CPUA_STATUS；具体方案中，信号束CPUA_STATUS包括软件自检信号BIT、硬件复位信号RESET、看门狗信号WDO和电源监控信号PFO；其中，软件自检BIT是软件功能自检的结果，软件自检正常时输出状态为1，异常时输出状态为0；硬件复位信号RESET是硬件复位状态结果，硬件处于复位时输出状态为1，非复位状态为0；看门狗信号WDO是防止软件跑飞输出的状态结果，软件正常运行时输出状态为1，软件异常时输出状态为0；电源监控信号PFO是检测处理机供电电压幅值是否正常的状态结果，电源幅值正常时输出状态为1，异常时输出状态为0；

控制电路CPUB通过SPI接口接收电机旋变解码电路B解算的电机位置和转速信号，通过QEP接口接收电机旋变解码电路A解算电机位置和转速信号；控制电路CPUB通过SPI接口接收机组旋变解码电路B解算的机组位置信号，通过QEP接口接收机组旋变解码电路A解算的机组位置信号；通过电机两路和机组两路的旋变信号的位置解算，保证了控制电路CPUB对电机转速和机组位置在不同情况下的闭环控制；

控制电路CPUB接收霍尔检测电路检测的位置限位信号；

控制电路CPUB依据自身自检状态实时向切机仲裁电路输出信号束CPUB_STATUS；具体方案中，信号束CPUB_STATUS包括软件自检信号BIT、硬件复位信号RESET和看门狗信号WDO；其中，软件自检BIT是软件功能自检的结果，软件自检正常时输出状态为1，异常时输出状态为0；硬件复位信号RESET是硬件复位状态结果，硬件复位时输出状态为1，非复位状态为0；看门狗信号WDO是防止软件跑飞输出的状态结果，软件正常运行时输出状态为1，软件异常时输出状态为0；

控制电路CPUA与控制电路CPUB通过双端口RAM进行数据交互；具体方案中，控制电路CPUA将自身的实时闭环状态通过信号束CPUA_DRAM_BUS周期性的输出到的双端口RAM数据交互电路，同时也通过信号束CPUA_DRAM_BUS周期性的接收来自控制电路CPUB的实时闭环数据。

具体方案中，双端口RAM处理器可选用双并口通讯的数据交互RAM芯片(例如深圳国微的货架产品SM7C027)，控制电路CPUA与双端口RAM处理器通过一路并行通讯实现数据交互，控制电路CPUB与双端口RAM处理器通过另一路并行通讯实现数据交互，数据交互内容包括实时电流环、速度环、位置环的闭环参数，包括实时的PID输出参数与闭环反馈参数，保证在切机过程中备份处理机可立即接管闭环控制，消除备份处理机闭环建立时间，实现真正的热备份，无控制延时；

切机仲裁电路对控制电路CPUA输出的CPUA_STATUS状态信号与控制电路CPUB输出的CPUA_STATUS状态信号进行逻辑仲裁，确定此时哪路控制电路无故障且当班执行当前控制任务：

若此时控制电路CPUA当班，则输出信号激活输出使能电路A，从而控制电路CPUA驱动电机驱动电路A和驱动电机驱动电路B控制伺服机组动作；输出使能电路A使能制动器驱动电路从而解锁制动器；同时将对方的检测状态结果信号反馈到控制电路CPUA，以确定CPUB不在当班状态。

若此时控制电路CPUB当班，则输出对应信号激活输出使能电路B，从而控制电路CPUB驱动电机驱动电路A和驱动电机驱动电路B控制伺服机组动作；输出使能电路B使能制动器驱动电路从而解锁制动器；同时将对方的检测状态结果信号反馈到控制电路CPUB；以确定CPUA不在当班状态。

具体方案中，切机仲裁电路的工作原理可选择为在上电初始时刻时，首先进行控制电路CPUA判断，若控制电路CPUA正常，状态检测信号CPUA_OK置为0，CPUB_OK置为1，则控制电路CPUA执行当班工作；若控制电路CPUA异常，则跳转到控制电路CPUB判断，若控制电路CPUB正常，状态检测信号CPUA_OK置为1，CPUB_OK置为0，则控制电路CPUB执行当班工作；若控制电路CPUB异常，则停止逻辑判断；

相应的切机仲裁电路具体结构参见图2所示，包括第一与非逻辑电路、第一上拉电路、第二与非逻辑电路和第二上拉电路；所述第一与非逻辑电路用于根据信号束CPUA_STATUS判断控制电路CPUA是否当班，并将判断结果输出给第一上拉电路，第一上拉电路根据判断结果输出控制电路CPUA当班或控制电路CPUA不当班的信号至输出使能电路A和第二与非逻辑电路；所述第二与非逻辑电路根据第一上拉电路的输出信号及信号束CPUB_STATUS判断控制电路CPUB是否当班，并将判断结果输出给第二上拉电路，第二上拉电路根据判断结果输出控制电路CPUB当班或控制电路CPUB不当班的信号至输出使能电路B；

当控制电路A的四种监测状态均正常，即全部输出为1，经过与非逻辑电路判断，最终输出结果为0，经过上拉电路后，CPUA_OK的最终状态为0，表明处理机CPUA工作正常，此时为处理机CPUA当班工作，否则以上四种状态中有异常输出(即输出为0出现),则CPUA_OK的最终状态为1，控制电路CPUA转为非当班通道；

控制电路CPUB的三种检查状态结果与CPUA_OK信号同时进入与非逻辑电路进行判断，当CPUB_STATUS三种状态均正常时输出均为状态1，此时CPUA_OK信号为1时(表明控制电路CPUA异常，非当班)，则四种监测状态经过与非逻辑电路判断，最终输出结果为0，经过上拉电路后，CPUB_OK的最终状态为0，标明处理机CPUB工作正常，此时为处理机CPUB当班工作，否则以上四种状态中有异常输出(即输出为0出现),则CPUB_OK的最终状态为1，控制电路CPUB转为非当班通道；

输出使能电路A主要用于实现控制信号输出使能，控制电路CPUA输出的电机控制数据信号束CPUA_CONTROL输出到电机驱动电路A、电机驱动电路B和制动器控制电路；具体当控制电路CPUA当班(CPUA_OK置为低电平)时，激活电平转换功能，使信号束CPUA_CONTROL输出到CPUA_DRIVE，将各信号输出到电机驱动电路A、电机驱动电路B和制动器控制电路；当控制电路CPUA不当班(CPUA_OK置为高电平)时，关闭电平转换功能，使信号束CPUA_CONTROL停止输出。

具体方案中，信号束CPUA_CONTROL包括电机驱动A路PWM信号(用于驱动A绕组电机运转)、电机驱动B路PWM信号(用于驱动B绕组电机运转)、制动器控制信号(用于输出制动器信号，解锁制动器)、电机驱动A路IPM使能信号(用于使能A路IPM从而接收A路PWM信号)、电机驱动B路IPM使能信号(用于使能B路IPM从而接收B路PWM信号)；相应地，CPUA_DRIVE信号束包括经过电平转换后的A路和B路PWM信号、制动器控制信号和A路和B路的IPM使能信号；

输出使能电路B主要用于实现控制信号输出使能功能，控制电路CPUB输出的电机控制数据信号束CPUB_CONTROL输出到电机驱动电路A、电机驱动电路B和制动器控制电路；具体的，当控制电路CPUB当班(CPUB_OK置为低电平)时，激活电平转换功能，使信号束CPUB_CONTROL输出到CPUB_DRIVE，将各信号输出到电机驱动电路A、电机驱动电路B和制动器控制电路；当控制电路CPUB不当班(CPUB_OK置为高电平)时，关闭电平转换功能，使信号束CPUB_CONTROL停止输出；

具体方案中，信号束CPUB_CONTROL包括电机驱动A路PWM信号(用于驱动A绕组电机运转)、电机驱动B路PWM信号(用于驱动B绕组电机运转)、制动器控制信号(用于输出制动器信号，解锁制动器)、电机驱动A路IPM使能信号(用于使能A路IPM从而接收A路PWM信号)、电机驱动B路IPM使能信号(用于使能B路IPM从而接收B路PWM信号)；相应地，CPUB_DRIVE信号束包括经过电平转换后的A路和B路PWM信号、制动器控制信号和A路和B路的IPM使能信号；

还有些具体方案中，输出使能电路A和B可选用电平转换芯片(例如ADI公司的SN74ALVC164245)。

当控制系统工作初始，控制电路CPUA和控制电路CPUB通过交互数据RDC_A和RDC_B复位信号，分别复位对方旋变电路，实现伺服机组的闭环；控制电路CPUA和控制电路CPUB通过交互数据SYNIN和SYNOUT实现控制过程的时序同步，保证控制时序的一致性。

控制系统在闭环控制过程中，工作模式包括：CPUA当班工作、CPUB当班工作；驱动电路工作模式包括：电机驱动电路A闭环控制、电机驱动电路B闭环控制、电机驱动电路A和B双驱动闭环控制；从而处理机电路的两种工作模式与驱动电路的三种工作模式组合从而实现伺服电机的控制，共设计的逻辑工作组合方式包括6种：CPUA当班工作+电机驱动电路A驱动闭环控制(模式1)、CPUA当班工作+电机驱动电路B驱动闭环控制(模式2)、CPUA当班工作+电机驱动电路A/B双驱动闭环控制(模式3)、CPUB当班工作+电机驱动电路A驱动闭环控制(模式4)、CPUB当班工作+电机驱动电路B驱动闭环控制(模式5)、CPUB当班工作+电机驱动电路A/B双驱动闭环控制(模式6)。

进一步，切机设计的模式包括以下方式：模式1切换到模式4、模式2切换到模式5、模式3切换到模式6为处理机电路切机；模式1切换到模式2、模式1切换到模式3、模式2切换到模式3、模式4切换到模式5、模式4切换到模式6、模式5切换到模式6为驱动电路切机；模式1切换到模式5、模式1切换到模式6、模式2切换到模式6、模式3切换到模式4、模式3切换到模式5为处理机电路和驱动电路同时切换。

上述方案中的电机旋变解码电路A用于将伺服机组电机旋变A的位置信号进行解码，转换为电机轴的位置、转速信号，信号通过SPI接口将数据发动到控制电路CPUA，信号通过QEP接口将输出发送到控制电路CPUB，旋变解码电路采用通用旋变芯片实现(例如ADI公司的AD2S1210)；

机组旋变解码电路A用于将伺服机组旋变A信号进行解码，转换为机组的位置信号，信号通过SPI接口将数据发动到控制电路CPUA，信号通过QEP接口将输出发送到控制电路CPUB，旋变解码电路采用通用旋变芯片实现(例如ADI公司的AD2S1210)；

电机旋变解码电路B用于将伺服机组电机旋变B的位置信号进行解码，转换为电机轴的位置、转速信号，信号通过SPI接口将数据发动到控制电路CPUA，信号通过QEP接口将输出发送到控制电路CPUB，旋变解码电路采用通用旋变芯片实现(例如ADI公司的AD2S1210)；

机组旋变解码电路B用于将伺服机组旋变B信号进行解码，转换为机组的位置信号，信号通过SPI接口将数据发动到控制电路CPUA，信号通过QEP接口将输出发送到控制电路CPUB，旋变解码电路采用通用旋变芯片实现(例如ADI公司的AD2S1210)；

进一步的方案中，参见图1所示，系统还包括电机驱动电路A、电机驱动电路B、制动器控制电路和霍尔信号检测电路；其中，电机驱动电路A用于接收控制电路CPUA或控制电路CPUB的电机驱动信号(包括6路PWM信号、IPM使能信号)来驱动伺服机组的A绕组线圈，该电路的输出信号为电机三相驱动电压(分别为U、V、W三相驱动)；

电机驱动电路B用于接收控制电路CPUA或控制电路CPUB的电机驱动信号(包括6路PWM信号、IPM使能信号)来驱动伺服机组的B绕组线圈，该电路的输出信号为电机三相驱动电压(分别为U、V、W三相驱动)；

制动器控制电路用于接收输出使能电路A(或输出使能电路B)发出的制动器控制信号，控制制动器解锁，从而保证伺服机组输出轴的正常运转；

霍尔信号检测电路用于检测伺服机组的上、下限位信号，将信号传送到控制电路CPUA和控制电路CPUB，保证伺服机组达到限位时，控制电路能够停止电机运转，从而保护伺服机组的工作正常。

采用图1和2所示本发明的控制系统对大推力液体火箭发动机推力调节伺服机组进行控制，其效果用图3表示，图中红色曲线代表电机转速(与红色曲线重合的黑色曲线为速度设定曲线)，对应坐标为右侧纵坐标；灰色曲线代表控制电路CPUA的母线电流输出，对应坐标为左侧纵坐标；蓝色曲线代表控制电路CPUB的速度设定，对应坐标为左侧纵坐标；

从图中可以看出，在横坐标1850点以前为控制电路CPUA当班控制，所以黑色曲线控制电路CPUA电流有效值＞0，在切机点1850是将控制电路CPUA切换到控制电路CPUB，此时可以看出黑色曲线控制电路CPUA母线电流输出趋于0，代表控制电路CPUA退出控制；蓝色曲线控制电路CPUB速度设定有效值＞0，代表控制电路CPUB当班控制；从红色曲线电机输出转速上看，在以上切机过程一直维持在12000rpm，未有转速波动，表明本发明的控制系统有效。