專利名稱：一種雙余度舵機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙余度舵機系統(tǒng)。
背景技術：
舵機控制系統(tǒng)是飛行系統(tǒng)的ー個重要執(zhí)行機構，舵機控制器可以控制舵面的偏轉，從而控制著飛行姿態(tài)的變化，實現(xiàn)偏航、翻轉。目前，舵機余度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，成果顯著。公開號為CN101799689A的專利《雙余度舵機控制器》采用了雙余度設計，但控制器只對功率驅動電路進行了余度備份，未進行故障診斷和隔離，從而在故障狀態(tài)下，影響舵機系統(tǒng)整體性能。發(fā)表于《微電機》的文章《雙余度舵機控制系統(tǒng)設計》介紹了基于DSP和CPLD的雙余度舵機控制系統(tǒng)，但對雙余度系統(tǒng)的設計并未詳細給出，并對系統(tǒng)故障診斷和隔離上未作介紹，不能實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的診斷和隔離，影響系統(tǒng)的可靠性。
發(fā)明內容為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種雙余度舵機系統(tǒng)，在正常情況下，能夠完成正常的舵面位置跟隨給定信號，在驅動裝置一余度出現(xiàn)故障時，能夠實時檢測出故障點并進行隔離，在單通道下，完成舵面跟蹤功能，從而提高舵機系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是包括冗余驅動控制器、雙余度無刷直流電機和舵面。冗余驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙余度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。其中，冗余驅動控制器包括舵面位置反饋調理単元、舵面位置給定接收單元、DSP単元、CPLD単元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流采集単元、過流保護輔助単元和電源系統(tǒng)單元。舵面位置給定接收單元將舵面位置給定信號輸入DSP単元，舵面位置反饋調理單元將雙余度位置傳感器測得的兩路舵面位置反饋信號輸入DSP単元，DSP単元分別控制雙余度無刷直流電機兩個繞組的占空比信號。CPLD單元將占空比信號和雙余度無刷直流電機的兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙余度無刷直流電機的兩個繞組運轉的調制換向信號，經(jīng)隔離電路單元和功率驅動單元，控制雙余度無刷直流電機運行。在功率驅動單元采集雙余度無刷直流電機的母線電流，經(jīng)過流保護輔助単元，將母線電流與預先設定的過流閾值相比較，若母線電流大于預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小于等于預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP単元中。當電機出現(xiàn)過流故障吋，DSP単元檢測過流信號為低，則關斷占空比信號，從而排除過流故障。電流采集單元采集功率驅動單元上雙余度無刷直流電機繞組的母線電流和相電流，并將母線電流和相電流濾波后輸入DSP単元。電源系統(tǒng)單元接收兩個控制電源，經(jīng)ニ極管將兩個電源并聯(lián)在一起，向舵面位置反饋調理単元、舵面位置給定接收單元、DSP単元、CPLD単元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流采集単元、過流保護輔助単元供電，電源系統(tǒng)單元接收兩個驅動電源，給功率驅動單元供電。[0007]所述的雙余度無刷直流電機的定子繞組為兩套在空間上電角度互差30°的Y型連接的繞組構成，兩套繞組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為余度，雙余度無刷直流電機共用ー個永磁體轉子。雙余度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為余度。本發(fā)明工作時包括以下步驟第一歩采集兩路舵面位置反饋信號，并進行AD轉化。第二歩若兩路舵面位置反饋信號的差值小于預先設定的誤差閾值，則進入第四步，否則進入第三歩。第三歩若一路舵面位置反饋信號大于位置傳感器的量程最大值，或小于其量程最小值，則診斷該路位置傳感器故障，將另一路位置傳感器的舵面位置反饋信號賦值給位置反饋，進入第五歩，否則進入第四歩。第四步位置反饋等于兩路舵面位置反饋信號之和除以ニ。 第五步采集雙余度霍爾傳感器信號，若一路霍爾傳感器信號為000或111，則診斷該路霍爾傳感器故障，否則進入第六歩。第六步采集各余度繞組母線電流和相電流。第七步若一路繞組母線電流大于預先設定的短路閾值，則開始短路計時，若短路計時大于預先設定的短路上限閾值，則診斷該路繞組為短路故障，進入第十步。若一路繞組母線電流大于電機最小工作電流，且小于預先設定的標準O位電流下限，則開始斷路計時，若斷路計時大于預先設定的斷路上限閾值，則診斷該路繞組為斷路故障，進入第十歩。否則進入第八步。第八步采集舵面位置給定信號，并進行AD轉化。第九步若位置環(huán)計數(shù)器的值大于位置環(huán)周期閾值，則將位置環(huán)計數(shù)器清零，根據(jù)舵面位置給定和舵面位置反饋進行位置環(huán)PID計算，然后將位置環(huán)計數(shù)器的值加I ;否則直接將位置環(huán)計數(shù)器的值加I。第十歩若一路繞組短路故障或斷路故障或對應的該路霍爾傳感器故障，則將該路占空比置為0，將另一路電流環(huán)給定作為位置環(huán)輸出，反饋為母線電流，進行電流環(huán)PID運算，得到的電流環(huán)PID輸出傳給DSP，產(chǎn)生占空比信號，返回第一歩，否則進入第十一歩。第十一步兩路電流環(huán)給定分別為位置環(huán)輸出的一半，反饋為各自的母線電流，經(jīng)過各自的電流環(huán)PID運算，運算結果輸入DSP，分別產(chǎn)生各自的占空比信號，返回第一歩。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用冗余技術，將舵機驅動裝置中容易損壞的機構進行了熱備份，在正常工作情況下，使相應的部件工作在額定功率運行的一半，提高了驅動裝置的壽命和可靠性。當驅動裝置某ー個余度出現(xiàn)故障吋，能夠使驅動裝置切換至單通道模式下運行，確保舵機正常工作。
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進ー步說明。

圖I為舵機冗余驅動裝置結構。圖中，I一冗余驅動控制器，2一航機，3一航面圖2為冗余驅動控制器結構[0025]圖中，4一雙余度無刷直流電機，5—舵面位置反饋調理単元，6—舵面位置給定接收單兀，7一DSP單兀，8一電流米集單兀，9一過流保護輔助單兀，10一電源系統(tǒng)單兀，11 一CPLD單兀，12一隔尚電路單兀，13一功率驅動單兀。
具體實施方式
如圖I所示，本發(fā)明包括冗余驅動控制器部分I、舵機部分2和舵面部分3。冗余驅動控制器部分I接收舵面位置給定信號，經(jīng)過控制方法控制，驅動舵機中的雙余度無刷直流電機4工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。在本發(fā)明中，將控制電源、驅動電源、電機繞組、電機霍爾傳感器、位置傳感器、功率驅動單元進行備份設計。其中，冗余驅動控制器部分I包括舵面位置反饋調理単元5、舵面位置給定接收單元6、DSP單元7、CPLD單元11、隔離電路單元12、功率驅動單元13、電流采集單元8、過流保護輔助単元9和電源系統(tǒng)單元10。舵面位置給定接收單元6將舵面位置給定信號(O 10V)縮小1/3，輸入DSP單元7的AD端ロ，進行模數(shù)轉換，舵面位置反饋調理單元5將舵面位置反饋信號(由雙余度位置傳感器測得的兩路O IOV位置信號)縮小1/3，輸入DSP單 元7的AD端ロ，進行模數(shù)轉換，通過控制程序調節(jié)，經(jīng)DSP単元7的事件管理器，輸出分別控制雙余度無刷直流電機4兩個繞組的占空比信號。CPLD単元11將占空比信號和雙余度無刷直流電機4兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙余度無刷直流電機4兩個繞組運轉的調制換向信號，經(jīng)隔離電路單元12和功率驅動單元13，控制雙余度無刷直流電機4運行。在功率驅動單元13，采集雙余度無刷直流電機4的母線電流，經(jīng)過流保護輔助単元9，將母線電流與預先設定的過流閾值(在本樣機中，預先設定的過流閾值為20A)相比較，若母線電流大于預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小于等于預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP単元7中。當雙余度無刷直流電機4出現(xiàn)過流故障吋，DSP単元7檢測過流信號為低，則關斷占空比信號，從而排除過流故障。電流采集単元8采集功率驅動單元13上雙余度無刷直流電機4繞組的母線電流和相電流，并將母線電流和相電流濾波后輸入DSP単元7。電源系統(tǒng)單元10接收兩個控制電源，經(jīng)ニ極管將兩個電源并聯(lián)在一起，向舵面位置反饋調理單元5、舵面位置給定接收單元6、DSP單元7、CPLD單元11、隔離電路單元12、功率驅動單元13、電流采集單元8、過流保護輔助單元9供電，電源系統(tǒng)單元10接收兩個驅動電源，給功率驅動單元13供電。舵機部分由雙余度無刷直流電機單元和減速機組成。其中，雙余度無刷直流電機4的定子繞組為兩套在空間上互差30°電角度的Y型連接的繞組構成，兩套繞組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為余度，電機共用ー個永磁體轉子。雙余度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為余度，合稱為雙余度霍爾傳感器。雙余度霍爾傳感器發(fā)出的信號稱為雙余度霍爾信號。本發(fā)明的控制方法為第一歩采集舵面位置反饋信號，并進行AD轉化。進入第二歩。第二歩若I余度I舵面位置反饋-余度2舵面位置反饋I〈預先設定的誤差閾值(在本樣機中，預先設定的誤差閾值為3°)，則進入第七歩，否則進入第三歩。第三步若余度I舵面位置反饋大于量程最大值(10V)，或余度I舵面位置反饋小于量程最小值(-10V)，進入第四歩。否則進入第五歩。[0033]第四步診斷為余度I位置傳感器故障，將余度2舵面位置反饋值賦給位置反饋。進入第八步。第五步若余度2舵面位置反饋大于量程最大值(10V)，或余度2舵面位置反饋小于量程最小值(-10V)，進入第六歩。否則進入第七歩。第六步診斷為余度2位置傳感器故障，將余度I舵面位置反饋值賦給位置反饋。進入第八步。第七歩位置反饋=(余度I舵面位置反饋+余度2舵面位置反饋)/2，進入第八
止/J/ O第八歩采集雙余度霍爾傳感器信號。進入第九歩。 第九步若余度I霍爾信號為000或111，則進入第十步，否則進入第十一歩。第十步診斷為余度I霍爾傳感器故障。進入第十一歩。第十一步若余度2霍爾信號為000或111，則進入第十二歩，否則進入第十三歩。第十二歩診斷為余度2霍爾傳感器故障。進入第十三歩。第十三歩采集各余度繞組母線電流和相電流。進入十四歩。第十四步若余度I繞組母線電流大于預先設定的短路閾值(在本樣機中，預先設定的短路閾值為15A)，則進入第十五歩，否則進入第十八歩。第十五歩余度I短路計數(shù)器加I。進入第十六歩。第十六步若余度I短路計數(shù)器大于預先設定的短路上限閾值(在本樣機中，預先設定的短路上限閾值為10)，則進入第十七步，否則進入第十八歩。第十七步診斷為余度I繞組短路故障。進入第二十二歩。第十八步若余度2繞組母線電流大于預先設定的短路閾值(在本樣機中，預先設定的短路閾值為15A)，則進入第十九歩，否則進入第二十二歩。第十九步余度2短路計數(shù)器加I。進入第二十歩。第二十步若余度2短路計數(shù)器大于預先設定的短路上限閾值(在本樣機中，預先設定的短路上限閾值為10)，則進入第二十一步，否則進入第二十二歩。第二^^一步診斷為余度2繞組短路故障。進入第二十二步。第二十二步若余度I繞組母線電流大于雙余度無刷直流電機最小工作電流下限(在本樣機中，雙余度無刷直流電機最小工作電流下限為IOOmA)或余度2繞組母線電流大于電機最小工作電流下限(在本樣機中，雙余度無刷直流電機最小工作電流下限為100mA)，則進入第二十三步，否則進入第三十一歩。第二十三步若余度I繞組相電流小于預先設定的標準O位電流下限(在本樣機中，預先設定的標準O位電流下限50mA)，則進入第二十四步，否則進入第二十七歩。第二十四步余度I繞組斷路計數(shù)器加1，進入第二十五歩。第二十五步若余度I繞組斷路計數(shù)器的值大于預先設定的斷路上限閾值(在本樣機中，預先設定的斷路上限閾值為10)，則進入第二十六步，否則進入第二十七歩。第二十六步診斷為余度I繞組斷路故障。進入第三i^一歩。第二十七步若余度2繞組相電流小于預先設定的標準O位電流下限(在本樣機中，預先設定的標準O位電流下限50mA)，則進入第二十八歩，否則進入第三十一歩。第二十八步余度2繞組斷路計數(shù)器加1，進入第二十九歩。[0058]第二十九步若余度2繞組斷路計數(shù)器的值大于預先設定的斷路上限閾值(在本樣機中，預先設定的斷路上限閾值為10)，則進入第三十歩，否則進入第三十一歩。第三十步診斷為余度2繞組斷路故障。進入第三i^一歩。第三十一步采集舵面位置給定信號，并進行AD轉化。進入第三十二歩。第三十二步若位置環(huán)計數(shù)器的值大于位置環(huán)周期閾值(在本樣機中，置環(huán)周期閾值為lms)，則進入第三十三歩。否則進入第三十四歩。第三十三步位置環(huán)計數(shù)器清零，根據(jù)舵面位置給定和舵面位置反饋進行位置環(huán)PID計算。進入第三十四步。第三十四步位置環(huán)計數(shù)器的值加I.進入第三十五歩。第三十五步若余度I繞組短路故障或余度I繞組斷路故障或余度I霍爾傳感器 故障，則進入第三十六歩。否則進入第三十七歩。第三十六步余度I占空比置為0，余度2電流環(huán)給定為位置環(huán)輸出，反饋為余度2母線電流，進行余度2電流環(huán)PID運算，余度2電流環(huán)PID輸出傳給DSP的事件管理器，產(chǎn)生余度2占空比信號。進入第一歩。第三十七步若余度2繞組短路故障或余度2繞組斷路故障或余度2霍爾傳感器故障，則進入第三十八歩。否則進入第三十九歩。第三十八步余度2占空比置為0，余度I電流環(huán)給定為位置環(huán)輸出，反饋為余度I母線電流，進行余度I電流環(huán)PID運算，余度I電流環(huán)PID輸出傳給DSP的事件管理器，產(chǎn)生余度I占空比信號。進入第一歩。第三十九步余度I和余度2電流環(huán)給定分別為位置環(huán)輸出的一半，反饋為各自余度的母線電流，經(jīng)過各自余度的電流環(huán)PID運算，運算結果輸入DSP各自的事件管理器，分別產(chǎn)生余度I和余度2的占空比信號。進入第一歩。
權利要求1.一種雙余度舵機系統(tǒng)，包括冗余驅動控制器、雙余度無刷直流電機和舵面，其特征在干冗余驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙余度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號；其中，冗余驅動控制器包括舵面位置反饋調理単元、舵面位置給定接收單元、DSP單元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流采集單元、過流保護輔助単元和電源系統(tǒng)單元，舵面位置給定接收單元將舵面位置給定信號輸入DSP単元，舵面位置反饋調理單元將雙余度位置傳感器測得的兩路舵面位置反饋信號輸入DSP単元，DSP単元分別控制雙余度無刷直流電機兩個繞組的占空比信號，CPLD單元將占空比信號和雙余度無刷直流電機的兩套霍爾信號進行邏輯運算，分別輸出控制雙余度無刷直流電機的兩個繞組運轉的調制換向信號，經(jīng)隔離電路單元和功率驅動單元，控制雙余度無刷直流電機運行，在功率驅動單元采集雙余度無刷直流電機的母線電流，經(jīng)過流保護輔助単元，將母線電流與預先設定的過流閾值相比較，若母線電流大于預先設定的過流閾值，則過流信號為低，若母線電流小于等于預先設定的過流閾值，則過流信號為高，將過流信號送入DSP單元中，當電機出現(xiàn)過流故障吋，DSP単元檢測過流信號為低，則關斷占空比信號，從而排除過流故障，電流采集單元采集功率驅動單元上雙余度無刷直流電機繞組的母線電流和相電流，并將母線電流和相電流濾波后輸入DSP単元，電源系統(tǒng)單元接收兩個控制電源，經(jīng)ニ極管將兩個電源并聯(lián)在一起，向舵面位置反饋調理単元、舵面位置給定接收單元、DSP単元、CPLD單元、隔離電路單元、功率驅動單元、電流采集單元、過流保護輔助單元供電，電源系統(tǒng)単元接收兩個驅動電源，給功率驅動單元供電。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙余度舵機系統(tǒng)，其特征在于所述的雙余度無刷直流電機的定子繞組為兩套在空間上電角度互差30°的Y型連接的繞組構成，兩套繞組電氣上彼此隔離、空間上磁場耦合，彼此互為余度，雙余度無刷直流電機共用ー個永磁體轉子；雙余度無刷直流電機的每套繞組有各自獨立的霍爾傳感器，兩套霍爾傳感器互為余度。
專利摘要本實用新型公開了一種雙余度舵機系統(tǒng)，冗余驅動控制器接收舵面位置給定信號，驅動雙余度無刷直流電機工作，使舵面轉過的角度跟隨舵面位置給定信號。本實用新型采用冗余技術，將舵機驅動裝置中容易損壞的機構進行了熱備份，在正常情況下，能夠完成正常的舵面位置跟隨給定信號，在驅動裝置一余度出現(xiàn)故障時，能夠實時檢測出故障點并進行隔離，在單通道下，完成舵面跟蹤功能，從而提高舵機系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G05B9/03GK202632110SQ20122025360
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權日2012年5月31日
發(fā)明者林輝, 戴志勇, 馬冬麒, 齊蓉, 李兵強 申請人:西北工業(yè)大學