伺服控制器及其冗余管理方法技术

本发明专利技术提供了一种伺服控制器及其冗余管理方法，包括电源板、控制板和驱动板；所述电源板、控制板和驱动板通过内部的连接器完成电气联接；该伺服控制器对外通过外部连接器与控制电源、功率电源、位置传感器、旋转编码器以及伺服电机相连接；该伺服控制器在硬件层面上为全电气冗余，在任务阶段对系统级故障进行故障识别和故障剥离。本发明专利技术伺服控制器实现了全电气冗余，有效提升了产品的任务可靠性，使产品可以在高可靠的工况下进行工作。以在高可靠的工况下进行工作。以在高可靠的工况下进行工作。

【技术实现步骤摘要】
伺服控制器及其冗余管理方法


[0001]本专利技术涉及机电伺服系统的
，具体地，涉及一种伺服控制器及其冗余管理方法，尤其是，优选的涉及一种高可靠伺服控制器及其冗余设计方法。

技术介绍

[0002]机电伺服系统广泛应用于陆地武器、舰载武器、航天等军用及民用领域。随着数字机电伺服控制系统的功能逐渐丰富，应用领域也在不断拓广，在某些对可靠性有着较高要求的工作场合，产品的可靠性成为了技术的关键点。传统的单余度技术已经难以达到苛刻的可靠性指标要求，因此多余度控制技术为解决产品可靠度提供了有效途径。
[0003]伺服控制驱动器(以下简称伺服控制器)是机电伺服系统的核心控制单元，主要用于机电伺服机构的位置控制。控制器主要由电源板、控制板、功率驱动板、控制器壳体及接插件组成，具有与电源转换(DC/DC)、上位机通讯、信号采样、伺服控制算法实现、功率驱动等功能。DC/DC表示直流转直流。
[0004]公开号为CN217608134U的中国技术专利文献公开了一种伺服控制器。该伺服控制器包括：功率板、控制板以及接口板，控制板安装于功率板的一侧并与功率板平行设置，控制板与功率板电连接，控制板用于连接电源线；接口板安装于控制板背离功率板的一侧并与控制板平行设置，接口板与控制板电连接，接口板用于连接信号线。
[0005]针对上述中的相关技术，专利技术人认为由于伺服控制器涉及的电路部分较多，信号之间的胶联情况严重，因此目前具备冗余性能的伺服控制器的多数在部分关键位置采用冗余设计，例如通信冗余、供电冗余等。在此种情况下，伺服控制器本身仍存在较多的单点，且依赖上级系统的故障判断和吸收，不仅使自身的可靠度较差，此外也给上级系统造成了较大的工作压力。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种伺服控制器及其冗余管理方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种伺服控制器，包括电源板、控制板和驱动板；
[0008]所述电源板、控制板和驱动板通过内部的连接器完成电气联接；
[0009]该伺服控制器对外通过外部连接器与控制电源、功率电源、位置传感器、旋转编码器以及伺服电机相连接；
[0010]该伺服控制器在硬件层面上为全电气冗余，在任务阶段对系统级故障进行故障识别和故障剥离。
[0011]优选的，所述电源板采用独立多冗余的硬件方式，扩大电源板的输出裕量；
[0012]所述控制板采用多冗余热备份加监控的冗余方式，由伺服控制器在闭环周期中进行故障诊断与故障剥离，且二度故障后进行故障剥离；
[0013]所述驱动板采用双冗余加三相四桥臂的驱动方式，关闭故障驱动的输出使能并剥
离故障驱动回路。
[0014]优选的，所述电源板采用多冗余热备份的方式，所述电源板包括多路独立的电源模块，每路电源模块包括熔断器、EMI滤波器和电源转换模块，多路电源模块的输出通过分别串接二极管后并接输出；
[0015]每个所述熔断器的一端分别串接控制母线；
[0016]所述熔断器的另一端连接EMI滤波器的一端；
[0017]所述EMI滤波器的一端连接电源转换模块；
[0018]所述电源转换模块对控制母线进行电压转换；
[0019]所述电源转换模块分别连接二极管后并联输出。
[0020]优选的，所述控制板采用多冗余热备份和监控的冗余方式，其中，多冗余热备份部分为多路控制回路，完成伺服电机的闭环控制；监控作为监控机，在系统故障降级时为系统提供表决策略的硬件基础；
[0021]所述控制板包括多路FPGA芯片、多路DSP芯片、多路模数转换芯片以及多路接口芯片，构成硬件冗余构型；
[0022]所述硬件冗余构型包含多路控制功能通道和FPGA监控通道；在控制周期内同一时间由当班机进行输出，其他控制通路进行运算和故障诊断。
[0023]优选的，所述接口芯片包括通信解析模块，所述模数转换芯片包括AD采集模块；
[0024]所述控制板还包含多路旋转变压器解析模块；
[0025]所述通信解析模块、AD采集模块、旋转变压器解析模块、DSP芯片和FPGA芯片构成单通道控制电路；
[0026]所述通信解析模块解析上位机发送的控制指令；
[0027]所述AD采集模块将伺服机构位置、电压和三相电流转换为数字量；
[0028]所述旋转变压器解析模块将旋转变压器输出值转换为数字量；
[0029]当前所述FPGA芯片获取接口芯片解析的控制指令、获取AD采集模块的数字量、获取旋转变压器解析模块的数字量、与其余FPGA芯片之间的故障诊断信号、与其余FPGA芯片之间的心跳信号、当前DSP芯片的心跳信号；
[0030]所述DSP芯片根据FPGA芯片获取的控制指令、伺服机构位置信息和伺服机构角速度信息进行解算得到SVPWM信号和遥测数据；
[0031]所述FPGA芯片内写入SVPWM信号和遥测数据；
[0032]所述FPGA芯片根据故障诊断结果确定当班FPGA芯片，并由当班FPGA芯片输出处理后的SVPWM信号。
[0033]优选的，所述驱动板包括驱动模块；所述驱动模块的驱动芯片采用双冗余方式，默认状态为主备份驱动的母线继电器处于开启状态，驱动芯片使能打开，接收PWM信号驱动第一路绕组和第二路绕组；在其中一路绕组或驱动模块发生故障时停止故障路PWM输入、关闭故障路驱动模块使能端、关闭故障路母线继电器。
[0034]优选的，所述FPGA芯片作为MCU负责每一独立控制回路的信息收集与转移，以及每一独立控制回路的外围电路的时序控制，同时通过硬线心跳检测其余路FPGA芯片的工作状况并通过CCDL板间通信获取其余回路的关键控制信息；监控机为FPGA芯片电路，获取多冗余机的心跳和关键参数；
[0035]所述控制板的硬件电路支持三机模式、双机加监控机模式以及单机模式。
[0036]根据本专利技术提供的一种伺服控制器冗余管理方法，应用伺服控制器，包括如下步骤：
[0037]初始化步骤：伺服控制器上电首先进行初始化工作，对多路FPGA进行身份写入和状态自检，初始化正常后程序会输出初始化正常标志位，伺服控制器转入运行步骤；
[0038]运行步骤：伺服控制器进入正常的运行步骤时，由多机进行数据交换和逻辑判定，由默认机作为当班机进行输出；出现故障时，伺服控制器自身进行检测、判断和软硬件重构，并输出故障标志位，伺服控制器转入重构步骤；
[0039]重构步骤：伺服控制器根据故障的发生位置和发生次数进行冗余逻辑重构，控制组件的故障通过多机和监控机的表决来切断故障通道进行重构，驱动组件的故障由当班机切除故障并进行重构，并记录故障次数。
[0040]优选的，所述运行步骤包括如下步骤：
[0041]通道内自检步骤：利用通道内FPGA结合硬件保护电路自行判定状态；当数据异常时，如果该通道内FPGA的状态位正常，则认为FPGA判定结果可信；如果FPGA心跳功能不正常或CC本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种伺服控制器，其特征在于，包括电源板、控制板和驱动板；所述电源板、控制板和驱动板通过内部的连接器完成电气联接；该伺服控制器对外通过外部连接器与控制电源、功率电源、位置传感器、旋转编码器以及伺服电机相连接；该伺服控制器在硬件层面上为全电气冗余，在任务阶段对系统级故障进行故障识别和故障剥离。2.根据权利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述电源板采用独立多冗余的硬件方式，扩大电源板的输出裕量；所述控制板采用多冗余热备份加监控的冗余方式，由伺服控制器在闭环周期中进行故障诊断与故障剥离，且二度故障后进行故障剥离；所述驱动板采用双冗余加三相四桥臂的驱动方式，关闭故障驱动的输出使能并剥离故障驱动回路。3.根据权利要求2所述的伺服控制器，其特征在于，所述电源板采用多冗余热备份的方式，所述电源板包括多路独立的电源模块，每路电源模块包括熔断器、EMI滤波器和电源转换模块，多路电源模块的输出通过分别串接二极管后并接输出；每个所述熔断器的一端分别串接控制母线；所述熔断器的另一端连接EMI滤波器的一端；所述EMI滤波器的一端连接电源转换模块；所述电源转换模块对控制母线进行电压转换；所述电源转换模块分别连接二极管后并联输出。4.根据权利要求2所述的伺服控制器，其特征在于，所述控制板采用多冗余热备份和监控的冗余方式，其中，多冗余热备份部分为多路控制回路，完成伺服电机的闭环控制；监控作为监控机，在系统故障降级时为系统提供表决策略的硬件基础；所述控制板包括多路FPGA芯片、多路DSP芯片、多路模数转换芯片以及多路接口芯片，构成硬件冗余构型；所述硬件冗余构型包含多路控制功能通道和FPGA监控通道；在控制周期内同一时间由当班机进行输出，其他控制通路进行运算和故障诊断。5.根据权利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述接口芯片包括通信解析模块，所述模数转换芯片包括AD采集模块；所述控制板还包含多路旋转变压器解析模块；所述通信解析模块、AD采集模块、旋转变压器解析模块、DSP芯片和FPGA芯片构成单通道控制电路；所述通信解析模块解析上位机发送的控制指令；所述AD采集模块将伺服机构位置、电压和三相电流转换为数字量；所述旋转变压器解析模块将旋转变压器输出值转换为数字量；当前所述FPGA芯片获取接口芯片解析的控制指令、获取AD采集模块的数字量、获取旋转变压器解析模块的数字量、与其余FPGA芯片之间的故障诊断信号、与其余FPGA芯片之间的心跳信号、当前DSP芯片的心跳信号；所述DSP芯片根据FPGA芯片获取的控制指令、伺服机构位置信息和伺服机构角速度信
息进行解算得到SVPWM信号和遥测数据；所述FPGA芯片内写入SVPWM信号和遥测数据；所述FPGA芯片根据故障诊断结果确定当班FPGA芯片，并由当班FPGA芯片输出处理后的SVPWM信号。6.根据权利要求2所述的伺服控制器，其特征在于，所述驱动板包括驱动模块；所述驱动模块的驱动芯片采用双冗余方式，默认状态为主备份驱动的母线继电器处于开启状态，驱动芯片使能打开，接收PWM信号驱动第一路绕组和第二路绕组；在其中一路绕组或驱动模块发生故障时停止故障路...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡翔宇，冯伟，刘听政，顾大维，王尧尧，姚尧，牟筱宁，罗衍濮，于戈，宋树伟，陈树恒，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：