王首浩 陳 飛 喬 森 耿樹鯤 郭燕紅 王懷俠

北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076

故障檢測補償式三余度伺服控制方法設(shè)計驗證

王首浩 陳 飛 喬 森 耿樹鯤 郭燕紅 王懷俠

北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076

為滿足全系統(tǒng)數(shù)字化需求，并確保產(chǎn)品可靠性，對各類三余度控制技術(shù)進行了對比分析。針對機械反饋式伺服機構(gòu)的控制特點，對故障模式采用智能識別技術(shù)，分析了不同故障模式對伺服系統(tǒng)的影響。采用軟硬件結(jié)合的智能控制技術(shù)，設(shè)計了一種新型三余度伺服控制方法；搭建了系統(tǒng)故障模擬試驗平臺，經(jīng)驗證滿足設(shè)計意圖，在一度故障及一種兩度故障模式下，伺服機構(gòu)性能也可以滿足任務(wù)需求；最后對三余度伺服控制方法的發(fā)展進行了展望。

故障檢測；三余度；伺服控制；設(shè)計驗證

航天伺服產(chǎn)品可分為機電伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)，并采用基于1553B總線的數(shù)字式伺服控制方案。在大功率、高可靠航天推力矢量控制的伺服產(chǎn)品中，由于動態(tài)性能優(yōu)等特點，大量采用液壓伺服系統(tǒng)[1]，液壓伺服機構(gòu)根據(jù)反饋模式分為電反饋伺服機構(gòu)和機械反饋伺服機構(gòu)，其均由伺服控制器輸出電流指令，流過伺服閥線圈，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使伺服機構(gòu)內(nèi)油壓發(fā)生變化，從而使伺服機構(gòu)動作。但不同的是，在基本原理上，電反饋伺服機構(gòu)的電流指令由控制指令與線位移差值確定，當(dāng)伺服機構(gòu)穩(wěn)定在某一位置時，電流指令應(yīng)為0，而機械反饋伺服機構(gòu)的線位移與電流指令成正比，伺服機構(gòu)停在何處完全由電流指令的大小決定，因此機械反饋伺服機構(gòu)對伺服控制器電流輸出環(huán)節(jié)的可靠性提出了更高的要求。在模擬伺服控制方案中，伺服機構(gòu)的指令電流來自控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對伺服機構(gòu)進行閉環(huán)控制，伺服控制器主要實現(xiàn)零漂補償功能，伺服系統(tǒng)的設(shè)計不會影響閥電流的可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)需要滿足全系統(tǒng)數(shù)字化的需要，控制系統(tǒng)僅通過1553B總線向伺服控制器發(fā)送數(shù)字指令，由伺服控制器進行計算并輸出指令電流，伺服系統(tǒng)自行實現(xiàn)閉環(huán)控制，因此需要采用更可靠的伺服控制方案。

1 控制方案設(shè)計

提高電子產(chǎn)品可靠性的途徑包括采用高可靠元器件和采用余度控制技術(shù)[2]，航天產(chǎn)品對元器件的選用要求十分嚴(yán)格，因此控制方案設(shè)計更多地從余度設(shè)計考慮。余度設(shè)計從數(shù)量上可分為雙余度、三余度和四余度；從余度方式上可分為并聯(lián)、均值表決、多數(shù)表決、中值表決和故障檢測修正等[3]。余度數(shù)量的選擇一般取決于所控制的伺服機構(gòu)或是所在的伺服系統(tǒng)方案，目前，綜合系統(tǒng)需求、產(chǎn)品重量、硬件和軟件規(guī)模約束、可靠性等因素，航天伺服產(chǎn)品多采用三余度控制技術(shù)。

1.1 電反饋液壓伺服系統(tǒng)三余度方案

目前，在電反饋液壓伺服系統(tǒng)中，主要采用2種三余度控制架構(gòu)：閥線圈三余度控制和系統(tǒng)三余度控制。閥線圈三余度控制如圖1所示，主要為了確保在閥線圈發(fā)生一度或二度故障時，仍有指令電流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使伺服機構(gòu)的位置特性基本正常，但動態(tài)特性有所下降，對于伺服控制器電路故障沒有余度效果。

圖1 閥線圈三余度控制框圖

系統(tǒng)三余度控制需要采用三余度伺服閥、三余度線位移和三余度伺服控制器，其中三余度伺服控制器內(nèi)部包含3個功能配置完全相同的子控制器，如圖2所示的接收控制系統(tǒng)三余度指令，由3個獨立的處理器執(zhí)行閉環(huán)計算，控制3個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出3路獨立的指令電流控制3個閥線圈[4]，因此，發(fā)生一度故障時，伺服系統(tǒng)仍可保持功能基本正常，但對于功放電路失效的故障模式，伺服機構(gòu)位置特性將受到影響。

電反饋液壓伺服系統(tǒng)的三余度控制，屬于并聯(lián)、多數(shù)表決型余度控制方式。

圖2 系統(tǒng)三余度控制框圖

1.2 機械反饋液壓伺服系統(tǒng)三余度方案

電反饋伺服控制的2種三余度方案中，閥電流信號均不參與控制決策，因為即使發(fā)生了諸如一度閥線圈斷路的故障模式，伺服機構(gòu)的位置特性依然可以保證，但如果在機械反饋伺服機構(gòu)中采用此種控制方式，當(dāng)發(fā)生一度閥線圈斷路故障、一度功率放大電路故障等情況，伺服機構(gòu)的位置只能達(dá)到控制指令要求的2/3，雖然可以通過積分器補償，但是動態(tài)性能也會受到嚴(yán)重影響。因此設(shè)計一種基于故障檢測補償式三冗余控制方法，功能框圖如圖3所示。由于所應(yīng)用的控制系統(tǒng)不是三余度設(shè)計，所以伺服控制器中不設(shè)計3套子控制器電路，如果采用3套子控制器設(shè)計方案，還需要增加3個CPU之間的數(shù)據(jù)交互，硬件、軟件和體積設(shè)計難度都會加大，因此本方案主要對指令電流電路進行三余度設(shè)計，采用單CPU控制3路獨立的D/A轉(zhuǎn)換器，使每一路指令電路可以獨立控制，并將指令電流回采用于控制決策，如果某1路閥電流發(fā)生異常，可以由DSP計算調(diào)節(jié)，通過其它2路指令電流進行補償，在故障狀態(tài)下只要保證3路指令電路的總和滿足控制指令要求，則可保證伺服機構(gòu)性能穩(wěn)定。

圖3 故障檢測補償式三冗余控制框圖

2 硬件參數(shù)設(shè)計及故障模式分析

2.1 參數(shù)設(shè)計

所設(shè)計方案參數(shù)的邊界條件，圍繞極限故障狀態(tài)展開。假設(shè)伺服機構(gòu)的正向極限位置對應(yīng)的閥電流為Imax，無故障時，流過3個閥線圈的電流應(yīng)為I1=I2=I3=Imax/3；如果第1路閥電流發(fā)生異常，且測量Im1=-Imax，要使伺服機構(gòu)仍能達(dá)到正向極限位置，需要補償其它2路電流為I2=I3=Imax，因此，需要每一路功放電路能獨立輸出的最大電流為伺服機構(gòu)極限位置電流。產(chǎn)生閥電流的功放電路如圖4所示，參數(shù)設(shè)計應(yīng)滿足If≈Vo/(RX+RL+RQ)。

圖4 功放電路示意圖

圖中，If為閥電流，Vo為功率放大器輸出電壓，RX為限流電阻，RL為閥線圈內(nèi)阻，Rq為閥電流取樣電阻；Ugf為功率放大器，Rp為正向輸入電阻，Rn為負(fù)向輸入電阻，Rf為反饋電阻。

2.2 故障模式分析

對閥電流輸出鏈路各環(huán)節(jié)進行故障模式分類，主要包括D/A轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、功放電路環(huán)節(jié)、閥線圈環(huán)節(jié)和A/D采集環(huán)節(jié)。從控制框圖和電路圖可知，伺服系統(tǒng)中，所有與三冗余伺服閥及驅(qū)動電路相關(guān)的一度故障均可體現(xiàn)在伺服閥電流的測量信號上，因此伺服閥驅(qū)動電路的所有故障模式表現(xiàn)出來的測量現(xiàn)象可以覆蓋伺服系統(tǒng)一度故障模式下伺服閥電流的測量現(xiàn)象，可對功率放大電路進行詳細(xì)的故障分析[5-6]。

以表格形式代替故障樹，如表1所示將元器件的故障模式定義為底層故障模式，由元器件故障引起的閥電流測量異常為中間層故障，由測量反應(yīng)出的伺服系統(tǒng)故障為高層故障，多種底層故障可能導(dǎo)致一種測量故障，多種測量故障可能導(dǎo)致一種系統(tǒng)故障。同時，也存在測量正常，但系統(tǒng)異常、或測量異常但系統(tǒng)仍可工作的情況。

將所有可能的故障模式進行統(tǒng)一分類，可以得出不同故障狀態(tài)下的測量情況，并分析對故障的補償方式，當(dāng)判定某一路閥電流測量異常時，首先對此路閥電流對應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸入0V對應(yīng)的數(shù)字值，使此路閥電流輸出盡量接近于0，或穩(wěn)定在某一固定值，或盡量減小波動幅值和頻率。

表1 故障模式表

異常電流測量值為恒值、動態(tài)值或為振蕩、抖動信號時，均可由其它2路閥電流值對異常電流值進行補償。如果抖動信號頻率低于采樣頻率，可以有效控制；如果抖動頻率高于采樣頻率，伺服機構(gòu)性能下降；若電流測量值正常，但伺服機構(gòu)位置只有指令要求的2/3左右，需要引入線位移才能進行故障判斷，并對3路閥電流同時進行補償；還有一種未列表中的情況是當(dāng)A/D采集電路發(fā)生故障時，電流測量值異常，但實際電流輸出正常，伺服機構(gòu)也正常工作，需要引入線位移才能進行故障判斷，并且不需要對閥電流進行補償。

3 三冗余控制方法實現(xiàn)

本方案采用的不是完全的、硬件架構(gòu)上的三冗余平臺，所以余度控制邏輯需要軟件配合實現(xiàn)，因此要綜合考慮硬件可靠性、軟件可靠性和系統(tǒng)實時性。航天產(chǎn)品一般選用可靠性高的元器件以提高硬件可靠性；控制邏輯過于復(fù)雜會降低軟件可靠性；由于相位指標(biāo)嚴(yán)格，伺服控制對實時性要求極高，判斷條件過多、邏輯嵌套過深會嚴(yán)重影響控制的實時性。權(quán)衡多種約束條件，絕大多數(shù)故障模式是可以通過閥電流進行判斷的，因此不再用線位移作為判斷條件，所以閥線圈短路、采樣電阻斷路的故障模式無法通過檢測進行處理，但可以通過PID的積分環(huán)節(jié)進行一定的補償，并且即使不采用故障冗余控制方法，也會對系統(tǒng)造成同樣的影響，因此不會降低可靠性。

A/D轉(zhuǎn)換器采集故障是采用了冗余控制方法引入的新故障，針對此問題，對A/D采集值的有效性進行判斷，例如，A/D轉(zhuǎn)換器的量程為-10～+10V，但閥電流值實際對應(yīng)的采集電壓只在-1.5～+1.5V，如果A/D采集值不在實際電壓范圍內(nèi)，則不進行補償控制，以盡量減小A/D轉(zhuǎn)換器異常的影響。具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 三余度控制流程圖

設(shè)計原理：實際工作中，控制系統(tǒng)周期性向伺服控制器發(fā)送控制指令，伺服控制器進行周期性閉環(huán)處理，并向伺服閥線圈輸出閥電流，使伺服機構(gòu)按控制指令要求動作；控制器每周期將本周期的電流測量值與上一周期的線圈指令進行比較，并進行多點判斷，濾除毛刺和干擾等信號，如果某一路電流誤差值連續(xù)N個周期超出設(shè)計閾值1時，認(rèn)為該路電流發(fā)生異常，則啟動一路故障冗余機制；由于硬件設(shè)計中，單獨一路功放電路具備獨立控制伺服機構(gòu)的能力，所以此控制方法可以補償2度閥線圈斷路故障，但為了不輕易判定為2度故障，將閾值適當(dāng)放大調(diào)整為閾值2，目的是在已經(jīng)判定1度故障的情況下，更加謹(jǐn)慎的判定2度故障，如果其它2路中的某一路電流誤差超過閾值2，則啟動二路故障冗余機制，并且不再判定第3路故障。

如圖3定義，伺服控制器3路閥線圈的D/A通道分配的數(shù)字指令分別為I1，I2，I3。發(fā)生故障后，3路閥線圈的閥電流異常測量值為Ia1，Ia2，Ia3。本周期閥電流測量值與上一周期閥線圈指令之差的上限為閾值Ith1，Ith2。在每個DSP定時中斷中，先通過A/D采集閥電流Im1，Im2，Im3，并判斷本周期控制指令與上一周期控制指令是否發(fā)生變化：如果發(fā)生變化，則異常次數(shù)寄存器清零，否則寄存器保持原值。進行PID計算，得出待分配的數(shù)字指令I(lǐng)。判斷電路是否已發(fā)生故障，如果沒有發(fā)生故障，則判斷3個閥電流是否有超差；如果已發(fā)生故障，需要調(diào)高閾值為Ith2。如果已經(jīng)是2通道故障，則直接執(zhí)行2通道故障處理算法；如果不是2通道故障，則繼續(xù)判斷其他2個閥電流是否有超差：如果閥電流無超差，則異常次數(shù)寄存器清零，執(zhí)行無故障處理算法；如果電流值超差，但測量值超量程，認(rèn)為測量錯誤，如果量測值不超量程，則異常次數(shù)寄存器累加，如次數(shù)未溢出，則執(zhí)行無故障處理算法，如果次數(shù)溢出，則標(biāo)記故障通道，執(zhí)行相應(yīng)的故障處理算法。

為了清晰表示，按3路閥線圈匝數(shù)完全相同的理想狀態(tài)計算，不考慮線圈實際匝數(shù)差異加入的修正系數(shù)，故障補償算法如下：

1通道故障補償算法：以第1路故障為例，當(dāng)|Im1-I1|>Ith1時：

I1=0；

I2=[I-Ia1]/2；

I3=[I-Ia1]/2；

2通道故障補償算法：以當(dāng)?shù)?路故障后，檢測到第2路故障為例，當(dāng)|Im2-I2|>Ith2時：

I1=0；

I2=0；

I3=I-Ia1-Ia2。

4 系統(tǒng)試驗驗證

在伺服系統(tǒng)中搭建故障模擬平臺,采用硬件故障注入方式，對三余度控制邏輯進行試驗驗證。由于功放電路中各元器件的故障模式均可表現(xiàn)為閥電流輸出低端電壓值異常，并且電壓值無論是固定值還是變化值，硬件設(shè)計都被限制在一定范圍之內(nèi)，所以如圖6所示，在功放的正向輸入端串接電阻，輸入可調(diào)電壓值，使閥電流低端輸出異常電壓來模擬各類由元器件引起的故障模式；功放電路輸出端通過轉(zhuǎn)接箱連接閥線圈，模擬閥線圈的斷路故障。

圖6 故障注入示意圖

如果加入的故障電壓與指令電壓之差不超過判斷閾值，則不會執(zhí)行補償策略，所以，在進行大角度正弦位置特性測試時，如果在0位附近斷開1路閥線圈，其它2路閥電流并不會立刻得到補償，只有當(dāng)指令超過閾值時，其它2路才補償輸出，驗證了設(shè)計意圖；同樣2度故障補償也得到有效驗證。由于補償后的總電流保持不變，所以在故障狀態(tài)下，頻率特性基本不受影響。

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)試驗驗證，三余度控制方法符合設(shè)計意圖，在故障模式下能實現(xiàn)有效的閥電流補償，保障伺服系統(tǒng)性能。與以往研制的采用純硬件實現(xiàn)的三余度伺服控制方法相比，引入了智能檢測補償?shù)能洐C制，通過軟、硬件協(xié)同設(shè)計的方式，在控制產(chǎn)品體積、重量、成本和控制實時性的前題下，提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。對于未能補償?shù)墓收夏Ｊ竭M行了系統(tǒng)影響分析，對于A/D轉(zhuǎn)換器失效率可以通過產(chǎn)品可靠性試驗進行考核，在后續(xù)研制過程中，也可以選用性能更高的處理器平臺，引入線位移進行更復(fù)雜的邏輯判斷；對于純硬件三冗余伺服控制器，可以在3個CPU之間建立數(shù)據(jù)交互，結(jié)合本文的軟控制方法，設(shè)計出更加智能化高可靠的伺服產(chǎn)品。

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DesignandVerificationofFaultDetectionandCompensationThreeRedundantServoControlMethod

Wang Shouhao, Chen Fei, Qiao Sen, Geng Shukun,Guo Yanhong, Wang Huaixia

Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076，China

Inordertomeettherequirementsofthewholedigitalsystemandensurethereliabilityofproducts,severaltechnologiesofthreeredundantcontrolarecomparativelyanalyzed,accordingtothecharacteristicsofmechanicalfeedbackservomechanism,byusingintelligenttechnologytoidentifyfailuremode,andtheinfluenceofdifferentfailuremodesisanalyzedfortheservosystem,theintelligentcontroltechnologyofhardwareandsoftwarecombinationisadopted,andanewtypeoftripleredundancyservocontrolmethodisdesigned.Bybuildingthesystemfaultsimulationtestplatform,theresultmeetsthedesignintent,whenthereisafaultmode,theperformanceoftheservosystemcanmeettherequirementsofthetask.Finally,thedevelopmentprospectofthethreeredundantservocontrolmethodisdiscussed.

Faultdetection；Threeredundant;Servocontrol;Designandverification

V448.122

A

1006-3242(2017)05-0087-05

2017-05-02

王首浩(1983-)，男，黑龍江慶安人，碩士，高級工程師，主要研究方向為伺服控制技術(shù)；陳飛(1979-)，男，湖北鐘祥人，本科，高級工程師，主要研究方向為液壓伺服技術(shù)；喬森(1980-)，男，河南商丘人，碩士，工程師，主要研究方向為伺服軟件設(shè)計；耿樹鯤(1980-)，男，河北成安人，碩士，高級工程師，主要研究方向為液壓伺服技術(shù)；郭燕紅(1982-)，女，山東聊城人，碩士，工程師，主要研究方向為伺服控制器設(shè)計；王懷俠(1990-)，女，山東臨沂人，碩士，工程師，主要研究方向為伺服控制器設(shè)計。