故障检测补偿式三余度伺服控制方法设计验证

王首浩 陈 飞 乔 森 耿树鲲 郭燕红 王怀侠

北京精密机电控制设备研究所，北京 100076

故障检测补偿式三余度伺服控制方法设计验证

王首浩 陈 飞 乔 森 耿树鲲 郭燕红 王怀侠

北京精密机电控制设备研究所，北京 100076

为满足全系统数字化需求，并确保产品可靠性，对各类三余度控制技术进行了对比分析。针对机械反馈式伺服机构的控制特点，对故障模式采用智能识别技术，分析了不同故障模式对伺服系统的影响。采用软硬件结合的智能控制技术，设计了一种新型三余度伺服控制方法；搭建了系统故障模拟试验平台，经验证满足设计意图，在一度故障及一种两度故障模式下，伺服机构性能也可以满足任务需求；最后对三余度伺服控制方法的发展进行了展望。

故障检测；三余度；伺服控制；设计验证

航天伺服产品可分为机电伺服系统和液压伺服系统，并采用基于1553B总线的数字式伺服控制方案。在大功率、高可靠航天推力矢量控制的伺服产品中，由于动态性能优等特点，大量采用液压伺服系统[1]，液压伺服机构根据反馈模式分为电反馈伺服机构和机械反馈伺服机构，其均由伺服控制器输出电流指令，流过伺服阀线圈，产生偏转力矩，使伺服机构内油压发生变化，从而使伺服机构动作。但不同的是，在基本原理上，电反馈伺服机构的电流指令由控制指令与线位移差值确定，当伺服机构稳定在某一位置时，电流指令应为0，而机械反馈伺服机构的线位移与电流指令成正比，伺服机构停在何处完全由电流指令的大小决定，因此机械反馈伺服机构对伺服控制器电流输出环节的可靠性提出了更高的要求。在模拟伺服控制方案中，伺服机构的指令电流来自控制系统，由控制系统对伺服机构进行闭环控制，伺服控制器主要实现零漂补偿功能，伺服系统的设计不会影响阀电流的可靠性。随着技术的发展，伺服系统需要满足全系统数字化的需要，控制系统仅通过1553B总线向伺服控制器发送数字指令，由伺服控制器进行计算并输出指令电流，伺服系统自行实现闭环控制，因此需要采用更可靠的伺服控制方案。

1 控制方案设计

提高电子产品可靠性的途径包括采用高可靠元器件和采用余度控制技术[2]，航天产品对元器件的选用要求十分严格，因此控制方案设计更多地从余度设计考虑。余度设计从数量上可分为双余度、三余度和四余度；从余度方式上可分为并联、均值表决、多数表决、中值表决和故障检测修正等[3]。余度数量的选择一般取决于所控制的伺服机构或是所在的伺服系统方案，目前，综合系统需求、产品重量、硬件和软件规模约束、可靠性等因素，航天伺服产品多采用三余度控制技术。

1.1 电反馈液压伺服系统三余度方案

目前，在电反馈液压伺服系统中，主要采用2种三余度控制架构：阀线圈三余度控制和系统三余度控制。阀线圈三余度控制如图1所示，主要为了确保在阀线圈发生一度或二度故障时，仍有指令电流产生偏转力矩，使伺服机构的位置特性基本正常，但动态特性有所下降，对于伺服控制器电路故障没有余度效果。

图1 阀线圈三余度控制框图

系统三余度控制需要采用三余度伺服阀、三余度线位移和三余度伺服控制器，其中三余度伺服控制器内部包含3个功能配置完全相同的子控制器，如图2所示的接收控制系统三余度指令，由3个独立的处理器执行闭环计算，控制3个独立的D/A转换器，输出3路独立的指令电流控制3个阀线圈[4]，因此，发生一度故障时，伺服系统仍可保持功能基本正常，但对于功放电路失效的故障模式，伺服机构位置特性将受到影响。

电反馈液压伺服系统的三余度控制，属于并联、多数表决型余度控制方式。

图2 系统三余度控制框图

1.2 机械反馈液压伺服系统三余度方案

电反馈伺服控制的2种三余度方案中，阀电流信号均不参与控制决策，因为即使发生了诸如一度阀线圈断路的故障模式，伺服机构的位置特性依然可以保证，但如果在机械反馈伺服机构中采用此种控制方式，当发生一度阀线圈断路故障、一度功率放大电路故障等情况，伺服机构的位置只能达到控制指令要求的2/3，虽然可以通过积分器补偿，但是动态性能也会受到严重影响。因此设计一种基于故障检测补偿式三冗余控制方法，功能框图如图3所示。由于所应用的控制系统不是三余度设计，所以伺服控制器中不设计3套子控制器电路，如果采用3套子控制器设计方案，还需要增加3个CPU之间的数据交互，硬件、软件和体积设计难度都会加大，因此本方案主要对指令电流电路进行三余度设计，采用单CPU控制3路独立的D/A转换器，使每一路指令电路可以独立控制，并将指令电流回采用于控制决策，如果某1路阀电流发生异常，可以由DSP计算调节，通过其它2路指令电流进行补偿，在故障状态下只要保证3路指令电路的总和满足控制指令要求，则可保证伺服机构性能稳定。

图3 故障检测补偿式三冗余控制框图

2 硬件参数设计及故障模式分析

2.1 参数设计

所设计方案参数的边界条件，围绕极限故障状态展开。假设伺服机构的正向极限位置对应的阀电流为Imax，无故障时，流过3个阀线圈的电流应为I1=I2=I3=Imax/3；如果第1路阀电流发生异常，且测量Im1=-Imax，要使伺服机构仍能达到正向极限位置，需要补偿其它2路电流为I2=I3=Imax，因此，需要每一路功放电路能独立输出的最大电流为伺服机构极限位置电流。产生阀电流的功放电路如图4所示，参数设计应满足If≈Vo/(RX+RL+RQ)。

图4 功放电路示意图

图中，If为阀电流，Vo为功率放大器输出电压，RX为限流电阻，RL为阀线圈内阻，Rq为阀电流取样电阻；Ugf为功率放大器，Rp为正向输入电阻，Rn为负向输入电阻，Rf为反馈电阻。

2.2 故障模式分析

对阀电流输出链路各环节进行故障模式分类，主要包括D/A转换器环节、功放电路环节、阀线圈环节和A/D采集环节。从控制框图和电路图可知，伺服系统中，所有与三冗余伺服阀及驱动电路相关的一度故障均可体现在伺服阀电流的测量信号上，因此伺服阀驱动电路的所有故障模式表现出来的测量现象可以覆盖伺服系统一度故障模式下伺服阀电流的测量现象，可对功率放大电路进行详细的故障分析[5-6]。

以表格形式代替故障树，如表1所示将元器件的故障模式定义为底层故障模式，由元器件故障引起的阀电流测量异常为中间层故障，由测量反应出的伺服系统故障为高层故障，多种底层故障可能导致一种测量故障，多种测量故障可能导致一种系统故障。同时，也存在测量正常，但系统异常、或测量异常但系统仍可工作的情况。

将所有可能的故障模式进行统一分类，可以得出不同故障状态下的测量情况，并分析对故障的补偿方式，当判定某一路阀电流测量异常时，首先对此路阀电流对应的D/A转换器输入0V对应的数字值，使此路阀电流输出尽量接近于0，或稳定在某一固定值，或尽量减小波动幅值和频率。

表1 故障模式表

异常电流测量值为恒值、动态值或为振荡、抖动信号时，均可由其它2路阀电流值对异常电流值进行补偿。如果抖动信号频率低于采样频率，可以有效控制；如果抖动频率高于采样频率，伺服机构性能下降；若电流测量值正常，但伺服机构位置只有指令要求的2/3左右，需要引入线位移才能进行故障判断，并对3路阀电流同时进行补偿；还有一种未列表中的情况是当A/D采集电路发生故障时，电流测量值异常，但实际电流输出正常，伺服机构也正常工作，需要引入线位移才能进行故障判断，并且不需要对阀电流进行补偿。

3 三冗余控制方法实现

本方案采用的不是完全的、硬件架构上的三冗余平台，所以余度控制逻辑需要软件配合实现，因此要综合考虑硬件可靠性、软件可靠性和系统实时性。航天产品一般选用可靠性高的元器件以提高硬件可靠性；控制逻辑过于复杂会降低软件可靠性；由于相位指标严格，伺服控制对实时性要求极高，判断条件过多、逻辑嵌套过深会严重影响控制的实时性。权衡多种约束条件，绝大多数故障模式是可以通过阀电流进行判断的，因此不再用线位移作为判断条件，所以阀线圈短路、采样电阻断路的故障模式无法通过检测进行处理，但可以通过PID的积分环节进行一定的补偿，并且即使不采用故障冗余控制方法，也会对系统造成同样的影响，因此不会降低可靠性。

A/D转换器采集故障是采用了冗余控制方法引入的新故障，针对此问题，对A/D采集值的有效性进行判断，例如，A/D转换器的量程为-10～+10V，但阀电流值实际对应的采集电压只在-1.5～+1.5V，如果A/D采集值不在实际电压范围内，则不进行补偿控制，以尽量减小A/D转换器异常的影响。具体实现流程如图5所示。

图5 三余度控制流程图

设计原理：实际工作中，控制系统周期性向伺服控制器发送控制指令，伺服控制器进行周期性闭环处理，并向伺服阀线圈输出阀电流，使伺服机构按控制指令要求动作；控制器每周期将本周期的电流测量值与上一周期的线圈指令进行比较，并进行多点判断，滤除毛刺和干扰等信号，如果某一路电流误差值连续N个周期超出设计阈值1时，认为该路电流发生异常，则启动一路故障冗余机制；由于硬件设计中，单独一路功放电路具备独立控制伺服机构的能力，所以此控制方法可以补偿2度阀线圈断路故障，但为了不轻易判定为2度故障，将阈值适当放大调整为阈值2，目的是在已经判定1度故障的情况下，更加谨慎的判定2度故障，如果其它2路中的某一路电流误差超过阈值2，则启动二路故障冗余机制，并且不再判定第3路故障。

如图3定义，伺服控制器3路阀线圈的D/A通道分配的数字指令分别为I1，I2，I3。发生故障后，3路阀线圈的阀电流异常测量值为Ia1，Ia2，Ia3。本周期阀电流测量值与上一周期阀线圈指令之差的上限为阈值Ith1，Ith2。在每个DSP定时中断中，先通过A/D采集阀电流Im1，Im2，Im3，并判断本周期控制指令与上一周期控制指令是否发生变化：如果发生变化，则异常次数寄存器清零，否则寄存器保持原值。进行PID计算，得出待分配的数字指令I。判断电路是否已发生故障，如果没有发生故障，则判断3个阀电流是否有超差；如果已发生故障，需要调高阈值为Ith2。如果已经是2通道故障，则直接执行2通道故障处理算法；如果不是2通道故障，则继续判断其他2个阀电流是否有超差：如果阀电流无超差，则异常次数寄存器清零，执行无故障处理算法；如果电流值超差，但测量值超量程，认为测量错误，如果量测值不超量程，则异常次数寄存器累加，如次数未溢出，则执行无故障处理算法，如果次数溢出，则标记故障通道，执行相应的故障处理算法。

为了清晰表示，按3路阀线圈匝数完全相同的理想状态计算，不考虑线圈实际匝数差异加入的修正系数，故障补偿算法如下：

1通道故障补偿算法：以第1路故障为例，当|Im1-I1|>Ith1时：

I1=0；

I2=[I-Ia1]/2；

I3=[I-Ia1]/2；

2通道故障补偿算法：以当第1路故障后，检测到第2路故障为例，当|Im2-I2|>Ith2时：

I1=0；

I2=0；

I3=I-Ia1-Ia2。

4 系统试验验证

在伺服系统中搭建故障模拟平台,采用硬件故障注入方式，对三余度控制逻辑进行试验验证。由于功放电路中各元器件的故障模式均可表现为阀电流输出低端电压值异常，并且电压值无论是固定值还是变化值，硬件设计都被限制在一定范围之内，所以如图6所示，在功放的正向输入端串接电阻，输入可调电压值，使阀电流低端输出异常电压来模拟各类由元器件引起的故障模式；功放电路输出端通过转接箱连接阀线圈，模拟阀线圈的断路故障。

图6 故障注入示意图

如果加入的故障电压与指令电压之差不超过判断阈值，则不会执行补偿策略，所以，在进行大角度正弦位置特性测试时，如果在0位附近断开1路阀线圈，其它2路阀电流并不会立刻得到补偿，只有当指令超过阈值时，其它2路才补偿输出，验证了设计意图；同样2度故障补偿也得到有效验证。由于补偿后的总电流保持不变，所以在故障状态下，频率特性基本不受影响。

5 结论

通过系统试验验证，三余度控制方法符合设计意图，在故障模式下能实现有效的阀电流补偿，保障伺服系统性能。与以往研制的采用纯硬件实现的三余度伺服控制方法相比，引入了智能检测补偿的软机制，通过软、硬件协同设计的方式，在控制产品体积、重量、成本和控制实时性的前题下，提高了伺服系统的可靠性。对于未能补偿的故障模式进行了系统影响分析，对于A/D转换器失效率可以通过产品可靠性试验进行考核，在后续研制过程中，也可以选用性能更高的处理器平台，引入线位移进行更复杂的逻辑判断；对于纯硬件三冗余伺服控制器，可以在3个CPU之间建立数据交互，结合本文的软控制方法，设计出更加智能化高可靠的伺服产品。

[1] 曾广商, 赵守军, 张晓莎. 我国载人运载火箭伺服机构技术发展分析[J]. 载人航天, 2013, 19(4): 3-10. (Zeng Guangshang, Zhao Shoujun, Zhang Xiaosha. Technology Development Analysis of Chinese Servo-mechanisms for Human-rated Launch Vehicles[J]. Manned Spaceflight, 2013, 19(4): 3-10.)

[2] 靳红涛, 焦宗夏, 王少萍, 等. 高可靠三余度数字式作动器控制器设计与实现[J]. 北京航空航天大学学报, 2006,32(5): 548-552. (Jin Hongtao, Jiao Zongxia, Wang Shaoping, et al. Design and Realization of High Reliability Tri-redundancy Digital Actuator Controller[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006, 32(5): 548-552.)

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[6] 胡梅, 王红, 杨士元, 等. 模拟电路中三极管和运放的软故障诊断[J]. 微电子学, 2008, 38(4): 493-496.(Hu Mei, Wang Hong, Yang Shiyuan, et al. Soft Fault Diagnosis of Transistor and Opamp in Analog Circuits[J]. Microelectronics, 2008, 38(4): 493-496.)

DesignandVerificationofFaultDetectionandCompensationThreeRedundantServoControlMethod

Wang Shouhao, Chen Fei, Qiao Sen, Geng Shukun,Guo Yanhong, Wang Huaixia

Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076，China

Inordertomeettherequirementsofthewholedigitalsystemandensurethereliabilityofproducts,severaltechnologiesofthreeredundantcontrolarecomparativelyanalyzed,accordingtothecharacteristicsofmechanicalfeedbackservomechanism,byusingintelligenttechnologytoidentifyfailuremode,andtheinfluenceofdifferentfailuremodesisanalyzedfortheservosystem,theintelligentcontroltechnologyofhardwareandsoftwarecombinationisadopted,andanewtypeoftripleredundancyservocontrolmethodisdesigned.Bybuildingthesystemfaultsimulationtestplatform,theresultmeetsthedesignintent,whenthereisafaultmode,theperformanceoftheservosystemcanmeettherequirementsofthetask.Finally,thedevelopmentprospectofthethreeredundantservocontrolmethodisdiscussed.

Faultdetection；Threeredundant;Servocontrol;Designandverification

V448.122

A

1006-3242(2017)05-0087-05

2017-05-02

王首浩(1983-)，男，黑龙江庆安人，硕士，高级工程师，主要研究方向为伺服控制技术；陈飞(1979-)，男，湖北钟祥人，本科，高级工程师，主要研究方向为液压伺服技术；乔森(1980-)，男，河南商丘人，硕士，工程师，主要研究方向为伺服软件设计；耿树鲲(1980-)，男，河北成安人，硕士，高级工程师，主要研究方向为液压伺服技术；郭燕红(1982-)，女，山东聊城人，硕士，工程师，主要研究方向为伺服控制器设计；王怀侠(1990-)，女，山东临沂人，硕士，工程师，主要研究方向为伺服控制器设计。