陳飛，侯遠(yuǎn)龍，高強(qiáng)

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

現(xiàn)代武器裝備研制的重要技術(shù)之一就是保證武器系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，而采用冗余技術(shù)能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。冗余技術(shù)就是通過配置多余的同等功能的部件，并通過一定的冗余控制邏輯使它們之間能夠協(xié)調(diào)地同步運(yùn)行，從而使系統(tǒng)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)得到多重保證［1］。本文基于某型號(hào)遠(yuǎn)程火炮控制系統(tǒng)中交流伺服系統(tǒng)部分的研制，采用雙CPU 方案實(shí)現(xiàn)冗余控制，通過增加冗余資源來換取系統(tǒng)可靠性，當(dāng)主控制處理器出現(xiàn)故障時(shí)，備用控制處理器能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)地接管整個(gè)控制系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)不受停機(jī)損失。

1 交流伺服系統(tǒng)原理

該交流伺服系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、交流伺服電機(jī)、測速裝置、伺服放大器、模擬負(fù)載等設(shè)備組成?？刂朴?jì)算機(jī)根據(jù)火控系統(tǒng)給出的目標(biāo)位置，計(jì)算出所需的控制電壓數(shù)字信號(hào)，通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后，輸入到伺服放大器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后輸入給交流調(diào)速系統(tǒng)，利用速度閉環(huán)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過減速器轉(zhuǎn)化為合適的轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)模擬負(fù)載的運(yùn)動(dòng)。模擬負(fù)載的實(shí)際位置由旋轉(zhuǎn)變壓器測得，然后經(jīng)RDC 模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送回控制計(jì)算機(jī)中，構(gòu)成完整的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 交流伺服系統(tǒng)原理框圖

2 雙CPU 冗余技術(shù)

雙CPU 冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)中增加備用CPU 模塊，一旦工作CPU 模塊發(fā)生故障，控制系統(tǒng)可以快速切換到備用CPU 模塊，從而保障系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)冗余部件的備份狀態(tài)可以分為冷備份冗余技術(shù)和熱備份冗余控制技術(shù)。冷備份冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，多配置CPU模塊作為備份，一旦正在運(yùn)行的CPU 模塊發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)更換，減少系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間［2］。這種冗余方案中備用的CPU 模塊并沒有安裝在控制設(shè)備上，其弊端就是出現(xiàn)故障時(shí)候，需要系統(tǒng)停止工作，人工進(jìn)行切換。本文采用熱備份冗余技術(shù)，如圖2 所示，熱備份冗余就是兩個(gè)CPU模塊同時(shí)在線工作，一個(gè)主CPU 模塊，一個(gè)從CPU 模塊。主CPU 模塊按照系統(tǒng)要求正常工作，從CPU 模塊處于熱備份狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控主CPU 模塊狀態(tài)，一旦檢測到主CPU模塊出現(xiàn)故障時(shí)，從CPU 模塊便可自動(dòng)接管主CPU 模塊工作，系統(tǒng)不受停機(jī)影響。

圖2 雙CPU 熱備份冗余技術(shù)原理圖

3 基于TMS320F28335 的雙CPU冗余控制的實(shí)現(xiàn)

主、從CPU均選用TI公司的浮點(diǎn)型 DSP，TMS320F28335，來可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置伺服控制，與上位機(jī)進(jìn)行通信，接受上位機(jī)發(fā)出的指令和數(shù)據(jù)，同時(shí)將RDC模塊的實(shí)時(shí)位置信號(hào)，經(jīng)過控制算法的計(jì)算得到合適的控制電壓，然后經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出。

3.1 冗余硬件的構(gòu)成

雙CPU 冗余控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3 所示，DSP1、DSP2 接受到同一個(gè)實(shí)時(shí)位置信號(hào)，采用相同的控制算法，D/A 轉(zhuǎn)換采用Maxim 公司的高精度D/A 芯片Max5134，輸出的模擬電壓，一方面通過多路模擬開關(guān)Max14763 切換主輸出或是備用輸出到負(fù)載，另一方面均通過Maxim公司的高精度A/D 芯片Max11049，將D/A 芯片輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，傳回各自的DSP，DSP1、DSP2 之間，通過Cypress 公司的雙口RAM 芯片Cy7c028實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。DSP2 通過雙口RAM 芯片實(shí)時(shí)監(jiān)控DSP1的輸出，當(dāng)DSP1 正常工作時(shí)，多路模擬開關(guān)選通主輸出連接到負(fù)載，當(dāng)DSP2 判定DPS1 出現(xiàn)故障時(shí)，控制多路模擬開關(guān)選通備用輸出連接到負(fù)載，從而實(shí)時(shí)接管DSP1 的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)工作。為了保證DSP1、DSP2 前段采樣的完全同步，必須兩個(gè)DSP 系統(tǒng)有相同的時(shí)鐘源，故兩個(gè)DSP 系統(tǒng)由同一個(gè)時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，接受同一個(gè)輸入信號(hào)，且兩個(gè)DSP 系統(tǒng)采用相同的控制算法，運(yùn)行相同的程序。

圖3 雙CPU 冗余控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

3.2 故障的判斷與定位

在雙CPU 冗余控制系統(tǒng)中，兩個(gè)CPU 擁有系統(tǒng)的全部輸入，對(duì)于任何一個(gè)輸入信號(hào)而言，系統(tǒng)都會(huì)獲得兩組采集值。在正常情況下，兩組采集值應(yīng)該保持一致，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，兩組采集值會(huì)產(chǎn)生較大偏差［3］。因此，本文將解析冗余故障的檢測方法引入到雙CPU 故障檢測中，提出了解析冗余的雙CPU 故障檢測算法，其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 基于解析冗余的雙CPU 故障檢測算法原理圖

在解析冗余的雙CPU 故障檢測算法中，兩個(gè)CPU 在當(dāng)前時(shí)刻對(duì)同一個(gè)輸入信號(hào)量進(jìn)行采集，可以不建立數(shù)學(xué)模型獲取參數(shù)估計(jì)值，并得到采集結(jié)果xn，yn，且xn為yn的觀察特征值，yn同樣xn的觀察特征值，其故障檢測步驟如下:

1)計(jì)算xn和yn的殘差val(xnyn)，如果val(xnyn)＜θ，則判定兩個(gè)CPU 采集的數(shù)據(jù)一致，系統(tǒng)無故障，可取xn作為采集值，其中θ 為相似度門限值，該值根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求而定，如果val(xnyn)＜θ 不滿足，則判定系統(tǒng)出現(xiàn)故障，然后進(jìn)行故障定位。

2)獲取兩CPU 前m 次采集結(jié)果，…….，…….，并計(jì)算CPU1 的歷史殘差:

val(xn，yn－1)，val(xn－1，yn－2)……val(xn－1－m，xn－m)和CPU2 歷史殘差:

val(yn，yn－1)，val(yn－1，yn－2)……val(yn－1－m，yn－m)

3)判斷val(xn，xn|1)和CPU1 的歷史殘差平均值是否一致，判斷val(yn，yn|1)和CPU2 的歷史殘差平均值是否一致。若:

則判定CPU1 故障，并選擇yn作為當(dāng)前時(shí)刻采集值，其中|為歷史殘差門限值，若:

則判定CPU2 故障，并選擇xn作為當(dāng)前時(shí)刻采集值。

4 故障仿真模擬

當(dāng)系統(tǒng)正常工作或DSP1 正常而DSP2 出現(xiàn)故障時(shí)，多路模擬開關(guān)應(yīng)一直選通主輸出，即DSP1 的輸出到負(fù)載，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)正常工作時(shí)選通主輸出到負(fù)載

對(duì)冗余系統(tǒng)性能和功能進(jìn)行驗(yàn)證的一條重要途徑就是進(jìn)行故障仿真模擬，本文采用人為手段設(shè)置硬件故障，出于對(duì)硬件成本和硬件復(fù)雜性的考慮，通過短時(shí)間中斷DSP1 的數(shù)據(jù)采集模塊的工作，檢驗(yàn)系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)切換備用輸出，即DSP2 的輸出到負(fù)載。仿真結(jié)果如圖6 所示，成功通過控制多路模擬開關(guān)選通備用輸出到負(fù)載，保證了系統(tǒng)的連續(xù)工作。

圖6 DSP1 出現(xiàn)故障時(shí)選通備用輸出到負(fù)載

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套基于雙DSP 的冗余控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過較小的硬件配置成本，增加了整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，不需要停機(jī)進(jìn)行人工手動(dòng)切換，從而保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性。

［1］聞新，周露.控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:214.

［2］衡軍山.基于雙CPU 的冗余研究與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(7):8-10.

［3］陳子平.淺談控制系統(tǒng)冗余控制的實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26(9):2-4.