本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)功率放大單元故障吸收的三冗余伺服控制器，應(yīng)用于高可靠新一代運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)和導(dǎo)彈系列伺服系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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目前，公知的三冗余伺服控制器是通過(guò)1553B總線(xiàn)接收控制系統(tǒng)的三冗余數(shù)字控制指令，三冗余伺服控制器的每個(gè)余度通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集一臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)的三冗余線(xiàn)位移傳感器三路線(xiàn)位移，由DSP執(zhí)行線(xiàn)位移多數(shù)表決算法和數(shù)據(jù)閉環(huán)控制算法處理，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換及功率放大后輸出伺服閥控制電流，輸出到一個(gè)三冗余伺服閥的三個(gè)前置級(jí)，控制伺服作動(dòng)器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。但是，該方法采集線(xiàn)位移信號(hào)所需要的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量較多(9路)，且僅具有部分一度故障吸收功能，對(duì)于功率放大單元出現(xiàn)的故障無(wú)法進(jìn)行故障吸收。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供實(shí)現(xiàn)功率放大單元故障吸收的三冗余伺服控制器，減少了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量，能夠吸收功率放大單元的一度故障，提高三冗余伺服控制器的可靠性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：實(shí)現(xiàn)功率放大單元故障吸收的三冗余伺服控制器，包括三個(gè)子控制器，每個(gè)子控制器均包括CPU控制單元，數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元以及功率放大單元，每個(gè)子控制器分別與三冗余位移傳感器的一路以及三冗余伺服閥的一路對(duì)應(yīng)連接；

每個(gè)子控制器的CPU控制單元接收一路控制指令、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元反饋的三冗余伺服閥的一路控制電流以及第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元反饋的三冗余位移傳感器的一路線(xiàn)位移信號(hào)，將控制指令和線(xiàn)位移信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算，得到三冗余伺服閥的一路數(shù)字量控制電流輸出給數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元；同時(shí)將控制指令、三冗余伺服閥的一路控制電流以及三冗余位移傳感器的一路線(xiàn)位移信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊與其他兩個(gè)子控制器的CPU控制單元進(jìn)行交互和共享，通過(guò)對(duì)三冗余伺服閥的三路控制電流進(jìn)行多數(shù)表決運(yùn)算，對(duì)數(shù)字量控制電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)功率放大單元一度故障的吸收；

數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元將數(shù)字量控制電流轉(zhuǎn)換為電壓量控制電流，輸出給功率放大單元；

功率放大單元將電壓量控制電流轉(zhuǎn)換為控制電流，輸出給三冗余伺服閥的一路；

第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元采集三冗余伺服閥的一路控制電流，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后反饋給CPU控制單元；

第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元采集三冗余位移傳感器的一路線(xiàn)位移信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后反饋給CPU控制單元。

所述每個(gè)子控制器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元與一個(gè)電壓處理電路連接，每個(gè)電壓處理電路將三個(gè)子控制器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓量控制電流進(jìn)行取中值計(jì)算后，將結(jié)果輸出給對(duì)應(yīng)的功率放大單元，實(shí)現(xiàn)三個(gè)子控制器數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元前端電路的一度故障吸收。

每個(gè)CPU控制單元對(duì)三冗余伺服閥的三路控制電流進(jìn)行多數(shù)表決運(yùn)算后，對(duì)數(shù)字量控制電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)功率放大單元一度故障吸收的方法如下：

(3.1)每個(gè)CPU控制單元按照如下公式對(duì)三冗余伺服閥的三路控制電流進(jìn)行多數(shù)表決運(yùn)算，得到故障控制電流和多數(shù)表決后的輸出值I_x：

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)

$I_x=\frac{I_{xi}+I_{xj}}{2}$

式中，I_x1、I_x2、I_x3表示三冗余伺服閥的三路控制電流，故障控制電流為I_xk，k≠i且k≠j；

(3.2)將故障控制電流與多數(shù)表決后的輸出值I_x做差，根據(jù)做差結(jié)果對(duì)數(shù)字量控制電流e進(jìn)行校正，使輸出到三冗余伺服閥的總電流不變，校正方法如下：

ΔI_x＝I_xk-I_x

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

式中，f表示對(duì)數(shù)字量控制電流e進(jìn)行補(bǔ)償后的電流。

所述數(shù)字量控制電流e按照如下方式獲得：

(4.1)每個(gè)CPU控制單元對(duì)三冗余位移傳感器的三路線(xiàn)位移信號(hào)進(jìn)行多數(shù)表決運(yùn)算，得到表決后的輸出值V_x：

ΔV_x12＝|V_x1-V_x2|

ΔV_x23＝|V_x2-V_x3|

ΔV_x13＝|V_x1-V_x3|

ΔV_xpq＝min(ΔV_x12,ΔV_x23,ΔV_x13)

$V_x=\frac{V_{xp}+V_{xq}}{2}$

式中，V_x1、V_x2、V_x3分別表示三冗余位移傳感器的三路線(xiàn)位移信號(hào)；

(4.2)每個(gè)CPU控制單元將接收的控制指令和量綱轉(zhuǎn)換后的V_x做差，結(jié)果進(jìn)行增益放大后得到數(shù)字量控制電流e。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過(guò)三個(gè)CPU控制單元之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)三路指令信號(hào)、三路電流信號(hào)的信息交互和共享，為實(shí)現(xiàn)功率放大單元的故障診斷提供技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)三冗余伺服閥電流信號(hào)通過(guò)三路模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行采集，輸入到三個(gè)CPU控制單元中進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)，通過(guò)CPU控制單元之間的數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)功率放大單元輸出電流的多數(shù)表決和故障診斷。當(dāng)一路功率放大單元出現(xiàn)一度故障時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)字量控制電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)正常兩路功率放大單元輸出電流的調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償故障通道的電流輸出。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大單元一度故障的吸收，達(dá)到功率放大單元一度故障時(shí)精確控制三冗余伺服閥的目的，提高三冗余伺服控制器可靠性。

(3)通過(guò)電壓處理電路對(duì)三個(gè)子控制器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元的電壓量控制電流進(jìn)行取中值處理，實(shí)現(xiàn)三個(gè)子控制器數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元前端電路(包括CPU控制單元和D/A轉(zhuǎn)換單元)的一度故障吸收。

(4)本發(fā)明在部分功能電路出現(xiàn)二度故障時(shí)，具有故障吸收功能。如圖1中的第一個(gè)通道的CPU控制單元、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元出現(xiàn)一度故障，通過(guò)電壓處理電路實(shí)現(xiàn)前端故障吸收；而此時(shí)第二路的功率放大單元25出現(xiàn)二度故障，則通過(guò)調(diào)整第二路和第三路數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元輸出端的電壓量控制電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)正常兩路功率放大單元(第一路和第三路)輸出電流的調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償故障通道的電流輸出。

(5)位移采集通道出現(xiàn)一度故障，則通過(guò)多數(shù)表決算法剔除故障線(xiàn)位移信號(hào)，使線(xiàn)位移的一度故障不影響伺服系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)反饋通道的一度故障吸收。

(6)本發(fā)明采集線(xiàn)位移信號(hào)所需要的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量為三路，三路位移信號(hào)同時(shí)在三個(gè)CPU控制單元里進(jìn)行表決，有效保證了系統(tǒng)整體可靠性和控制精度；同時(shí)減少了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量，進(jìn)一步降低了硬件成本，且提高了系統(tǒng)的固有可靠性。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖；

圖2是本發(fā)明工作過(guò)程流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)功率放大單元故障吸收的三冗余伺服控制器，硬件由三個(gè)子控制器組成，每個(gè)子控制器由CPU控制單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、兩個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元和功率放大單元組成。三冗余線(xiàn)位移傳感器的三路與三個(gè)子控制器對(duì)應(yīng)連接，三冗余伺服閥的三路與三個(gè)子控制器對(duì)應(yīng)連接。

子控制器1的CPU控制單元11接收控制指令C1，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元采集三冗余線(xiàn)位移傳感器第一路輸出的線(xiàn)位移信號(hào)W1以及三冗余伺服閥第一路的控制電流D1，將控制指令C1和線(xiàn)位移信號(hào)W1進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算，得到三冗余伺服閥第一路的數(shù)字量控制電流輸出給數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元12，數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元12將數(shù)字量控制電流轉(zhuǎn)換為電壓量控制電流，輸出給功率放大單元15，功率放大單元15將電壓量控制電流轉(zhuǎn)換為控制電流，輸出給三冗余伺服閥的第一路。第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元13采集三冗余伺服閥第一路的控制電流D1，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后反饋給CPU控制單元11。第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元14采集三冗余位移傳感器第一路的線(xiàn)位移信號(hào)W1，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后反饋給CPU控制單元11。

子控制器2的CPU控制單元21接收控制指令C2，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元采集三冗余線(xiàn)位移傳感器第二路輸出的線(xiàn)位移W2以及三冗余伺服閥第二路的控制電流D2，子控制器3的CPU控制單元31接收控制指令C3，通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元采集三冗余線(xiàn)位移傳感器第三路輸出的線(xiàn)位移W3以及三冗余伺服閥第三路的控制電流D3，每個(gè)子組件與子控制器1中的處理類(lèi)似，這里不再贅述。每個(gè)子控制器采集的控制指令、線(xiàn)位移和控制電流，作為閉環(huán)運(yùn)算和故障診斷的輸入信號(hào)。三個(gè)子控制器的CPU控制單元11、21、31之間通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)前端電路數(shù)據(jù)通訊，使三個(gè)子控制器分別采集的線(xiàn)位移W1、W2、W3和控制電流D1、D2、D3，可供三個(gè)子控制器同時(shí)使用，進(jìn)行多數(shù)表決和故障判斷，給出數(shù)字量控制電流的補(bǔ)償策略和結(jié)果；三個(gè)子控制器將補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，作為三冗余功率放大單元的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率放大單元一度故障的吸收，經(jīng)功率放大單元變換為電流信號(hào)控制三冗余伺服閥執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；實(shí)現(xiàn)高可靠三冗余控制。

如圖2所示，本發(fā)明的三個(gè)子控制器配置相同，三冗余伺服控制故障吸收的實(shí)現(xiàn)步驟相同，以子控制器1為例說(shuō)明其工作流程：

(1)子控制器1接收控制指令和采集線(xiàn)位移、電流信號(hào)

子控制器1的CPU控制單元11通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)接收控制系統(tǒng)發(fā)送的伺服控制指令1信號(hào)C1，通過(guò)第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元14采集三冗余線(xiàn)位移傳感第一路的線(xiàn)位移W1，第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元13采集三冗余伺服閥第一路的閥電流D1。

(2)CPU控制單元11、12、13數(shù)據(jù)交互

CPU控制單元11通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)1-2和總線(xiàn)1-3，分別與CPU控制單元12和CPU控制單元13進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將子控制器1采集的線(xiàn)位移W1和控制電流D1發(fā)送給子控制器2和子控制器3，接收子控制器2和子控制器3采集的線(xiàn)位移W2、W3和控制電流D2、D3。

(3)線(xiàn)位移W1、W2、W3進(jìn)行多數(shù)表決

如位移采集通道出現(xiàn)一度故障，則通過(guò)多數(shù)表決算法剔除故障線(xiàn)位移信號(hào)，使線(xiàn)位移的一度故障不影響伺服系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)反饋通道的一度故障吸收。三冗余線(xiàn)位移多數(shù)表決算法如下：

ΔV_x12＝|V_x1-V_x2|

ΔV_x23＝|V_x2-V_x3|

ΔV_x13＝|V_x1-V_x3|

ΔV_xpq＝min(ΔV_x12,ΔV_x23,ΔV_x13)

$V_x=\frac{V_{xp}+V_{xq}}{2}$

式中，V_x1、V_x2、V_x3分別表示線(xiàn)位移W1、線(xiàn)位移W2和線(xiàn)位移W3；V_x表示多數(shù)表決后的輸出值。

每個(gè)CPU控制單元將接收的控制指令和量綱轉(zhuǎn)換后的V_x做差，結(jié)果進(jìn)行增益放大后得到數(shù)字量控制電流e。

(4)控制電流D1、D2、D3進(jìn)行多數(shù)表決

當(dāng)功率放大單元出現(xiàn)一度故障時(shí)，采用三冗余電流多數(shù)表決算法，對(duì)控制電流D1、D2、D3進(jìn)行多數(shù)表決：

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)

$I_x=\frac{I_{xi}+I_{xj}}{2}$

式中，I_x1、I_x2、I_x3分別表示控制電流D1、控制電流D2和控制電流D3；

I_x表示多數(shù)表決后的輸出值。

將故障電流與多數(shù)表決的結(jié)果做差，對(duì)數(shù)字控制電流e進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出到三冗余伺服閥的總電流不變，補(bǔ)償方法如下：

ΔI_x＝I_xk-I_x

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

式中，I_xk表示故障路電流，k≠i、k≠j；

f表示對(duì)數(shù)字量控制電流e進(jìn)行補(bǔ)償后的電流。

該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大單元一度故障的吸收能力，達(dá)到功率放大單元一度故障時(shí)精確控制三冗余伺服閥的目的。

控制電流D1、D2、D3進(jìn)行多數(shù)表決的示例如下：

假設(shè)三個(gè)子控制器的數(shù)字量控制電流e均為5mA，

(a)在三路功率放大單元均正常的情況下，則三冗余伺服閥三路控制電流I_x1、I_x2、I_x3分別為4.9mA、5.1mA和5mA，則三冗余伺服閥的總控制電流為I_x1、I_x2、I_x3之和，為15mA，該總電流實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服閥的控制；

(b)在有一路功率放大單元出現(xiàn)一度故障的情況下，假設(shè)為第三路功率放大單元故障，三冗余伺服閥電流信號(hào)I_x1、I_x2、I_x3分別為4.9mA、5.1mA和25mA；采用三冗余電流多數(shù)表決算法，對(duì)電流1、2、3進(jìn)行多數(shù)表決，

ΔI_x12＝|I_x1-I_x2|＝0.2mA

ΔI_x23＝|I_x2-I_x3|＝19.9mA

ΔI_x13＝|I_x1-I_x3|＝20.1mA

ΔI_xij＝min(ΔI_x12,ΔI_x23,ΔI_x13)＝ΔI_x12＝0.2mA

$I_x=\frac{I_{x1}+I_{x2}}{2}=\frac{4.9+5.1}{2}=5mA$

第一路和第二路電流之間的誤差最小，則該兩路電流正常，則第三路電流I_x3故障，多數(shù)表決后的電流值I_x為5mA；將故障路電流I_x3與多數(shù)表決后的電流值做差，得到補(bǔ)償電流值△I_x，

ΔI_x＝I_xk-I_x＝I_x3-I_x＝25-5＝20mA

通過(guò)補(bǔ)償數(shù)字量控制電流e，使正常的兩路功率放大單元的輸出單元均減小10mA，使最終輸出給三冗余伺服閥的總電流不變，仍為15mA，即經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的數(shù)字量控制電流為：

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_X}{2}$

$f=e-\frac{{\mathrm{\ΔI}}_x}{2}=e-\frac{20}{2}=e-10$

因?yàn)閿?shù)字量控制電流e的理論值為5mA，則f＝-5mA，三冗余伺服閥電流信號(hào)I_x1、I_x2、I_x3分別為-5mA、-5mA和25mA(故障電流)，則三冗余伺服閥的總控制電流為I_x1、I_x2、I_x3之和，仍為15mA，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服閥的精確控制和功率放大單元一度故障吸收。

(5)控制電流信號(hào)數(shù)/模轉(zhuǎn)換

通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元12對(duì)補(bǔ)償后的數(shù)字量控制電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸出電壓量控制電流(模擬電壓信號(hào))。

(6)電壓信號(hào)取中值處理后輸出

數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元12與一個(gè)電壓處理電路連接，每個(gè)電壓處理電路將三個(gè)子控制器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓量控制電流進(jìn)行取中值計(jì)算后，將結(jié)果Vf輸出給功率放大單元15，可實(shí)現(xiàn)控制通道一度故障吸收功能。

(7)功率放大輸出

通過(guò)功率放大單元15將電壓信號(hào)Vf變換為伺服閥電流信號(hào)(控制電流)后輸出，控制伺服閥執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

該方法在部分功能電路出現(xiàn)二度故障時(shí)，具有故障吸收功能。如圖1中的CPU控制單元11或數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元12出現(xiàn)一度故障，通過(guò)電壓處理電路輸出端并聯(lián)實(shí)現(xiàn)前端故障吸收；而此時(shí)功率放大單元25出現(xiàn)二度故障，則通過(guò)調(diào)整第二路和第三路數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元輸出端的電壓量控制電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)正常兩路功率放大單元(第一路和第三路)輸出電流的調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償故障通道的電流輸出。

此技術(shù)發(fā)明與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方案相比，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化采集電路、所有功能電路一度故障吸收，以及部分功能電路的二度故障吸收，進(jìn)一步提高三冗余控制設(shè)備的產(chǎn)品可靠性。

本發(fā)明通過(guò)仿真和工程試驗(yàn)驗(yàn)證，在采用該方法之前，當(dāng)功率放大單元出現(xiàn)一度故障時(shí)，三冗余伺服控制器控制對(duì)象的零偏出現(xiàn)超差，實(shí)測(cè)值達(dá)到-1.39°，不滿(mǎn)足-0.1～0.1°的指標(biāo)要求。采用該方法之后，當(dāng)功率放大單元出現(xiàn)一度故障時(shí)，三冗余伺服控制器控制對(duì)象的零偏正常，實(shí)測(cè)值為0.06°，滿(mǎn)足-0.1～0.1°的指標(biāo)要求。說(shuō)明本發(fā)明方法在減少模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量的同時(shí)，能夠有效吸收功率放大單元的一度故障，提高伺服控制器的可靠性。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。