專利名稱：雙電機冗余控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及在復(fù)雜條件下，設(shè)計一種具有冗余的雙電機控制系統(tǒng)，滿足高性能電氣傳動中對于故障條件下仍然可靠運行的要求，屬于電力電子與電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代復(fù)雜條件下的運動控制系統(tǒng)中，如何提高系統(tǒng)的可靠性，即保證在故障情況下仍然能夠維持系統(tǒng)工作是一個很重要的問題。增加系統(tǒng)的冗余性是提高系統(tǒng)可靠性的一個主要方法，即在運動控制系統(tǒng)中設(shè)置兩臺電機作為驅(qū)動電機，實現(xiàn)位置伺服控制，當檢測到一臺電機出現(xiàn)故障時，將系統(tǒng)切換到單機運行模式，實現(xiàn)可靠性的提高。增加了冗余的雙電機控制系統(tǒng)即是為了實現(xiàn)這種功能設(shè)計的，它的硬件結(jié)構(gòu)核心是電機的電力電子變換器和DSP控制系統(tǒng)，而軟件結(jié)構(gòu)的核心是電機的控制算法。雙電機冗余控制系統(tǒng)是集成了電機—電力電子—控制—通信的一個復(fù)雜系統(tǒng)。
雙電機冗余控制系統(tǒng)的技術(shù)難點是如何判斷和仲裁故障，并在故障情況下保證系統(tǒng)的正常運行，如何實現(xiàn)雙電機系統(tǒng)的通信和系統(tǒng)功能擴展。
雙電機控制系統(tǒng)一般應(yīng)用在比較復(fù)雜的環(huán)境中，可能出現(xiàn)的故障需要檢測和判斷，為了實現(xiàn)這些功能，需要在控制系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的信號采集功能并且設(shè)計故障判斷算法。故障出現(xiàn)后，需要設(shè)計功能切換算法。為了保證雙電機控制系統(tǒng)的故障檢測和功能切換，需要在獨立電力控制系統(tǒng)之間設(shè)計相關(guān)的通信功能。為了實現(xiàn)更加復(fù)雜的算法，需要設(shè)計控制系統(tǒng)與高一級嵌入式系統(tǒng)的通信接口。
國外在雙電機冗余控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得了一些成果，并將其應(yīng)用在飛行器控制等領(lǐng)域。國內(nèi)這方面還處于起步階段，控制系統(tǒng)的運算能力和通信能力都比較弱，而且主要用于控制無刷直流電機等特定的電機，難以實現(xiàn)通用化的控制，在冗余性算法的設(shè)計上需要改進。設(shè)計具有比較強的運算能力，集成了豐富的通信功能并且能夠適用于多種電機的雙電機冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于設(shè)計一種具有較強的運算和信號處理能力、集成了豐富的通信接口功能、能夠?qū)崿F(xiàn)雙電機控制系統(tǒng)之間多種通信和故障檢測功能并且能夠在故障狀態(tài)下實現(xiàn)雙機運行狀態(tài)向單機運行狀態(tài)的雙電機冗余控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力電子和電機控制系統(tǒng)的集成，并且能夠適用于不同類型的交流電機位置伺服控制。
本發(fā)明的特征在于含有控制主從模式下兩個電機的主電路、控制電路、通信電路、差動變壓器LVDT及其控制與信號處理電路各兩套，三套開關(guān)電源以及一個直流電源DC，其中(1).開關(guān)電源，其中兩套分別供應(yīng)主電路和控制電路，一套供應(yīng)所述電機的制動器；(2).控制電路，含有一個主控制DSP芯片、通信用CPLD1和PWM輸出控制和保護用的CPLD2、一個電壓電流模擬信號調(diào)理與隔離電路、一個轉(zhuǎn)子編碼器位置檢測信號的光電隔離電路以及電源轉(zhuǎn)換電路，其中(2.1).CPLD1，通過不同的接口方式與下述各模塊相連外部擴展用256KRAM芯片CY7C1041CV33，USB通信模塊CY7C68001，控制USB接口，DA轉(zhuǎn)換輸出模塊DAC7724，模擬輸出用，CAN通信模塊SN65HVD230，與相對應(yīng)的另一個控制電路通信用，SPI通信接口，與對應(yīng)的控制電路通信，SCI通信模塊MAX3160，通過RS232或者RS485方式與上位計算機通信，McBsp接口，作為預(yù)留通信接口，雙口RAM接口，與對應(yīng)的基于浮點DSP芯片TMS320C6701的通信電路板通信；(2.2).CPLD2，設(shè)有保護信號輸入端口以及工作狀態(tài)指示、PWM信號輸入與輸出端口、I/O接口、繼電器各輸入輸出信號的端口；(2.3).主控制DSP芯片TMS320F2812，設(shè)有看門狗信號輸出接口，JTAG仿真用互聯(lián)接口，EMIF接口，與CPLD1以及其控制的外部擴展RAM、雙口RAM互聯(lián)，接口SPI，SCI，eCAN、McBsp分別與CPLD1相應(yīng)接口互聯(lián)，通用I/O端口向所連CPLD2相應(yīng)的I/O端口收發(fā)信號，PWM輸出接口，向所連CPLD2輸出PWM信號，外部中斷端口，接收主電路通過光電隔離通過CPLD2發(fā)出的中斷信號；電源轉(zhuǎn)換端口；
DSP設(shè)置主—從式冗余控制軟件，實現(xiàn)對系統(tǒng)的雙機冗余控制，通過雙控制電路之間的通信判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，正常狀態(tài)下從機跟隨主機運行，為主機運行模式，判斷故障出現(xiàn)后，主機實現(xiàn)制動，系統(tǒng)按從機模式運行；(2.4).光電隔離電路，輸入輸出編碼器位置檢測信號，向DSP的QEP接口輸出該檢測信號；(2.5).電壓電流模擬信號調(diào)理與隔離電路，向該主控制器輸入模擬信號，該電路采用運放實現(xiàn)電壓跟隨與比例調(diào)節(jié)；(3).差動變壓器LVDT1和LVDT2作為直線位移傳感器來控制所述電機帶動直線傳動系統(tǒng)，用芯片AD598實現(xiàn)對直線位移傳感器LVDT的控制，輸出信號通過模擬信號調(diào)理與隔離電路輸入DSP的AD輸入接口；(4).主電路，用智能功率模塊PS21255作為主變流器，集中了三相逆變橋以及每個開關(guān)管的驅(qū)動和過流保護電路，所述的直流電壓DC經(jīng)過濾波器后輸入該主電路，該主電路向所述電機發(fā)出三相PWM電壓，該主電路的三相電流和直流母線電壓電流信號經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給控制電路；該主電路從控制電路接收應(yīng)用了位置閉環(huán)下矢量控制策略的PWM信號實現(xiàn)三相逆變，反饋位置由LVDT測量得到或者通過光電編碼器計算得到。
本發(fā)明具有電機控制功能強、通信功能豐富、擴展性好和可靠性高的優(yōu)點。


1、雙電機冗余控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括了電源模塊，兩套主電路板，兩塊控制電路板，并且可以通過雙口RAM接口與兩塊包含了光纖接口的高級嵌入式系統(tǒng)連接。電源模塊為電路板供電，DC主電輸入主電路板，在控制電路板輸入的PWM信號驅(qū)動下逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵?。LVDT和編碼器檢測得到的位置信號以及主電路采樣得到的電壓電流信號輸入控制電路板。
2、控制電路板結(jié)構(gòu)與功能分布包括了核心的DSP芯片TMS320F2812，外部RAM，電源模塊，看門狗復(fù)位模塊，控制通信的CPLD1以及主要的通信模塊，控制PWM和保護的CPLD2以及PWM輸出模塊。
3、電壓電流轉(zhuǎn)換與采樣電路4、LVDT的原理圖
LVDT實際上是一個差動變壓器，位移反映在拉桿(金屬芯)上。原邊通過AD598芯片產(chǎn)生高頻激勵電壓激勵變壓器原邊，變壓器副邊中點接地，而兩端的電壓VA和VB由金屬芯在LVDT內(nèi)不同的位置決定。VA和VB輸入AD598后，經(jīng)過運算VA-VBVA+VB,]]>轉(zhuǎn)換為直流量，并濾波放大后輸出，如果副邊正弦波形正弦度良好，此時的輸出量與拉桿位置成線性關(guān)系。
5、LVDT的控制與信號處理電路6、位置閉環(huán)下交流電機矢量控制框圖，參考位置由上位機發(fā)出或者雙口RAM采集，反饋位置由LVDT得到或者由編碼器信號計算得到。
7、雙電機冗余控制系統(tǒng)通信軟件結(jié)構(gòu)，上位機通過串口與控制電路通信，主電路板通過SPI向從電路板發(fā)送參考速度指令，兩板之間通過eCAN通信。
8、PC機串口通信程序界面9、DSP從雙口RAM讀取(左)和發(fā)送(右)數(shù)據(jù)的流程圖10、系統(tǒng)集成后的對外接口11、直線位置伺服下冗余性檢測的試驗結(jié)果
具體實施例方式雙電機冗余控制系統(tǒng)的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)快速和準確的動態(tài)響應(yīng)以及故障條件下的運行保證；同時能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的通信和控制功能。
雙電機冗余控制模塊實現(xiàn)兩臺電機的運動控制算法，并實現(xiàn)主電路變流，同時可以實現(xiàn)與PC機的串口通信和通過PMC接口與光纖的通信功能。
雙電機冗余控制系統(tǒng)設(shè)有開關(guān)電源模塊，控制電路板，通信電路板，主電路板。
其中開關(guān)電源模塊設(shè)有一路二極管整流輸入模塊，將220V交流電整流后為開關(guān)電源供電三個開關(guān)電源，其中兩個開關(guān)電源為兩套電路系統(tǒng)(控制電路，主電路等)供電，一個開關(guān)電源為電機制動器供電其中控制電路板設(shè)有電源轉(zhuǎn)換模塊，看門狗復(fù)位模塊，一塊高性能定點DSP芯片TMS320F2812，作為主控制芯片，主頻150MHz，通過6路PWM輸出實現(xiàn)電機控制算法。兩塊EPM7128AE型CPLD芯片，其中CPLD1控制通信功能(包括雙口RAM，DA，SCI，SPI，eCAN，USB等)，CPLD2控制PWM發(fā)生和保護功能(包括過流和過溫故障保護)，一塊外部SRAM，256K，作為程序存儲空間。電機電壓電流模擬量處理與AD采樣模塊，電機轉(zhuǎn)子位置編碼器信號處理模塊，LVDT的驅(qū)動與信號處理模塊，實現(xiàn)對直線位移傳感器的電驅(qū)動和信號處理，作動器限位與制動模塊。
其中主電路設(shè)有智能功率模塊(IPM)PS21255作為主變流器，它將三相逆變橋及每個開關(guān)管的驅(qū)動電路和過流保護電路集成在一塊功率模塊中。
三路LEM電流傳感器，采樣A、B相電流和直流母線電流，一路LEM電壓傳感器，采樣母線電壓，6路PWM輸入和故障信號輸出接口。
系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)位置閉環(huán)控制下的交流電機矢量控制功能，并通過雙控制電路之間的通信，實現(xiàn)冗余控制策略。
以永磁同步電機為控制對象介紹位置閉環(huán)下的交流電機矢量控制程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的位置伺服指令由上位機給定，也可以由雙口RAM讀取光纖傳送過來的參考信號值。參考位置信號與實際位置進行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器計算得到速度參考信號，此信號與編碼器傳回的實際速度信號比較，經(jīng)過速度閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)器得到能夠產(chǎn)生力矩的q軸方向參考電流，d軸電流由程序預(yù)先設(shè)定，實際的電流信號由電流檢測函數(shù)得到，通過PARK變換轉(zhuǎn)換到d、q坐標下，兩個方向的電流經(jīng)過電流環(huán)的PI參數(shù)得到電壓信號。電壓矢量經(jīng)過反PARK變換轉(zhuǎn)換到靜止坐標后經(jīng)過SVPWM發(fā)生函數(shù)將得到不同的電壓矢量，即旋轉(zhuǎn)的矢量，從而使電力電子器件的橋臂交替工作，產(chǎn)生有效的三相PWM信號供給電機，使電機旋轉(zhuǎn)。矢量控制下的同步磁阻永磁電機可以得到快速的動態(tài)響應(yīng)和較準確的位置跟蹤效果。
對于直線位置控制，反饋的實際位置信號由LVDT得到，對于電機旋轉(zhuǎn)位置控制，位置反饋信號可以由編碼器信號計算得到。反饋的速度信號由編碼器信號計算得到。系統(tǒng)采用的PID控制方法是常數(shù)調(diào)節(jié)。
電機控制程序包含了對模擬采樣量的濾波功能，消除了模擬采樣量的直流偏置等誤差。濾波采用IIR低通數(shù)字濾波器，濾波器系數(shù)由MATLAB計算得到，賦值給程序中的濾波器參數(shù)變量，調(diào)用TI公司CCS仿真環(huán)境下的的濾波器頭文件filter.h，實現(xiàn)對模擬采樣量的濾波。
SCI通信程序?qū)崿F(xiàn)PC機與控制板的通信，SPI和eCAN通信程序?qū)崿F(xiàn)雙控制板之間的通信功能。這些通信程序都包含了誤差校驗功能，如果通信出現(xiàn)錯誤，相關(guān)的故障標志被置位。雙口RAM通信程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)與其他嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換功能。
電機控制程序中包含了缺相故障檢測，過流故障檢測與處理功能。
系統(tǒng)的冗余控制實際上是實現(xiàn)對故障的診斷和處理，首先判斷故障類型，是電機故障，還是通訊故障，還是控制程序故障，這些故障都會通過一個特定的標志位表征出來；進而進行相應(yīng)的中斷處理，最一般的處理是將故障機制動，另一臺電機作為主要驅(qū)動電機繼續(xù)運行，維持系統(tǒng)的正常狀態(tài)，同時應(yīng)該適當?shù)男薷膯螜C運行所需的控制參數(shù)，使系統(tǒng)依然能夠保證有高速的響應(yīng)。本文設(shè)計的雙電機冗余控制系統(tǒng)是不可修系統(tǒng)，即當系統(tǒng)的元部件故障時，不對它進行任何修理或更換，主要指在工作時發(fā)生的不可能及時修理而不是指技術(shù)上不可修理的故障。因此，系統(tǒng)滿足“故障—工作/安全”的冗余要求，一般只有在執(zhí)行一次任務(wù)后，才能系統(tǒng)地修復(fù)故障。
雙電機冗余通信軟件將兩套電機控制系統(tǒng)設(shè)置為主機和從機。正常情況下，主機通過SPI向從機發(fā)送參考速度指令，從機通過接收到的主機的參考速度后按照這個速度運行。雙機按照相同的設(shè)定參考值運行，實現(xiàn)雙機工作模式。同時兩塊控制板通過eCAN發(fā)送各自的運行狀態(tài)給對方，檢驗運行模式是否相同。如果通信故障出現(xiàn)或者eCAN檢驗雙機運行狀態(tài)出現(xiàn)錯誤，立刻制動主機，從機按照自己設(shè)置的參考值運行，系統(tǒng)切換到單機運行狀態(tài)。如果主機或者從機出現(xiàn)過流或者缺相故障，立刻制動該電機，另外一個電機按照設(shè)定狀態(tài)運行。這樣就實現(xiàn)了冗余控制。
對于異步電機和同步磁阻電機，矢量控制的策略與之類似，需要修改的是參數(shù)的設(shè)置。同時硬件系統(tǒng)還可以實現(xiàn)位置閉環(huán)和速度閉環(huán)下的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，需要修改的是，軟件中需要增加磁鏈積分計算模塊和轉(zhuǎn)矩計算模塊，SVPWM模塊由實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的方式實現(xiàn)。
由于系統(tǒng)預(yù)留了雙口RAM接口，能夠與嵌入了高一級浮點DSP的系統(tǒng)實現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交換，因此控制算法可以在浮點DSP中實現(xiàn)。
本發(fā)明結(jié)合了電力電子變換技術(shù)、現(xiàn)代電機控制理論和數(shù)字信號處理技術(shù)、通信和電子技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)，設(shè)計了一種具有較強的運算和信號處理能力、集成了豐富的通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)電機快速動態(tài)響應(yīng)和準確位置控制的雙電機冗余控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠在故障條件下實現(xiàn)雙機運行模式向單擊運行模式的切換，并且可以控制不同類型的電機。這種系統(tǒng)能夠適用于高性能高可靠性要求的運動控制系統(tǒng)，如航空航天，電動交通工具和工業(yè)伺服系統(tǒng)中。
1.以圖1、圖2、圖3、圖4和圖5說明系統(tǒng)的電氣硬件設(shè)計方式主電路板采用兩層PCB，智能功率模塊(IPM)PS21255作為主變流器，其上通過硅膠連接散熱片。6路輸入PWM通過光耦隔離后輸入IPM模塊的6路PWM輸入，直流母線輸入通過100uF電容濾波后，經(jīng)過電壓傳感器和電流傳感器1輸入IPM模塊，三相輸出中，A、B兩相通過電流傳感器2、3輸出給端子，C相直接輸出給端子。采樣的模擬量通過端子輸出。故障信號輸出接口，通知控制電路板過流故障。
控制電路板采用4層PCB，其中表層與底層為元件層和布線層，中間層1為電源層，采用分布電源方式設(shè)置+3.3V，+1.9V，+5V，+15V和-15V五種電平，中間層2為地層，設(shè)置有數(shù)字地和模擬地。
如圖2所示，控制電路板設(shè)置有一塊高性能定點DSP芯片TMS320F2812，作為主控制芯片，主頻150MHz，通過6路PWM輸出實現(xiàn)電機控制算法。
兩塊EPM7128AE型CPLD芯片，其中CPLD1控制通信功能，包括USB控制芯片CY7C68001和雙口RAM芯片IDT70V24的片選信號，SCI控制芯片MAX3160等的控制信號；CPLD2控制PWM發(fā)生和保護功能，包括保護信號輸入和從DSP輸出的PWM信號輸入后的邏輯處理，即保護信號在CPLD內(nèi)部與PWM信號相與后封鎖脈沖，同時實現(xiàn)制動功能。
一塊外部SRAM，256K，作為程序存儲空間，片選由CPLD1提供。
電源轉(zhuǎn)換模塊，通過TPS75733芯片實現(xiàn)+5V～+3.3V轉(zhuǎn)換，通過TPS76801實現(xiàn)+3.3V～+1.9V轉(zhuǎn)換。
電機電壓電流模擬量處理與AD采樣模塊，采用一級運放電壓跟隨一級運放比例調(diào)節(jié)的模式，將模擬輸入量轉(zhuǎn)換為0～3V信號輸入AD，參考電壓由穩(wěn)壓電路通過電位器輸出。
電機轉(zhuǎn)子位置編碼器信號處理模塊，由編碼器輸入的三路信號通過光耦隔離后，輸出給DSP的CAP引腳。
過流、過溫保護模塊，主電路過流信號通過光耦隔離后，通過CPLD2輸入給DSP的PDPINT管腿，實現(xiàn)封脈沖功能。過溫故障信號通過電壓比較器與參考電壓比較后輸入CPLD2，在CPLD2內(nèi)進行故障判斷，封鎖脈沖。
通信用雙口RAM接口，44管腿雙排針。提供12位地址線和16位數(shù)據(jù)線的通信接口，并且通過CPLD1設(shè)置了IDT70V24雙口RAM的控制信號，能夠與嵌入了更高一級浮點DSP芯片TMS320C6701的通信電路板實現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交換，為實現(xiàn)復(fù)雜算法的浮點運算和光纖通訊提供了硬件平臺。
USB通信模塊，由CY7C68001芯片控制USB接口。
DA轉(zhuǎn)換輸出模塊，由DAC7724芯片控制DA輸出。
CAN通信模塊，由SN65HVD230芯片控制，實現(xiàn)雙控制電路板之間的通信。
SPI通信模塊，實現(xiàn)主電路板向從電路板發(fā)送信息。
SCI通信模塊，由MAX3160芯片控制，可以通過CPLD1選擇RS232或者RS485模式。實現(xiàn)PC機與控制電路板之間的通信。
McBsp通信模塊，預(yù)留接口。
LVDT的驅(qū)動與信號處理模塊，由AD598芯片控制，實現(xiàn)對直線位移傳感器的電驅(qū)動和信號處理。AD598產(chǎn)生LVDT的激勵電壓并采集LVDT的輸出電壓，通過內(nèi)部信號處理后輸入運放電壓跟隨器，再通過比例電路轉(zhuǎn)換后輸入AD轉(zhuǎn)換接口。
直線運動限位與制動模塊，核心電路為繼電器SN75451BD，限位開關(guān)信號輸入CPLD2后進行判斷，輸出繼電器閉合信號，導(dǎo)通制動繞組實現(xiàn)電機制動。
2.以圖6、圖7、圖8和圖9說明系統(tǒng)的軟件設(shè)計圖6所示的位置閉環(huán)下的矢量控制原理已經(jīng)在“發(fā)明內(nèi)容”中介紹。代碼編寫采用的是CCS3.1環(huán)境下的C語言編寫，主程序?qū)崿F(xiàn)初始化和開中斷，由定時器中斷程序?qū)崿F(xiàn)模擬采樣轉(zhuǎn)換和事件管理器輸出。
具體的程序?qū)崿F(xiàn)如下(1)系統(tǒng)初始化(2)讀取上位機傳送的參考值(位置參考值，d軸電流參考值，調(diào)節(jié)器參數(shù)等)(3)Ia，Ib，Vdc和LVDT信號采樣進入ADC采樣通道后，調(diào)用AD采樣子程序f281xileg_vdc_pems.c，賦值給對應(yīng)變量。
(4)QEP信號進入DSP后，調(diào)用QEP計算函數(shù)F281X_EV1_QEP，得到轉(zhuǎn)子位置。
(5)調(diào)用速度計算程序，由轉(zhuǎn)子位置計算得到轉(zhuǎn)速反饋值(6)將參考位置與反饋位置輸入位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)體，調(diào)用位置PI調(diào)節(jié)子程序，得到轉(zhuǎn)速參考值(7)轉(zhuǎn)速反饋值與轉(zhuǎn)速參考值輸入速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)體，調(diào)用速度PI子程序，得到iq參考值(8)Ia，Ib輸入Clarke變換模塊，計算得到I_alpha，I_beta(9)I_alpha，I_beta和轉(zhuǎn)子位置輸入Park變換模塊，計算得到id，iq的反饋值(10)Id的反饋值與參考值輸入d軸電流調(diào)節(jié)器模塊，Iq的反饋值與參考值輸入q軸電流調(diào)節(jié)器模塊，得到Ud，Uq的參考值(11)Ud，Uq和轉(zhuǎn)子位置輸入Park逆變換模塊得到U_alpha，U_beta參考值(12)U_alpha，U_beta參考值輸入SVPWM模塊，生成6路PWM信號輸出圖7所示為雙電機冗余系統(tǒng)通信程序流程，SCI實現(xiàn)DSP與PC機之間的通信，SCI數(shù)據(jù)傳輸和交換的協(xié)議設(shè)定為數(shù)據(jù)流是以“7E”為第一個字節(jié)的一幀數(shù)據(jù)，如果接收方檢測到的第一個數(shù)據(jù)不是7E，則不是正確數(shù)據(jù)，不對其進行接收。SPI實現(xiàn)主機向從機發(fā)送指令，SPI數(shù)據(jù)傳輸和交換的協(xié)議設(shè)定為數(shù)據(jù)流是以0x8000為第一個16位長度的字為起始字節(jié)的一幀數(shù)據(jù)，如果接收方檢測到的第一個數(shù)據(jù)不是0x8000，則不是正確數(shù)據(jù)，不對其進行接收。主機SPI程序為發(fā)送程序，從機為接收程序。CAN發(fā)送程序一般采用查詢方式在寫入郵箱數(shù)據(jù)傳遞內(nèi)容后，將整個郵箱作為一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送，發(fā)送期間對總線監(jiān)聽應(yīng)答位，收到應(yīng)答位則說明數(shù)據(jù)幀已經(jīng)順利發(fā)出，對相應(yīng)寄存器復(fù)位后就可以進行下一步操作。另外SPI和eCAN通信程序中還包含校驗和，如果計算的校驗和不等于傳送過來的校驗和，表明通信出現(xiàn)故障。三種通信方式都是在EVA中斷中實現(xiàn)的。
串口程序由VC++語言編寫，如圖8所示，通過PC界面設(shè)置運行模式(速度/位置)，參考位置(正弦、脈動或者定值)，參考速度，PID參數(shù)，顯示采集的電機運行參數(shù)。
電機控制程序中包含了缺相故障檢測，過流故障檢測與處理功能，采用的算法是，如果電流值進入了某個錯誤區(qū)域，如[-0.01，0.01]或大于3倍額定電流，錯誤計數(shù)器開始計數(shù)，如果采樣值離開此區(qū)域，錯誤計數(shù)器復(fù)位為0，如果計數(shù)器累加到一定值，表示電流在錯誤值域保持了一段時間，可以判斷處于缺相或者過流狀態(tài)，錯誤標志位置位。
電機控制程序中包含了缺相故障檢測，過流故障檢測與處理功能，采用的算法是，如果電流值進入了某個錯誤區(qū)域，如[-0.01，0.01]或大于3倍額定電流，錯誤計數(shù)器開始計數(shù)，如果采樣值離開此區(qū)域，錯誤計數(shù)器復(fù)位為0，如果計數(shù)器累加到一定值，表示電流在錯誤值域保持了一段時間，可以判斷處于缺相或者過流狀態(tài)，錯誤標志位置位。
根據(jù)以上敘述的通信故障判斷方式和過流、缺相故障判斷方式，一旦判斷系統(tǒng)出現(xiàn)對應(yīng)的故障，即按照以上所敘述的冗余切換算法切換系統(tǒng)狀態(tài)。
如圖9所示，根據(jù)IDT70V24型雙口RAM的特點設(shè)計了TMS320F2812通過雙口RAM與對方DSP的通信程序。讀取雙口RAM數(shù)據(jù)的過程是首先開中斷，當對方DSP發(fā)送中斷信號時，查詢信號量，如果獲得信號量，將雙口RAM里的數(shù)據(jù)讀入相應(yīng)的變量中，然后釋放信號量，清中斷。向雙口RAM發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是首先查詢是否獲得信號量，如果獲得信號量，將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，之后釋放信號量并向雙口RAM發(fā)送中斷。之后查詢中斷是否被清除，如果未被清除繼續(xù)等待，如果已經(jīng)被清除，表面對方已經(jīng)將數(shù)據(jù)取走，返回初始狀態(tài)準備發(fā)送下一批數(shù)據(jù)。
3.以圖1、圖10說明系統(tǒng)集成方法。
圖1所示雙電機冗余控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在集成裝配時，系統(tǒng)中設(shè)置三個開關(guān)電源，兩個分別為兩個電機的控制系統(tǒng)供電，另外一個為兩個制動器供電。主電路的270V直流供電由外部交流整流后輸入。系統(tǒng)與外部的接口包括兩個光纖輸入通道，一套9芯限位開關(guān)—制動器航空插頭(與傳動箱連接)，一套7芯電機繞組航空插頭(集成兩臺電機的三相繞組)，一套12芯LVDT航空插頭(集成兩個LVDT的接線)，兩套編碼器航空插頭(集成兩個電機編碼器接線)，控制電源250VDC輸入航空插頭，主電直流輸入航空插頭。
圖10所示的是雙電機冗余控制系統(tǒng)集成后的對外接口1，2-光纖走線；3-制動器航空插頭；4-電機繞組航空插頭；5-LVDT航空插頭6，7-編碼器航空插頭(7芯)；8-控制電源250V直流輸入(小3芯航空插頭)9-主電DC輸入(大3芯航空插頭)；10-控制電源開關(guān)；11-主電開關(guān)4.圖11為采用新型同步磁阻永磁電機帶動電動作動器作為控制對象下的雙電機控制系統(tǒng)故障切換試驗結(jié)果。故障之前，系統(tǒng)按照標么幅值0.1的正弦參考位置以1Hz做直線運動，故障出現(xiàn)后，主機立即制動，速度為0，系統(tǒng)按照從機原先設(shè)定的幅值0.05的正弦參考位置以0.5Hz做直線運動，故障解除后，系統(tǒng)恢復(fù)為原先的運行狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.雙電機冗余控制系統(tǒng)，其特征在于含有控制主從模式下兩個電機的主電路、控制電路、通信電路、差動變壓器LVDT及其控制與信號處理電路各兩套，三套開關(guān)電源以及一個直流電源DC，其中(1).開關(guān)電源，其中兩套分別供應(yīng)主電路和控制電路，一套供應(yīng)所述電機的制動器；(2).控制電路，含有一個主控制DSP芯片、通信用CPLD1和PWM輸出控制和保護用的CPLD2、一個電壓電流模擬信號調(diào)理與隔離電路、一個轉(zhuǎn)子編碼器位置檢測信號的光電隔離電路以及電源轉(zhuǎn)換電路，其中(2.1).CPLD1，通過不同的接口方式與下述各模塊相連外部擴展用256KRAM芯片CY7C1041CV33，USB通信模塊CY7C68001，控制USB接口，DA轉(zhuǎn)換輸出模塊DAC7724，模擬輸出用，CAN通信模塊SN65HVD230，與相對應(yīng)的另一個控制電路通信用，SPI通信接口，與對應(yīng)的控制電路通信，SCI通信模塊MAX3160，通過RS232或者RS485方式與上位計算機通信，McBsp接口，作為預(yù)留通信接口，雙口RAM接口，與對應(yīng)的基于浮點DSP芯片TMS320C6701的通信電路板通信；(2.2).CPLD2，設(shè)有保護信號輸入端口以及工作狀態(tài)指示、PWM信號輸入與輸出端口、I/O接口、繼電器各輸入輸出信號的端口；(2.3).主控制DSP芯片TMS320F2812，設(shè)有看門狗信號輸出接口，JTAG仿真用互聯(lián)接口，EMIF接口，與CPLD1以及其控制的外部擴展RAM、雙口RAM互聯(lián)，接口SPI，SCI，eCAN、McBsp分別與CPLD1相應(yīng)接口互聯(lián)，通用I/O端口向所連CPLD2相應(yīng)的I/O端口收發(fā)信號，PWM輸出接口，向所連CPLD2輸出PWM信號，外部中斷端口，接收主電路通過光電隔離通過CPLD2發(fā)出的中斷信號；電源轉(zhuǎn)換端口；DSP設(shè)置主—從式冗余控制軟件，實現(xiàn)對系統(tǒng)的雙機冗余控制，通過雙控制電路之間的通信判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，正常狀態(tài)下從機跟隨主機運行，為主機運行模式，判斷故障出現(xiàn)后，主機實現(xiàn)制動，系統(tǒng)按從機模式運行；(2.4).光電隔離電路，輸入輸出編碼器位置檢測信號，向DSP的QEP接口輸出該檢測信號；(2.5).電壓電流模擬信號調(diào)理與隔離電路，向該主控制器輸入模擬信號，該電路采用運放實現(xiàn)電壓跟隨與比例調(diào)節(jié)；(3).差動變壓器LVDT1和LVDT2作為直線位移傳感器來控制所述電機帶動直線傳動系統(tǒng)，用芯片AD598實現(xiàn)對直線位移傳感器LVDT的控制，輸出信號通過模擬信號調(diào)理與隔離電路輸入DSP的AD輸入接口；(4).主電路，用智能功率模塊PS21255作為主變流器，集中了三相逆變橋以及每個開關(guān)管的驅(qū)動和過流保護電路，所述的直流電壓DC經(jīng)過濾波器后輸入該主電路，該主電路向所述電機發(fā)出三相PWM電壓，該主電路的三相電流和直流母線電壓電流信號經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給控制電路；該主電路從控制電路接收應(yīng)用了位置閉環(huán)下矢量控制策略的PWM信號實現(xiàn)三相逆變，反饋位置由LVDT測量得到或者通過光電編碼器計算得到。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它采用了基于高性能DSP芯片的數(shù)字信號處理系統(tǒng)和基于智能功率模塊的變流系統(tǒng)，利用SCI接口與PC機通信，通過雙口RAM接口與其他嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信；它嵌入了高精度的直線位移傳感器控制系統(tǒng)檢測直線位移；它應(yīng)用了交流電機位置閉環(huán)下的矢量控制策略；它應(yīng)用了雙電機雙控制系統(tǒng)模式，通過雙機通信檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過電流和通信故障的診斷，實現(xiàn)在故障狀態(tài)下由雙機運行模式切換到單擊運行模式，實現(xiàn)了冗余控制；它實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成裝配。這套系統(tǒng)具有電機控制功能強，通信功能豐富、擴展性強、可靠性高等優(yōu)點。
文檔編號G05D3/00GK101017366SQ200610164920
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者蔣棟, 趙爭鳴, 郭偉, 王世靜, 孫曉瑛 申請人:清華大學