系統(tǒng)飛車原因分析與解決措施

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摘要：飛車是光電裝備伺服系統(tǒng)的常見故障之一，在轉(zhuǎn)動(dòng)角度受限的軸系中，飛車會(huì)導(dǎo)致機(jī)械限位被撞擊甚至撞壞，光機(jī)結(jié)構(gòu)及連接線受損。目前伺服控制系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的軟件限位的方法來抑制飛車，但其作用有限，在控制軟件死機(jī)的情況下將失去限位作用。為有效解決飛車問題，對(duì)導(dǎo)致伺服系統(tǒng)飛車的因素及作用機(jī)理進(jìn)行了分析。提出了幾種新的防飛車方法，特別是設(shè)計(jì)不依賴于軟件的底層硬件防飛車電路，工作有效可靠，是一種抑制伺服飛車的有效方法，并在光電裝備的實(shí)際工作中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；飛車；控制軟件；閉環(huán)控制；單穩(wěn)觸發(fā)器

1引言

伺服飛車是光電和導(dǎo)航裝備常見的一種故障現(xiàn)象，方位與俯仰伺服系統(tǒng)均有可能出現(xiàn)。飛車時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)不受控地全速轉(zhuǎn)動(dòng)，往往會(huì)對(duì)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)范圍受限的系統(tǒng)造成損壞。飛車現(xiàn)象的出現(xiàn)與伺服控制軟件的工作狀態(tài)密切相關(guān)，具體可由多種原因導(dǎo)致。例如在閉環(huán)控制中，如果測(cè)角反饋停止，由于積分作用會(huì)導(dǎo)致指令電壓達(dá)到最大導(dǎo)致飛車。另外軟件陷入死循環(huán)也會(huì)導(dǎo)致飛車。飛車更多地發(fā)生在伺服軟件調(diào)試階段，伺服相關(guān)參數(shù)的設(shè)置不能走極端，不能超過極限。另外伺服系統(tǒng)剛性太強(qiáng)、控制裕度太小時(shí)也容易出現(xiàn)飛車。目前光電裝備伺服系統(tǒng)雖設(shè)計(jì)有電氣限位和機(jī)械限位［1］，但都屬于抑制飛車的輔助手段。光電裝備伺服系統(tǒng)飛車多數(shù)情況下是軟件方面的原因，傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)措施是采取軟件限位的方法［2］，另外軟件方面還可以采取增加保護(hù)程序，以檢測(cè)控制軟件是否正常刷新、是否死機(jī)以防止出現(xiàn)飛車。但存在的問題是一旦系統(tǒng)全面死機(jī)，軟件限位及保護(hù)程序?qū)⑹プ饔?，無法抑制飛車的出現(xiàn)。本文提出了設(shè)計(jì)不依賴于軟件的底層硬件防飛車電路，電路簡(jiǎn)單工作可靠，是一種抑制伺服飛車的有效方法。

2伺服系統(tǒng)的組成與工作原理

單環(huán)路閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示［3］。閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)輸入給定量與實(shí)際反饋測(cè)量值之間的偏差，通過PID等控制器計(jì)算出控制系統(tǒng)需要調(diào)整的運(yùn)動(dòng)量，并通過電機(jī)執(zhí)行到位，從而使輸出實(shí)時(shí)跟隨輸入［4］。包括光電裝備在內(nèi)的多數(shù)設(shè)備的伺服系統(tǒng)都是由控制單元（綜合控制板）和驅(qū)動(dòng)單元（伺服驅(qū)動(dòng)板）組成。綜合控制板對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行直接控制，其控制指令一般為模擬量電壓信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)板接收模擬輸入信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM脈沖完成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，反饋單元可以是基于測(cè)角反饋或電流環(huán)反饋的負(fù)反饋單元。綜合控制板與伺服驅(qū)動(dòng)板之間的控制關(guān)系如圖2所示。控制板提供2路控制信號(hào)以控制2路驅(qū)動(dòng)電路的啟停，高電平為停止有效，低電平時(shí)開啟驅(qū)動(dòng)電路。2路控制信號(hào)可以用作控制驅(qū)動(dòng)板停車的保護(hù)功能，是針對(duì)伺服飛車需要采取的保護(hù)措施之一。驅(qū)動(dòng)電路正常時(shí)反饋一個(gè)低電平信號(hào)（TTL電平）?？刂瓢宓暮诵钠骷镈SP和FPGA。驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)以2路驅(qū)動(dòng)為例。采用雙極性工作方式，給定的指令電壓范圍-10～+10V。指令電壓為0V時(shí)輸出占空比50%的驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。伺服控制正常時(shí)會(huì)對(duì)占空比進(jìn)行限制［5］，例如限制在90%（指令電壓在±9V以內(nèi)）。指令電壓為+10V時(shí)輸出占空比100%的驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)處于全速驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。指令電壓為-10V時(shí)，電機(jī)處于反方向的全速驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)處于不受控的全速驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就是進(jìn)入了所謂的飛車狀態(tài)。出現(xiàn)飛車時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器往往得到的是FF數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)輸出+10V或-10V的指令電壓。電氣限位開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，往往飛車速度已經(jīng)上來，不能第一時(shí)間起到保護(hù)作用，因此電氣限位開關(guān)只能作為防飛車的輔助手段。

3伺服系統(tǒng)飛車原因的分析

理論上整個(gè)控制鏈路的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能造成飛車，伺服系統(tǒng)飛車故障樹如圖3所示。根據(jù)故障樹，軟件問題導(dǎo)致飛車的各種可能原因分析如下：

（1）控制程序不受控如果軟件控制程序不受控（跑飛）、死循環(huán)，或者不按正常流程執(zhí)行，最終的輸出量不受控將會(huì)造成飛車。

（2）控制輸入量異?？刂戚斎肓浚ㄎ恢谩⑺俣然蛘呒铀俣龋┏稣５姆秶?，例如位置輸入量超出系統(tǒng)所能到達(dá)的實(shí)際范圍（0°～360°或者-180°～180°），或者速度輸入量超出控制系統(tǒng)所能到達(dá)的最大值都會(huì)導(dǎo)致飛車。

（3）程序調(diào)試階段容易出現(xiàn)飛車程序單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)執(zhí)行或修改后運(yùn)行，人為的錯(cuò)誤（如符號(hào)位搞反）導(dǎo)致飛車。

（4）部分陀螺信號(hào)旋轉(zhuǎn)角度有限制當(dāng)軸系旋轉(zhuǎn)角度超過一定界限時(shí)，部分陀螺信號(hào)極性反相導(dǎo)致飛車。

（5）測(cè)角反饋量異常測(cè)角反饋停止時(shí)由于積分作用導(dǎo)致指令電壓過大，從而導(dǎo)致飛車。另外反饋測(cè)量值出現(xiàn)異常也會(huì)造成飛車。由于電氣線路的故障，也會(huì)造成控制系統(tǒng)通訊中斷或者反饋數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變導(dǎo)致飛車。

（6）控制器參數(shù)不合理控制器參數(shù)調(diào)整不合理，容易造成伺服振蕩甚至飛車，控制器輸出必須與電機(jī)的執(zhí)行方向相對(duì)應(yīng)，并最終實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，如果形成了正反饋就必然出現(xiàn)飛車。

4伺服系統(tǒng)飛車的幾種解決方法

4.1利用“看門狗”復(fù)位DSP軟件故障

針對(duì)主控程序的“跑飛”，可以采取以下措施：在綜合控制板內(nèi)部增加“看門狗”功能，由FPGA實(shí)現(xiàn)（DSP容易死機(jī)而FPGA一般不死機(jī)），DSP工作時(shí)給FPGA定時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)，即主程序在運(yùn)行期間要保持提供定時(shí)脈沖“喂狗”［6］?！翱撮T狗”在外圍監(jiān)控DSP中軟件的運(yùn)行以及硬件的操作，當(dāng)DSP出現(xiàn)故障或軟件進(jìn)入錯(cuò)誤循環(huán)、工作出現(xiàn)混亂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致FPGA收到不受控的數(shù)據(jù)，使D/A產(chǎn)生導(dǎo)致飛車的指令電壓。此時(shí)定時(shí)脈沖消失，“看門狗”定時(shí)器將出現(xiàn)溢出并輸出RST復(fù)位信號(hào)來使系統(tǒng)復(fù)位。DSP短暫的混亂可以被“看門狗”清除，DSP初始化重新運(yùn)行，保證了伺服系統(tǒng)在不重新上電的情況下恢復(fù)正常功能［7］。

4.2關(guān)斷伺服驅(qū)動(dòng)電路
綜合控制板可以關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，該功能可以用于抑制伺服系統(tǒng)的飛車。FPGA“看門狗”定時(shí)器在復(fù)位DSP的同時(shí)，將RST復(fù)位信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)關(guān)閉信號(hào)發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)板，停止驅(qū)動(dòng)板的工作，這樣DSP的復(fù)位過程中可以關(guān)閉伺服驅(qū)動(dòng)電路以抑制飛車。還有一種情況是主控程序運(yùn)行正常但PID運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)導(dǎo)致飛車，在主控程序正常運(yùn)行的情況下，PID運(yùn)算某一環(huán)節(jié)出錯(cuò)導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)板得到過大的指令電壓。由于DSP運(yùn)算結(jié)果是通過FPGA數(shù)據(jù)傳送到D/A轉(zhuǎn)換芯片，可以在FPGA環(huán)節(jié)加入判斷，當(dāng)D/A運(yùn)算結(jié)果大于設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)PGA給驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，保證PID運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)時(shí)避免出現(xiàn)飛車。

4.3設(shè)計(jì)底層硬件電路抑制飛車

極端情況下，DSP與FPGA均出現(xiàn)死機(jī)、工作紊亂，“看門狗”功能消失，軟件已完全失控，D/A收到異常數(shù)據(jù)輸出不受控的指令電壓，此時(shí)利用軟件功能已無法抑制飛車。因此有必要在伺服驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)一個(gè)最底層的純硬件電路，在所有軟件控制失效的情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛車的抑制。其工作原理是設(shè)計(jì)針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的功率脈沖遺失檢測(cè)電路，對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行取樣檢測(cè)，檢測(cè)電路的輸出接至伺服驅(qū)動(dòng)電路控制端。飛車時(shí)D/A得到的是全FF數(shù)據(jù)，輸出滿幅指令電壓（占空比為1），脈沖消失。此時(shí)脈沖遺失檢測(cè)電路輸出電平翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷伺服驅(qū)動(dòng)電路。該功能由最底層硬件電路實(shí)現(xiàn)，與軟件功能無關(guān)，不受系統(tǒng)死機(jī)影響，是抑制伺服系統(tǒng)飛車的最后一道防線。某水下光電裝備伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了防飛車硬件電路，效果明顯。其技術(shù)原理是：上位機(jī)每完成一個(gè)控制周期發(fā)出一個(gè)脈沖，軟件工作正常時(shí)，將產(chǎn)生周期性脈沖，如果系統(tǒng)死機(jī)或軟件跑飛則該脈沖將消失。采用單穩(wěn)觸發(fā)器檢測(cè)該脈沖［8］，只要消失一個(gè)脈沖，單穩(wěn)觸發(fā)器輸出電平就會(huì)翻轉(zhuǎn)，關(guān)閉伺服通道，保證了安全措施的快速性、實(shí)時(shí)性。另一種方法，無需檢測(cè)上位機(jī)發(fā)出的脈沖，只檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的。其原理如下：正常工作時(shí)，可用指令電壓最大值設(shè)定為滿幅電壓的90%（對(duì)應(yīng)的PWM脈沖占空比最高90%）。而飛車發(fā)生時(shí)，控制數(shù)據(jù)為全FF，指令電壓不受控為最大值，PWM脈沖消失（占空比為1）。采用基于單穩(wěn)觸發(fā)器的檢測(cè)電路對(duì)PWM脈沖進(jìn)行消失檢測(cè)，可以第一時(shí)間檢測(cè)出飛車并關(guān)閉伺服驅(qū)動(dòng)的輸出。

4.4利用全橋電路實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)

前述的幾種抑制飛車的方法都是停止電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，但不能產(chǎn)生反向制動(dòng)力矩，電機(jī)及負(fù)載會(huì)由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)不到抑制飛車的最佳效果，這里介紹一種利用全橋邏輯控制，使電機(jī)產(chǎn)生反向力矩的方法，能使出現(xiàn)飛車的電機(jī)快速剎停［9］。全橋式功率驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，該方式需要使T1~T4四個(gè)MOSFET均能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，Io為電機(jī)正常工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，IF為制動(dòng)電流。在飛車出現(xiàn)時(shí)，控制系統(tǒng)在發(fā)出伺服電路關(guān)斷信號(hào)的同時(shí)，關(guān)閉橋式電路兩個(gè)高端功率管T1、T4，同時(shí)控制低端兩個(gè)功率管T2、T3導(dǎo)通，這樣就為反饋能量產(chǎn)生的制動(dòng)電流IF提供了電流回路。該電流與電機(jī)減速前的驅(qū)動(dòng)電流Io方向相反，產(chǎn)生一個(gè)反向力矩，加快了電機(jī)的減速過程。這種利用制動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)剎車的方法是抑制飛車的較理想手段，既能快速抑制飛車，又能消除泵生電壓［10］。

5結(jié)論

系統(tǒng)死機(jī)、軟件跑飛或陷入死循環(huán)、軟件單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)執(zhí)行時(shí)都可能會(huì)引起設(shè)備飛車。雖然軟件方面可以采取一些措施防止飛車，但一旦出現(xiàn)系統(tǒng)全面死機(jī)的故障，軟件自身是解決不了問題的，抑制飛車必須具備從底層電路（硬件）解決問題的手段。利用飛車時(shí)出現(xiàn)滿幅指令電壓（PWM脈沖消失）電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單穩(wěn)觸發(fā)器構(gòu)成的脈沖遺失檢測(cè)電路，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)飛車的發(fā)生并關(guān)閉伺服驅(qū)動(dòng)電路，第一時(shí)間抑制飛車。是一種電路簡(jiǎn)單、工作可靠、不依賴于軟件的抑制飛車的有效措施。

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作者:涂克頗 李為民 嚴(yán)加朋 郭志華 單位:華中光電技術(shù)研究所—武漢光電國(guó)家研究中心