高可靠性末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)設(shè)計

1．2．3 控制系統(tǒng)硬件各個模塊的實現(xiàn)方案
1)PWM控制電路實現(xiàn)
本系統(tǒng)的電機調(diào)速主要考慮采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速是無刷直流電機目前最常用的一種調(diào)速方式，主要是通過改變加在電機電樞繞組兩端的電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，這種方法通常將電機的電壓由額定電壓向下調(diào)節(jié)電樞電壓，達到使電機轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速變?yōu)橄蛳抡{(diào)速，這種調(diào)速方法調(diào)節(jié)的過程中損耗的能量小，且轉(zhuǎn)速過程中系統(tǒng)波動比較小，靜態(tài)的穩(wěn)定性較高，響應(yīng)速度快。是當前無刷直流電機應(yīng)用最常見的、運行最穩(wěn)定、最有效的調(diào)速方式，它通常有PWM調(diào)節(jié)方式、旋轉(zhuǎn)變流機構(gòu)調(diào)節(jié)方式以及靜止變流機構(gòu)調(diào)節(jié)方式。目前無刷直流電機無級調(diào)速系統(tǒng)也大多都采用調(diào)壓調(diào)速中的PWM調(diào)節(jié)方式。
PWM調(diào)節(jié)方式是一種根據(jù)能量轉(zhuǎn)換等效原理，是由將固定不變的系統(tǒng)電壓斬截成占空比可變的PWM波，經(jīng)過改變占空比來實現(xiàn)電機電樞兩端平均電壓的電壓調(diào)節(jié)方式，這種調(diào)節(jié)方式的特點具有體積小、凋速性能好、成本低、控制方便等優(yōu)點，與此同時，它也比較容易與控制器之間構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方法也顯得靈活多變。因此，我們采用PWM調(diào)壓調(diào)節(jié)方式。在本系統(tǒng)中PWM脈沖波的產(chǎn)生是直接通過DSP的PWM口得到。
2)驅(qū)動電路設(shè)計
對于末端效應(yīng)器系統(tǒng)，驅(qū)動電路部分采用專門的集成的驅(qū)動模塊結(jié)合MOSFET實現(xiàn)。為了避免和DSP之間產(chǎn)生干擾，增強可靠性，采用光電隔離模塊和集成驅(qū)動模塊共同構(gòu)成驅(qū)動電路來驅(qū)動功率MOSFET管。如圖4所示，由光電隔離模塊和IR2112模塊組成的驅(qū)動A相橋臂的連接方式。光耦部分起到隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用。驅(qū)動三相全橋電路需要6路PWM信號，而IR2112只能同時輸出2路PWM信號，所以驅(qū)動電路共需要3片IR2112芯片。

3)電流檢測和速度檢測電路
電流檢測電路就是將電機的三相電流進行數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集，然后反饋到主控制器，與控制芯片內(nèi)的速度控制器產(chǎn)生的電信號做比較，完成對電機的電流閉環(huán)控制。本控制系統(tǒng)中實際的電流比較小，功率也比較小，因此采用了一個旁路電阻來檢測實際電機的相電流的大小，電阻位于三相功率變換全控的電路的橋臂和地線之間。
速度檢測電路是控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。速度檢測電路檢測電機的實際轉(zhuǎn)速并且將檢測的實際速度信號轉(zhuǎn)化為電信號直接傳送到控制芯片的引腳，然后在主控制器內(nèi)完成對轉(zhuǎn)速的計算并且和電機的預(yù)定轉(zhuǎn)速作比較完成回路系統(tǒng)。
本系統(tǒng)利用控制器的計算處理能力，采用霍爾位置傳感器的信號來計算無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。

2 末端效應(yīng)器控制器可靠性及長壽命設(shè)計
在第一章節(jié)中末端效應(yīng)器的詳細設(shè)計中控制器的設(shè)計包括任務(wù)級執(zhí)行級控制方案、具體軟硬件實現(xiàn)中元器件選擇及實現(xiàn)方案等都是以高可靠性為中心進行分析和設(shè)計的。下面主要從軟硬件的角度考慮故障的處理方法，還有容錯控制策略的設(shè)計。
2．1 軟硬件可靠性保證
2．1．1 硬件可靠性保證
解決可靠性問題最主要的方法是執(zhí)行器故障診斷和處理。常見電機故障有：
1)電機過載、過流。由于系統(tǒng)的電流比較小，故可以采用主回路串聯(lián)采樣電阻的方法進行過流檢測。定子電流經(jīng)過電阻之后轉(zhuǎn)變成電壓信號，在此串入小電阻，小電阻兩端的電壓經(jīng)過放大隔離后送入A／D單元，通過主控制器的軟件編程或邏輯實現(xiàn)對電機的過載保護。
2)電機過速。
3)驅(qū)動器非正常復(fù)位。本系統(tǒng)采用了硬件冗余，設(shè)計了急停電路，使系統(tǒng)停止運行。
另外光電編碼器等傳感部件也可能發(fā)生故障。在系統(tǒng)運行時可能出現(xiàn)的故障有：
1)數(shù)據(jù)傳輸錯誤。診斷辦法是采用奇偶校驗法判別，然后用線性外推法給出當前傳感器數(shù)據(jù)；
2)數(shù)據(jù)采集錯誤。這種故障可能造成控制力矩的波動，診斷采用野點剔除的辦法加以剔除，然后用線性外推法給出當前傳感器數(shù)據(jù)。
2．1．2 軟件可靠性保證
1)系統(tǒng)啟動自檢。在啟動系統(tǒng)時，必須檢測元器件是否正常工作。
2)系統(tǒng)故障報警和處理。當有故障發(fā)生時，軟件能檢測出該故障，并診斷其故障類型，從而做出必要的處理。
3)事故急停處理。當一旦有事故發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)該立即關(guān)閉，力求將事故對系統(tǒng)的破壞降低到最低程度。
2．2 高可靠性獨立控制系統(tǒng)的合理容錯控制策略設(shè)計
空間站遠程遙操作機械臂SSRMS(Space Station Remote Manipulator System)、歐洲遙操作機械臂ERA(European Robotic Arm)、日本實驗艙遙操作機械臂JEMRMS(Japanese Experimental Module Remote ManipulatorSystem)在設(shè)計和運行過程中都要求機械臂系統(tǒng)至少能夠容忍兩次故障的發(fā)生。這對末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)也提出了一個新的要求?？刂葡到y(tǒng)的容錯設(shè)計及故障檢測與診斷是提高航天器的可靠性的有效途徑。
末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)除了提高單一控制系統(tǒng)的高可靠性之外，考慮采用控制系統(tǒng)的容錯也是提高可靠性的一個合理的選擇。同時對于一個精密的運動控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的容錯性是調(diào)試和運行時需要考慮的功能完整性問題。對于控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計主要考慮以下兩方面的要素：
1)需要結(jié)合具體的任務(wù)，選擇合適的傳感器、執(zhí)行器和控制器備份策略：
2)需要考慮與之相配合的故障診斷和診斷方法。
對于傳感器、執(zhí)行器和控制器備份方案，本系統(tǒng)了采用類似于ERA的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，即采用雙繞組永磁同步電機構(gòu)建相互獨立的2套驅(qū)動子系統(tǒng)，但是由于2套驅(qū)動系統(tǒng)工作在冷備份模式，容錯能力不高，且沒有充分利用冗余備份的傳感器資源，所以為了提高容錯能力，本系統(tǒng)選擇了雙繞組余度電機工作在熱備份模式。
由于末端效應(yīng)器機械機構(gòu)具有模型非線性、摩擦非線性和負載變動的自適應(yīng)等因素，本系統(tǒng)的故障檢測和故障診斷主要是基于傳感器冗余信息的故障檢測方法，主要通過位置傳感器、力傳感器的信號來推斷系統(tǒng)的狀態(tài)，進而進行故障檢測。位置信息的配置主要包括電機數(shù)字霍爾傳感器、電機旋轉(zhuǎn)變壓器等多級容錯備份和故障檢測。力傳感器的故障通過計算電機位置信息和參考力進行比較來判斷。
結(jié)合實際情況，本控制系統(tǒng)的電機驅(qū)動控制部分容錯設(shè)計主要采用了雙繞組余度電機工作在熱備份模式。相應(yīng)的故障檢測方法為基于傳感器冗余信息的故障檢測方法。具體的冗余切換邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)論
末端效應(yīng)器機械機構(gòu)在空間環(huán)境中穩(wěn)定可靠性的工作，作為其核心的電機控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠的工作就顯得尤為重要。因此文中首先考慮完成任務(wù)的運動規(guī)劃問題，然后考慮了控制系統(tǒng)方式及其軟硬件實現(xiàn)的具體要求．來實現(xiàn)高可靠性獨立控制系統(tǒng)的設(shè)計。并且在高可靠性獨立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還設(shè)計了合理的容錯控制策略。此系統(tǒng)經(jīng)過實驗，達到了設(shè)計要求。