一种双冗余电动舵机控制系统及方法.pdf

本发明一种双冗余电动舵机控制系统，包括用于分别对控制舵机的差动周转轮系减速机进行动力输入的第一、二电机，用于采集舵机运动状态的第一位置传感器和第二位置传感器；用于分别接受第一、二位置传感器信号的第一、二数字控制单元；第一、二电机上分别设置第一、二制动器，第一、二制动器分别与第一、二数字控制单元的输出端连接；第一、二数字控制单元分别通过第一、二逆变器向第一、二电机发送控制信号；第一、二逆变器上分别设置第一、二桥路电流传感器，用于向第一、二数字控制单元传输桥路电流采样信号；第一、二数字控制单元分别通过引出CAN总线接口接收控制计算机的打舵指令信号，第一、二数字控制单元之间相互连接通讯互为热备份。

1.  一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，包括用于分别对控制舵机的差动周转轮系减速机进行动力输入的第一、二电机，用于采集舵机运动状态的第一位置传感器和第二位置传感器；用于分别接受第一、二位置传感器信号的第一、二数字控制单元；
所述的第一、二电机上分别设置第一、二制动器，第一、二制动器分别与第一、二数字控制单元的输出端连接；
所述的第一、二数字控制单元分别通过第一、二逆变器向第一、二电机发送控制信号；第一、二逆变器上分别设置第一、二桥路电流传感器，用于向第一、二数字控制单元传输桥路电流采样信号；第一、二数字控制单元分别通过引出CAN总线接口接收控制计算机的打舵指令信号，第一、二数字控制单元之间相互连接通讯互为热备份。

2.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，数字控制单元采用单片机，两个单片机之间的UART互连进行通讯。

3.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，逆变器采用分立的VDMOS组成，由具有电荷泵的桥路集成芯片驱动。

4.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，桥路电流传感器采用霍尔电流传感器。

5.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，位置传感器采用导电塑料电位器。

6.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，制动器采用失电制动电磁制动器；电机采用直流有刷电机。

7.  根据权利要求1所述的一种双冗余电动舵机控制系统，其特征在于，差动周转轮系减速器的输出端连接丝杠或谐波减速器。

8.  一种基于权利要求1所述控制系统的双冗余电动舵机控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，对控制系统进行初始化，判断系统是否由指定的主控单元实现控制；如果是指定的主控单元则执行步骤2，如果不是则禁止备份控制单元输出，然后进行接受主控权前的准备；
步骤2，进行主控单元的故障判断，如果无故障，则主控单元使能输出，执行主控单元的控制算法后重复步骤2；如果有故障则执行步骤3；
步骤3，进行主控单元和备份控制单元的切换，由备份控制单元执行主控权，则备份控制单元使能输出，执行备份控制单元算法后继续由备份控制单元执行主控权。

一种双冗余电动舵机控制系统及方法
技术领域
本发明涉及高可靠性飞行器的电动舵机控制，具体为一种双冗余电动舵机控制系统及方法。
背景技术
现在的双冗余舵机多为电机为双绕组无刷直流电机驱动型式，控制MCU为单个的结构形式。比如公布号：CN 103279128 A的专利《用于双余度无刷直流电动舵机的滑模控制方法和驱动装置》。这种设计需要对两个绕组进行电流平衡，系统结构复杂，控制算法复杂，存在MCU单点等不足的问题，可靠性较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可靠性高，控制简单，操作方便的双冗余电动舵机控制系统及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明一种双冗余电动舵机控制系统，包括用于分别对控制舵机的差动周转轮系减速机进行动力输入的第一、二电机，用于采集舵机运动状态的第一位置传感器和第二位置传感器；用于分别接受第一、二位置传感器信号的第一、二数字控制单元；第一、二电机上分别设置第一、二制动器，第一、二制动器分别与第一、二数字控制单元的输出端连接；第一、二数字控制单元分别通过第一、二逆变器向第一、二电机发送控制信号；第一、二逆变器上分别设置第一、二桥路电流传感器，用于向第一、二数字控制单元传输桥路电流采样信号；第一、二数字控制单元分别通过引出CAN总线接口接收控制计算机的打舵指令信号，第一、二数字控制单元之间相互连接通讯互为热备份。
优选的，数字控制单元采用单片机，两个单片机之间的UART互连进 行通讯。
优选的，逆变器采用分立的VDMOS组成，由具有电荷泵的桥路集成芯片驱动。
优选的，桥路电流传感器采用霍尔电流传感器。位置传感器采用导电塑料电位器。制动器采用失电制动电磁制动器；电机采用直流有刷电机。
优选的，差动周转轮系减速器的输出端连接丝杠或谐波减速器。
本发明一种基于本发明所述控制系统的双冗余电动舵机控制方法，包括如下步骤，
步骤1，对控制系统进行初始化，判断系统是否由指定的主控单元实现控制；如果是指定的主控单元则执行步骤2，如果不是则禁止备份控制单元输出，然后进行接受主控权前的准备；
步骤2，进行主控单元的故障判断，如果无故障，则主控单元使能输出，执行主控单元的控制算法后重复步骤2；如果有故障则执行步骤3；
步骤3，进行主控单元和备份控制单元的切换，由备份控制单元执行主控权，则备份控制单元使能输出，执行备份控制单元算法后继续由备份控制单元执行主控权。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述系统通过独立的两个直流有刷电机作为动力源，每个电机可以独立工作，避免了使用双绕组电机的电流平衡处理，使用两个互相通讯的MCU作为主控单元，避免了MCU的单点缺陷；利用全闭环链进行热备份并在全控制回路设置两套装置，大大提高舵机系统的可靠性。通过控制回路和制动器完成对舵机系统制动动作，进行了故障隔离，切断故障的主控回路，平稳切换到热备回路工作，结构简单，设计合理，能够实现主备控制单元的无缝切换。
本发明所述方法，通过主控权的检测保证了主控单元和备份单元的工作 衔接，利用故障诊断保证了对舵机的实时稳定控制，利用两路相对独立的控制回路保证舵机工作的稳定可靠，通过各自控制算法的执行，利用制动器实现故障隔离，切断故障的主控回路，平稳切换到热备回路工作；无需电流平衡及能完成对舵机的准确控制，方法简单，操作可靠。
附图说明
图1为本发明实例中所述的双冗余电动舵机控制系统结构图。
图2为本发明实例中所述的双冗余电动舵机控制方法流程图。
图3为本发明实例中所述控制系统中的差动周转轮系减速机结构简图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种双冗余电动舵机控制系统，包括用于分别对控制舵机的差动周转轮系减速机进行动力输入的第一、二电机，用于采集舵机运动状态的第一位置传感器和第二位置传感器；用于分别接受第一、二位置传感器信号的第一、二数字控制单元；第一、二电机上分别设置第一、二制动器，第一、二制动器分别与第一、二数字控制单元的输出端连接；第一、二数字控制单元分别通过第一、二逆变器向第一、二电机发送控制信号；第一、二逆变器上分别设置第一、二桥路电流传感器，用于向第一、二数字控制单元传输桥路电流采样信号；第一、二数字控制单元分别通过引出CAN总线接口接收控制计算机的打舵指令信号，第一、二数字控制单元之间相互连接通讯互为热备份。本有优选实例中，数字控制单元采用单片机，两个单片机之间的UART互连进行通讯。逆变器采用分立的VDMOS组成，由具有电荷泵的桥路集成芯片驱动。桥路电流传感器采用霍尔电流传感器。位置传感器采用导电塑料电位器。制动器采用失电制动电磁制动器；电机采用直流有刷电机。差动周转轮系减速器的输出端连接丝杠或谐波减速器。
在本发明所述控制系统的基础上双冗余电动舵机控制方法，如图2所示，包括如下步骤，
步骤1，对控制系统进行初始化，判断系统是否由指定的主控单元实现控制；如果是指定的主控单元则执行步骤2，如果不是则禁止备份控制单元输出，然后进行接受主控权前的准备；
步骤2，进行主控单元的故障判断，如果无故障，则主控单元使能输出，执行主控单元的控制算法后重复步骤2；如果有故障则执行步骤3；
步骤3，进行主控单元和备份控制单元的切换，由备份控制单元执行主控权，则备份控制单元使能输出，执行备份控制单元算法后继续由备份控制单元执行主控权。
本发明在舵机系统的全闭环链进行热备份设计，系统使用两个MCU、两个逆变器、两个传感器、两个直流有刷电机、两个制动器、以及包含差动周转轮系的精密减速器。单个MCU、逆变器、直流有刷电机、传感器组成一个控制回路。由两个互相通讯的MCU以及霍尔电流传感器完成系统的故障诊断，如果发生故障则主数字控制单元将控制权交给热备份的数字控制单元，从而提高舵机系统的可靠性。系统结构简单，控制算法简洁，利用制动器进行故障隔离，可实现主备机的无缝切换。
双冗余舵机控制系统中，作为控制器的两个MCU引出CAN总线接口接收控制计算机发来的舵控指令；通过UART将主控回路与备份回路MCU连接，两路进行通讯，传递故障及切换信号；各回路利用位置采样信号，逆变器桥路电流霍尔传感器信号作为故障诊断依据；各回路MCU利用定时器产生2路互补的PWM信号驱动各自的逆变器；各回路MCU利用GPIO驱动光伏继电器控制各回路制动器动作，进行故障隔离。各回路有独立二次电源系统，为系统提供12V、5V直流电源。
具体的，如图1所示，本发明所述的控制系统中，数字控制单元A、B 是两个8位的单片机，双机的通讯由单片机的UART互连完成；逆变器由分立的VDMOS搭建，由具有电荷泵的桥路集成芯片驱动；桥路电流传感器采用霍尔电流传感器；制动器是失电制动电磁制动器；位置传感器采用导电塑料电位器；电机使用直流有刷电机；减速器为含有差动周转轮系以及丝杠或谐波传动副，本优选实例中以滚珠丝杠副为例进行说明；如图3所示，双冗余舵机用差动周转轮系减速机时，第一电机和第二电机从两个轴输入，输出轴连接丝杠，输出两个电机输入轴的运动和动力合成，通过对电机的控制实现对舵机的调整。
在进行舵机的控制时，步骤流程如图2所示，主数字控制单元A和热备数字控制单元B完成初始化后，首先判断是否为主数字控制单元A，如果为主数字控制单元且无故障，则主数字控制单元A使能输出，然后进行控制算法；如果为主数字控制单元A且有故障，则进行主备切换，备份数字控制单元B使能输出，然后进行备份数字控制单元B控制算法；如果不是主数字控制单元那么则是备数字控制单元B，备数字控制单元B禁止输出，然后进行接受主控权前的准备工作。
本发明所述的系统在所述控制方法的控制下，通过不同情况的模拟能够表明其工作的稳定性和较强的适应能力。
舵机系统在空载条件下模拟故障现象，即通过控制计算机给主控回路输入一定幅度和频率的正弦波，主控通道的回路电流增大到切换阈值以上，舵机系统制动器动作，进行了故障隔离，切断故障的主控回路，平稳切换到热备回路工作。
舵机系统在带线性负载条件下模拟故障现象，即通过控制计算机给主控回路输入一定角度指令，主控通道的回路电流增大到切换阈值以上，舵机系统制动器动作，进行了故障隔离，切断故障的主控回路，平稳切换到热备回路工作。