一種非相似余度位置信號檢測技術

劉文虎 鄭繼敏 文軍

【摘? 要】針對新一代航空航天飛行器電動伺服系統在強容錯性、高可靠性等方面的要求，基于現有雙冗余技術基礎上，提出了一種電動伺服系統非相似余度位置信號檢測方法。簡要介紹了電動伺服系統原理，詳細闡述了雙冗余傳感器技術、硬件設計及軟件設計，并完成驗證試驗。試驗結果表明，該方法能有效提升電動伺服系統的容錯能力和可靠性，具有一定的推廣應用價值。

【關鍵詞】電動伺服系統;非相似余度;容錯

引言

近年來，隨著機械、電子、材料及控制理論等學科的快速發展，電動伺服系統在動態響應、高功重、長航時等方面具有明顯優勢，在航空航天工業領域得到廣泛應用。電動伺服系統主要是有控制器、執行機構和工作軟件組成的一類反饋控制系統，是機電一體化集成先進產品，其作為航空航天飛行器控制系統的執行機構，需實時采集舵面偏轉角作為反饋信號進行閉環控制，從而控制導彈的飛行姿態。采用傳感器實現對電動伺服系統輸出的位置、力矩的檢測，將檢測信號用于系統閉環控制，基于傳感器的位置信號檢測作為伺服系統設計技術的重要部分，其性能、可靠性直接影響航空航天飛行器的系統精度。

當前電動伺服系統在基于傳感器的位置信號檢測冗余設計上主要采用串聯式雙余度、并聯式雙余度及雙機并行工作等方式，為相似余度系統，當出現傳感器軟件設計、硬件設計、通信干擾等共態故障、通信異常等故障時，仍無法避免控制系統出現嚴重故障[3]。為滿足新一代航空航天飛行器電動伺服系統的強容錯性、高可靠要求，本文提出了一種電動伺服系統非相似余度位置信號檢測方法，表述的雙冗余傳感器高度融合磁敏式的數字式傳感器和接觸式導電塑料電位計設計技術，在檢測信號輸出方面采用雙DSP冗余設計完成對兩類傳感器輸出的數字和模擬信號采集，實現了位置信號檢測的非相似余度設計，消除共態故障和設計錯誤對控制系統帶來的影響，進一步提升電動伺服系統的容錯性、可靠性。

1.電動伺服系統原理

電動伺服系統由硬件和軟件部分組成，硬件部分包括控制器、執行機構和電纜，工作軟件裝載于控制器的數字信號處理器（DSP）電路?？刂破麟娐方邮诊w行器控制裝置發出的指令信號，位置傳感器輸出的位置反饋信號經信號處理電路，根據采集到的指令數據和反饋數據進行綜合解算后形成控制信號，數字信號處理器輸出控制信號到電機驅動電路，電機驅動電路綜合控制信號、電機霍爾輸出信號進行綜合邏輯解算，驅動伺服電機按一定規律轉動輸出，伺服電機通過減速器減速后帶動操縱機構偏轉，產生控制力矩，進而改變飛行器的飛行姿態。電動伺服系統的工作原理見圖1。

2.非相似余度傳感器技術

為滿足高可靠性要求，為避免傳感器可能出現的軟件、硬件設計等共態缺陷，位置傳感器采用非相似余度設計技術，將磁敏式的數字傳感器和接觸式導電塑料電位計進行串行設計，在檢測信號輸出方面采用數字信號和模擬信號兩種方式，非相似余度傳感器的組成如圖2所示，傳感器的三維外形如圖3所示。

接觸式傳感器采用精密導電塑料傳感器，是一種具有精確電子、機械輸出的高精密電位器，具有線性精度高、旋轉壽命長、平滑性和分辨率優等特點，作為傳統類型傳感器在軍用、民用工業領域得到廣泛應用。精密導電塑料傳感器主要由轉軸、簧片、基體等組成，其工作原理為：當轉軸旋轉時帶動簧片在導電軌上滑動，通過引線獲得可變電壓或電阻輸出。

數字式傳感器是利用霍爾效應設計的傳感器，由于該類型傳感器具有可靠性高、測角范圍廣等特點，近年來在航空航天飛行器上得到廣泛采用。該傳感器的主體部件為霍爾感應芯片和磁鐵，再通過外圍電路實現機械旋轉信號到電信號的轉換，并通過CAN總線接口輸出。在芯片內部有兩對傳統平面霍爾元件（圖4中藍色區域），這兩對霍爾元件相互正交;還有一個集磁片IMC（圖4中黃色區域）。

B//將在BX//和BY//兩個分量方向上分別測量，芯片通過IMC集磁片將這兩個平行于芯片表面的分量變換為與之成正比的兩個垂直方向上的分量（分別為BX⊥和BY⊥），再通過芯片中可以感應垂直方向磁場的傳統平面霍爾元件，來測量產生的這兩個垂直分量（BX⊥和BY⊥）。在芯片上方放置一顆徑向磁化的磁鐵，該磁鐵產生平行于芯片表面的磁場B//。當磁鐵在芯片表面轉動時， 芯片傳感器部分將產生兩個正交的差分信號（如圖5所示），通過一個差分的全模擬處理鏈進行處理，經過處理的模擬信號由ADC轉換為數字信號輸出給微處理器模塊，該模塊將兩個原始的霍爾信號用式（1）計算出角度位置信號：

微處理器根據計算得到的角度數據，再經過處理，以CAN總線數據格式輸出。

3.冗余檢測技術

3.1雙DSP冗余技術

雙DSP冗余技術采用并聯冗余方式，在系統控制上設置主DSP和從DSP兩個數字信號處理器， 主DSP與從DSP分別接受數字信號和模擬信號，針對數字信號和模擬信號采用不同的接收處理程序，分別完成位置信號等效轉換。在正常情況下，即為主DSP正常工作的情況下，系統采用主DSP接收數字傳感器反饋的數字信號，用于系統控制。在系統控制電上電后主DSP和從DSP均需要自檢和互檢，當系統工作過程中主DSP出現故障時，迅速切換到從DSP進行系統控制。

針對數字式傳感器信號的傳輸，通常采用SPI、I2C和CAN等數字通信接口，CAN總線具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強，成本低等優點，同時使用CAN總線開發的器件使用簡單。本文數字傳感器采用的CAN總線通信方式。針對模擬式傳感器信號的傳輸，本文使用DSP外掛A/D轉換電路，可以直接對-10V～+10V模擬量信號進行采集處理。

系統的硬件原理框圖見圖6。

本文采用的雙DSP冗余技術為熱備份結構，當主DSP正常工作時，從DSP處于備份狀態，隨時監控主DSP的工作情況，一旦主DSP出現故障，立即切換到從DSP，相比單機運行系統的可靠度RS，雙DSP冗余系統的可靠度RD：

假設單機運行系統的可靠度RS=0.95，則雙DSP系統的可靠度RD =0.9975，系統可靠性得到較大提高。

3.2冗余切換技術

冗余檢測技術的關鍵在于主從DSP的同步性、故障檢測的實時性及冗余切換設計上，算法設計主要由數據接收采集、CPU同步、數據交互以及故障檢測模塊，系統運行見圖7，硬件系統上電完成后，主從DSP各自完成上電初始化和系統自檢，若自檢正常則進行進行數據采集，完成數據采集后主從DSP進行CPU同步和數據交互，然后進行主從DSP互檢，根據互檢結果確定是否進行冗余切換，冗余切換流程見圖8。

4.驗證情況

系統正常工作的情況下，主從DSP和系統輸出情況如見圖9，主從DSP和系統輸出基本一致，誤差較小，自檢和互檢均無故障，系統以主DSP進行控制，無需冗余切換。

當系統數字傳感器、數字通信鏈路或主DSP異常時，主DSP采集到的數據出現跳變，主從DSP和系統輸出情況如見圖10，系統切換到從DSP進行工作，保證系統正常工作。

5.結論

本文針對電動伺服系統在強容錯性、高可靠性等方面的要求，提出了一種電動伺服系統非相似余度位置信號檢測方法，能對DSP、位置傳感器、信號傳輸電路進行檢測和故障判斷，該系統具有較好的容錯能力，可保證系統連續可靠工作。

參考文獻

[1]肖鵬斌.談雙余度電動舵機的余度策略及工程實現[J].工業科技， 2016（04）.

[2]張曉紅，丁喆，張安年. 雙冗余無刷直流電動機位置伺服系統仿真與試驗分析[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28（18）： 98-103.

[3]王敬.民用飛機余度作動系統可靠性研究[D].中國民航大學， 2012.