双电机冗余控制系统技术方案

本发明专利技术属于电力电子应用技术领域，其特征在于：它采用了基于高性能ＤＳＰ芯片的数字信号处理系统和基于智能功率模块的变流系统，利用ＳＣＩ接口与ＰＣ机通信，通过双口ＲＡＭ接口与其他嵌入式系统进行数据通信；它嵌入了高精度的直线位移传感器控制系统检测直线位移；它应用了交流电机位置闭环下的矢量控制策略；它应用了双电机双控制系统模式，通过双机通信检测系统运行状态，通过电流和通信故障的诊断，实现在故障状态下由双机运行模式切换到单击运行模式，实现了冗余控制；它实现了系统的集成装配。这套系统具有电机控制功能强，通信功能丰富、扩展性强、可靠性高等优点。

Redundancy control system for dual motors

The invention belongs to the technical field of power electronics applications, which is characterized in that it adopts digital signal processing system based on high performance DSP chip and intelligent power module flow system based on variable, using SCI interface and PC communication, data communication through dual port RAM interface and other embedded systems; it embedded control system testing the linear displacement of linear displacement sensor with high precision; it uses AC motor position closed-loop control under the strategy; it applies dual motor control system through the communication mode, running state detection system, the current diagnosis and communication failures, realized in fault condition by double click operation mode switch to run mode, implementation the redundant control; it realizes the integrated assembly system. The system has the advantages of strong motor control function, rich communication function, strong expansibility and high reliability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及在复杂条件下，设计一种具有冗余的双电机控制系统，满足高性能电气传动中对于故障条件下仍然可靠运行的要求，属于电力电子与电机控制系统的应用领域。
技术介绍
现代复杂条件下的运动控制系统中，如何提高系统的可靠性，即保证在故障情况下仍然能够维持系统工作是一个很重要的问题。增加系统的冗余性是提高系统可靠性的一个主要方法，即在运动控制系统中设置两台电机作为驱动电机，实现位置伺服控制，当检测到一台电机出现故障时，将系统切换到单机运行模式，实现可靠性的提高。增加了冗余的双电机控制系统即是为了实现这种功能设计的，它的硬件结构核心是电机的电力电子变换器和DSP控制系统，而软件结构的核心是电机的控制算法。双电机冗余控制系统是集成了电机—电力电子—控制—通信的一个复杂系统。双电机冗余控制系统的技术难点是如何判断和仲裁故障，并在故障情况下保证系统的正常运行，如何实现双电机系统的通信和系统功能扩展。双电机控制系统一般应用在比较复杂的环境中，可能出现的故障需要检测和判断，为了实现这些功能，需要在控制系统设置相应的信号采集功能并且设计故障判断算法。故障出现后，需要设计功能切换算法。为了保证双电机控制系统的故障检测和功能切换，需要在独立电力控制系统之间设计相关的通信功能。为了实现更加复杂的算法，需要设计控制系统与高一级嵌入式系统的通信接口。国外在双电机冗余控制系统的研究上已经取得了一些成果，并将其应用在飞行器控制等领域。国内这方面还处于起步阶段，控制系统的运算能力和通信能力都比较弱，而且主要用于控制无刷直流电机等特定的电机，难以实现通用化的控制，在冗余性算法的设计上需要改进。设计具有比较强的运算能力，集成了丰富的通信功能并且能够适用于多种电机的双电机冗余控制系统的设计具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术致力于设计一种具有较强的运算和信号处理能力、集成了丰富的通信接口功能、能够实现双电机控制系统之间多种通信和故障检测功能并且能够在故障状态下实现双机运行状态向单机运行状态的双电机冗余控制系统。该系统实现了电力电子和电机控制系统的集成，并且能够适用于不同类型的交流电机位置伺服控制。本专利技术的特征在于含有控制主从模式下两个电机的主电路、控制电路、通信电路、差动变压器LVDT及其控制与信号处理电路各两套，三套开关电源以及一个直流电源DC，其中(1).开关电源，其中两套分别供应主电路和控制电路，一套供应所述电机的制动器；(2).控制电路，含有一个主控制DSP芯片、通信用CPLD1和PWM输出控制和保护用的CPLD2、一个电压电流模拟信号调理与隔离电路、一个转子编码器位置检测信号的光电隔离电路以及电源转换电路，其中(2.1).CPLD1，通过不同的接口方式与下述各模块相连外部扩展用256KRAM芯片CY7C1041CV33，USB通信模块CY7C68001，控制USB接口，DA转换输出模块DAC7724，模拟输出用，CAN通信模块SN65HVD230，与相对应的另一个控制电路通信用，SPI通信接口，与对应的控制电路通信，SCI通信模块MAX3160，通过RS232或者RS485方式与上位计算机通信，McBsp接口，作为预留通信接口，双口RAM接口，与对应的基于浮点DSP芯片TMS320C6701的通信电路板通信；(2.2).CPLD2，设有保护信号输入端口以及工作状态指示、PWM信号输入与输出端口、I/O接口、继电器各输入输出信号的端口；(2.3).主控制DSP芯片TMS320F2812，设有看门狗信号输出接口，JTAG仿真用互联接口，EMIF接口，与CPLD1以及其控制的外部扩展RAM、双口RAM互联，接口SPI，SCI，eCAN、McBsp分别与CPLD1相应接口互联，通用I/O端口向所连CPLD2相应的I/O端口收发信号，PWM输出接口，向所连CPLD2输出PWM信号，外部中断端口，接收主电路通过光电隔离通过CPLD2发出的中断信号；电源转换端口； DSP设置主—从式冗余控制软件，实现对系统的双机冗余控制，通过双控制电路之间的通信判断系统工作状态，正常状态下从机跟随主机运行，为主机运行模式，判断故障出现后，主机实现制动，系统按从机模式运行；(2.4).光电隔离电路，输入输出编码器位置检测信号，向DSP的QEP接口输出该检测信号；(2.5).电压电流模拟信号调理与隔离电路，向该主控制器输入模拟信号，该电路采用运放实现电压跟随与比例调节；(3).差动变压器LVDT1和LVDT2作为直线位移传感器来控制所述电机带动直线传动系统，用芯片AD598实现对直线位移传感器LVDT的控制，输出信号通过模拟信号调理与隔离电路输入DSP的AD输入接口；(4).主电路，用智能功率模块PS21255作为主变流器，集中了三相逆变桥以及每个开关管的驱动和过流保护电路，所述的直流电压DC经过滤波器后输入该主电路，该主电路向所述电机发出三相PWM电压，该主电路的三相电流和直流母线电压电流信号经过霍尔传感器转换为模拟信号输出给控制电路；该主电路从控制电路接收应用了位置闭环下矢量控制策略的PWM信号实现三相逆变，反馈位置由LVDT测量得到或者通过光电编码器计算得到。本专利技术具有电机控制功能强、通信功能丰富、扩展性好和可靠性高的优点。附图说明1、双电机冗余控制系统总体结构系统包括了电源模块，两套主电路板，两块控制电路板，并且可以通过双口RAM接口与两块包含了光纤接口的高级嵌入式系统连接。电源模块为电路板供电，DC主电输入主电路板，在控制电路板输入的PWM信号驱动下逆变为三相交流电输出。LVDT和编码器检测得到的位置信号以及主电路采样得到的电压电流信号输入控制电路板。2、控制电路板结构与功能分布包括了核心的DSP芯片TMS320F2812，外部RAM，电源模块，看门狗复位模块，控制通信的CPLD1以及主要的通信模块，控制PWM和保护的CPLD2以及PWM输出模块。3、电压电流转换与采样电路4、LVDT的原理图 LVDT实际上是一个差动变压器，位移反映在拉杆(金属芯)上。原边通过AD598芯片产生高频激励电压激励变压器原边，变压器副边中点接地，而两端的电压VA和VB由金属芯在LVDT内不同的位置决定。VA和VB输入AD598后，经过运算VA-VBVA+VB,]]>转换为直流量，并滤波放大后输出，如果副边正弦波形正弦度良好，此时的输出量与拉杆位置成线性关系。5、LVDT的控制与信号处理电路6、位置闭环下交流电机矢量控制框图，参考位置由上位机发出或者双口RAM采集，反馈位置由LVDT得到或者由编码器信号计算得到。7、双电机冗余控制系统通信软件结构，上位机通过串口与控制电路通信，主电路板通过SPI向从电路板发送参考速度指令，两板之间通过eCAN通信。8、PC机串口通信程序界面9、DSP从双口RAM读取(左)和发送(右)数据的流程图10、系统集成后的对外接口11、直线位置伺服下冗余性检测的试验结果具体实施例方式双电机冗余控制系统的特点是能够实现快速和准确的动态响应以及故障条件下的运行保证；同时能够实现比较复杂的通信和控制功能。双电机冗余控制模块实现两台电机的运动控制算法，并实现主电路变流，同时可以实现与PC机的串口通信和通过PMC接口与光纤的通信功能。双电本文档来自技高网...

【技术保护点】
双电机冗余控制系统，其特征在于：含有控制主从模式下两个电机的主电路、控制电路、通信电路、差动变压器ＬＶＤＴ及其控制与信号处理电路各两套，三套开关电源以及一个直流电源ＤＣ，其中：（１）．开关电源，其中两套分别供应主电路和控制电路，一套 供应所述电机的制动器；（２）．控制电路，含有一个主控制ＤＳＰ芯片、通信用ＣＰＬＤ１和ＰＷＭ输出控制和保护用的ＣＰＬＤ２、一个电压电流模拟信号调理与隔离电路、一个转子编码器位置检测信号的光电隔离电路以及电源转换电路，其中：（２ ．１）．ＣＰＬＤ１，通过不同的接口方式与下述各模块相连；外部扩展用２５６ＫＲＡＭ芯片ＣＹ７Ｃ１０４１ＣＶ３３，ＵＳＢ通信模块ＣＹ７Ｃ６８００１，控制ＵＳＢ接口，ＤＡ转换输出模块ＤＡＣ７７２４，模拟输出用，ＣＡ Ｎ通信模块ＳＮ６５ＨＶＤ２３０，与相对应的另一个控制电路通信用，ＳＰＩ通信接口，与对应的控制电路通信，ＳＣＩ通信模块ＭＡＸ３１６０，通过ＲＳ２３２或者ＲＳ４８５方式与上位计算机通信，ＭｃＢｓｐ接口，作为预留通信接口， 双口ＲＡＭ接口，与对应的基于浮点ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１的通信电路板通信；（２．２）．ＣＰＬＤ２，设有保护信号输入端口以及工作状态指示、ＰＷＭ信号输入与输出端口、Ｉ／Ｏ接口、继电器各输入输出信号的端口；（２． ３）．主控制ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，设有看门狗信号输出接口，ＪＴＡＧ仿真用互联接口，ＥＭＩＦ接口，与ＣＰＬＤ１以及其控制的外部扩展ＲＡＭ、双口ＲＡＭ互联，接口ＳＰＩ，ＳＣＩ，ｅＣＡＮ、ＭｃＢｓｐ分别 与ＣＰＬＤ１相应接口互联，通用Ｉ／Ｏ端口向所连ＣＰＬＤ２相应的Ｉ／Ｏ端口收发信号，ＰＷＭ输出接口，向所连ＣＰＬＤ２输出ＰＷＭ信号，外部中断端口，接收主电路通过光电隔离通过ＣＰＬＤ２发出的中断信号；电源转换端口 ；ＤＳＰ设置主－从式冗余控制软件，实现对系统的双机冗余控制，通过双控制电路之间的通信判断系统工作状态，正常状态下从机跟随主机运行，为主机运行模式，判断故障出现后，主机实现制动，系统按从机模式运行；（２．４）．光电隔离电路，输 入输出编码器位置检测信号，向ＤＳＰ的ＱＥＰ接口输出该检测信号；（２．５）．电压电流模拟信号调理与隔离电路，向该主控制器输入模拟...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，赵争鸣，郭伟，王世静，孙晓瑛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]