作者：顏松禎 ， 程俊強 ， 楊菊平

? ? ? ?引言

　　電液伺服系統是大型控制系統的執行機構，它的工作原理是根據控制系統的指令信號，通過電液伺服控制器來控制電液伺服閥的開度，進而控制油缸活塞的位置，來驅動執行機構，在工業領域有著廣泛的應用。電液伺服控制器是電液伺服系統的重要組成部分，是完成各種伺服控制算法，實現電液伺服系統實時運動控制的關鍵。對于有較高可靠性要求的電液伺服系統，單純提高電子元器件的可靠性是遠遠不能達到要求的，必須采用余度方式。余度方式就是利用硬件或軟件冗余提高系統運行可靠性的一種方法，這種方法雖然會降低系統的基本可靠性，但能夠達到提高系統的任務可靠性的目的。

　　1 系統架構

　　1.1 系統組成

　　電液伺服系統組成如圖1所示。電液伺服系統由控制器、液壓功率驅動裝置（PDU）、旋轉作動器（GAR）、機械組件和相應傳感器構成。控制器和PDU為電氣連接;PDU和GAR為機械連接。PDU和GAR中各包含一個角位移傳感器（RVDT），用于測量PDU和GAR的旋轉角度，由于 PDU和GAR為同軸連接，其旋轉角度理論上完全一致，故這兩個RVDT也用于互比監控。P DU中包含一個測速傳感器，用于監控系統是否超速運行。GAR的機械組件上設置有超行程微動開關，用于檢測GAR是否超過設定的旋轉角度。

　　控制器根據控制曲線對GAR進行控制，在GAR運動過程中通過PDU和GAR上的RVDT檢測運動角度。當GAR偏轉到設定的減速角度時，控制器根據該反饋信號減少指令輸出;當GAR偏轉到設定的停止角度時，控制器根據該反饋信號停止指令輸出。

　　1.2 雙余度方案選擇

　　對于雙余度系統，一般包括簡單獨立雙余度、基于交叉增強的獨立雙余度和基于模型監控的獨立雙余度三種構型。三種雙余度構型示意見圖2、三種雙余度構型對比見表1。

　　1）簡單獨立雙余度系統結構依靠自身硬件的自監控策略，故障檢測覆蓋率小于1，因此其不適用于安全關鍵系統，但采用松耦合方式，較高的系統可用性而適用于任務系統。因其硬件資源消耗最少，其基本可靠性也是最高的，通過對輸入環節、控制解算環節和輸出環節進行完善的自監控及BIT設計，仍然可以使故障檢測覆蓋率接近于1;

　　2）基于交叉增強的獨立雙余度系統結構依靠交叉增強互比結合自監控電路可達到較高的故障檢測率，但硬件電路需成倍增加，基本可靠性降低，同時也增加了經濟成本，在重量、體積等也要作出相應犧牲，其單通道故障檢測覆蓋率隨冗余硬件的增加會增加。

　　3）基于模型監控的獨立雙余度系統結構是在簡單獨立雙余度容錯結構的基礎上增加模型監控，而模型監控依靠精確模型可對系統全過程參數進行擇點監控，提高單通道的故障檢測覆蓋率。精確模型的建立則需要花費較高的代價，必須通過理論計算并結合試驗來完成。

　　根據以上要求及考慮，針對控制器可靠性需求和系統的余度配置策略，控制器采用如下的系統結構：

　　1）采用簡單獨立雙余度容錯體系結構，實現系統一次故障工作;

　　2）采取完善的軟硬件白監控和BIT設計，提高單通道故障檢測覆蓋率;

　　3）采用熱備份的主/備工作方式，提高系統的可用性。

　　2 控制器設計

　　控制器原理框圖見圖3，采用簡單獨立雙余度構型。每臺控制器機箱內包含2個相似余度通道，采用主/備式松耦合的工作方式，備份形式為熱備份，運行相同軟件。通道內處理器模塊通過局部總線訪問接口模塊。

　　每個通道的組成圖見圖4，包括主控組件、接口組件和電源組件。

　　主控組件完成指令接收、控制律解算、通道故障邏輯和BIT等工作;接口組件完成信號調理、信號隔離、V/I轉換和指令輸出等工作;電源模塊將外部供電轉換為控制器內部使用的5 V、±15 V和7V/1800Hz等二次電源。

　　主控組件采用高性能DSP芯片TMS320C6415作為核心處理器，該處理器是高性能的定點DSP，可用于復雜控制算法和數據處理算法的實現;本控制器設置DSP主頻為480 MHz;接口組件中，模擬量通過求差比例變換、濾波等處理后進行A/D轉換，通過精密壓控電流源電路，輸出-20mA～+20mA直流電流控制PDU的伺服閥的開閉程度;電源組件由+5VDC功率轉換單元、者±15VDC功率轉換單元、1800Hz信號發生器、1800Hz AC功率轉換單元等幾個功能單元組成。

　　3 余度管理策略

　　3.1 故障管理

　　故障綜合是將整個系統所發生的全部故障（包括各功能單元的瞬態故障及永久故障）逐一進行分類、登記，并根據預先制定的綜合準則，實施申報等級的劃分與顯示方案的處理。故障按照嚴重程度可分為一般故障和嚴重故障，按照時間特性可分為瞬時故障和永久故障。

　　針對永久和瞬時故障的特點設計相應故障過濾器。故障過濾采用上下限計數方法，故障過濾的參數包括故障門限和每次故障采樣時間（監控器監控速率）。當故障數小于門限值時，將故障狀況進行綜合后進行記錄，同時繼續監控原故障點，不進行通道切換。當故障數超過門限時，瞬態故障變為永久故障，此時按照預先設置的故障嚴重程度分類，當此永久故障為一般故障時，將故障狀況進行綜合后進行記錄并上報，不進行通道切換;當此永久故障為嚴重故障時，立即進行通道切換操作，然后將故障狀況進行綜合后進行記錄并上報;如果切換后依然存在嚴重故障，則備份通道也切斷輸出，控制器僅保留監測通訊功能。

　　3.2 通道故障邏輯

　　控制器的主/備通道都有通道故障邏輯電路，各通道的通道故障邏輯根據本地通道狀態輸出控制器的狀態信息，用于接通/切斷控制器。控制器的通道故障邏輯如圖5。

　　通過對軟件自監控信號、硬件監控信號、看門狗信號和另一通道有效信號的邏輯綜合處理，可以得出目前本通道的狀態，有效的通道將控制系統運行。通道故障邏輯設計切換為單向：當主通道有效時，由主通道控制系統運行;當主通道失效，切換到備份通道，由備份通道控制系統運行，期間即使主通道故障消失也不能再取得系統控制權。

　　3.3 工作模式

　　控制器包含正常工作模式和故障工作模式。

　　3.3.1 正常工作模式

　　正常工作模式下，系統由控制器主通道進行控制，控制器備份通道處于熱備份隨動狀態。

　　3.3.2 故障工作模式

　　故障工作模式包括：電氣一次故障工作模式，電氣兩次故障安全模式和超行程故障安全模式。

　　電氣一次故障工作模式：系統為雙余度配置，控制器由主通道進行輸出控制，當出現一次電氣故障時，控制器將故障通道隔離，由正常的通道進行控制，可以保證產品仍能正常工作且性能不下降。

　　電氣兩次故障安全模式：當產品出現兩次電氣故障，控制器切斷電磁閥供電，將PDU的供油切斷，使PDU的制動器將液壓馬達輸出端制動，進而將GAR保持在當前位置。

　　超行程故障安全模式：當GAR偏轉角度超出設置行程時，超行程告警開關觸發并發出告警信號，控制器根據該信號切斷電磁閥、伺服閥控制信號，將PDU的供油切斷，使PDU的制動器將液壓馬達輸出端制動，進而將GAR保持在當前位置。

　　4 測試數據與分析

　　控制器在主通道和備份通道分別控制系統運轉時，輸出指令為-2mA、-5mA、-10mA、2mA、5mA和10mA時，在實驗室測試的數據見表2。

　　由于PDU的伺服閥存在零位偏移，可以看出正向轉動速度要快于反向轉動速度，在小電流情況下尤為明顯。從試驗結果可以看出，主通道和備份通道分別控制系統運轉時，GAR全行程時間一致，說明控制器在一次故障情況下可以保證產品仍能正常工作且性能不下降。

　　5 結論

　　結合電液伺服系統的特點，提出一種以數字信號處理器TMS320C6415為核心的雙余度電液伺服控制器，實現系統控制、監控和故障管理等任務。基于通道故障邏輯的主/備工作方式，實現了一次故障工作、二次故障安全的目標，提高了系統的可靠性和安全性，適用于對可靠性和安全性要求較高的場合。

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