陳飛，侯遠龍，高強

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

現(xiàn)代武器裝備研制的重要技術(shù)之一就是保證武器系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，而采用冗余技術(shù)能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。冗余技術(shù)就是通過配置多余的同等功能的部件，并通過一定的冗余控制邏輯使它們之間能夠協(xié)調(diào)地同步運行，從而使系統(tǒng)應用功能的實現(xiàn)得到多重保證［1］。本文基于某型號遠程火炮控制系統(tǒng)中交流伺服系統(tǒng)部分的研制，采用雙CPU 方案實現(xiàn)冗余控制，通過增加冗余資源來換取系統(tǒng)可靠性，當主控制處理器出現(xiàn)故障時，備用控制處理器能夠?qū)崟r自動地接管整個控制系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)不受停機損失。

1 交流伺服系統(tǒng)原理

該交流伺服系統(tǒng)主要由控制計算機、交流伺服電機、測速裝置、伺服放大器、模擬負載等設備組成?？刂朴嬎銠C根據(jù)火控系統(tǒng)給出的目標位置，計算出所需的控制電壓數(shù)字信號，通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后，輸入到伺服放大器中進行信號調(diào)理，然后輸入給交流調(diào)速系統(tǒng)，利用速度閉環(huán)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，通過減速器轉(zhuǎn)化為合適的轉(zhuǎn)矩帶動模擬負載的運動。模擬負載的實際位置由旋轉(zhuǎn)變壓器測得，然后經(jīng)RDC 模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送回控制計算機中，構(gòu)成完整的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 交流伺服系統(tǒng)原理框圖

2 雙CPU 冗余技術(shù)

雙CPU 冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)中增加備用CPU 模塊，一旦工作CPU 模塊發(fā)生故障，控制系統(tǒng)可以快速切換到備用CPU 模塊，從而保障系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)冗余部件的備份狀態(tài)可以分為冷備份冗余技術(shù)和熱備份冗余控制技術(shù)。冷備份冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)設計時，多配置CPU模塊作為備份，一旦正在運行的CPU 模塊發(fā)生故障時，能及時更換，減少系統(tǒng)修復時間［2］。這種冗余方案中備用的CPU 模塊并沒有安裝在控制設備上，其弊端就是出現(xiàn)故障時候，需要系統(tǒng)停止工作，人工進行切換。本文采用熱備份冗余技術(shù)，如圖2 所示，熱備份冗余就是兩個CPU模塊同時在線工作，一個主CPU 模塊，一個從CPU 模塊。主CPU 模塊按照系統(tǒng)要求正常工作，從CPU 模塊處于熱備份狀態(tài)，實時監(jiān)控主CPU 模塊狀態(tài)，一旦檢測到主CPU模塊出現(xiàn)故障時，從CPU 模塊便可自動接管主CPU 模塊工作，系統(tǒng)不受停機影響。

圖2 雙CPU 熱備份冗余技術(shù)原理圖

3 基于TMS320F28335 的雙CPU冗余控制的實現(xiàn)

主、從CPU均選用TI公司的浮點型 DSP，TMS320F28335，來可以實現(xiàn)系統(tǒng)的位置伺服控制，與上位機進行通信，接受上位機發(fā)出的指令和數(shù)據(jù)，同時將RDC模塊的實時位置信號，經(jīng)過控制算法的計算得到合適的控制電壓，然后經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出。

3.1 冗余硬件的構(gòu)成

雙CPU 冗余控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3 所示，DSP1、DSP2 接受到同一個實時位置信號，采用相同的控制算法，D/A 轉(zhuǎn)換采用Maxim 公司的高精度D/A 芯片Max5134，輸出的模擬電壓，一方面通過多路模擬開關(guān)Max14763 切換主輸出或是備用輸出到負載，另一方面均通過Maxim公司的高精度A/D 芯片Max11049，將D/A 芯片輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)化為相對應的數(shù)字量，傳回各自的DSP，DSP1、DSP2 之間，通過Cypress 公司的雙口RAM 芯片Cy7c028實現(xiàn)實時通訊。DSP2 通過雙口RAM 芯片實時監(jiān)控DSP1的輸出，當DSP1 正常工作時，多路模擬開關(guān)選通主輸出連接到負載，當DSP2 判定DPS1 出現(xiàn)故障時，控制多路模擬開關(guān)選通備用輸出連接到負載，從而實時接管DSP1 的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)工作。為了保證DSP1、DSP2 前段采樣的完全同步，必須兩個DSP 系統(tǒng)有相同的時鐘源，故兩個DSP 系統(tǒng)由同一個時鐘源驅(qū)動，接受同一個輸入信號，且兩個DSP 系統(tǒng)采用相同的控制算法，運行相同的程序。

圖3 雙CPU 冗余控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

3.2 故障的判斷與定位

在雙CPU 冗余控制系統(tǒng)中，兩個CPU 擁有系統(tǒng)的全部輸入，對于任何一個輸入信號而言，系統(tǒng)都會獲得兩組采集值。在正常情況下，兩組采集值應該保持一致，當出現(xiàn)故障時，兩組采集值會產(chǎn)生較大偏差［3］。因此，本文將解析冗余故障的檢測方法引入到雙CPU 故障檢測中，提出了解析冗余的雙CPU 故障檢測算法，其實現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 基于解析冗余的雙CPU 故障檢測算法原理圖

在解析冗余的雙CPU 故障檢測算法中，兩個CPU 在當前時刻對同一個輸入信號量進行采集，可以不建立數(shù)學模型獲取參數(shù)估計值，并得到采集結(jié)果xn，yn，且xn為yn的觀察特征值，yn同樣xn的觀察特征值，其故障檢測步驟如下:

1)計算xn和yn的殘差val(xnyn)，如果val(xnyn)＜θ，則判定兩個CPU 采集的數(shù)據(jù)一致，系統(tǒng)無故障，可取xn作為采集值，其中θ 為相似度門限值，該值根據(jù)實際系統(tǒng)需求而定，如果val(xnyn)＜θ 不滿足，則判定系統(tǒng)出現(xiàn)故障，然后進行故障定位。

2)獲取兩CPU 前m 次采集結(jié)果，…….，…….，并計算CPU1 的歷史殘差:

val(xn，yn－1)，val(xn－1，yn－2)……val(xn－1－m，xn－m)和CPU2 歷史殘差:

val(yn，yn－1)，val(yn－1，yn－2)……val(yn－1－m，yn－m)

3)判斷val(xn，xn|1)和CPU1 的歷史殘差平均值是否一致，判斷val(yn，yn|1)和CPU2 的歷史殘差平均值是否一致。若:

則判定CPU1 故障，并選擇yn作為當前時刻采集值，其中|為歷史殘差門限值，若:

則判定CPU2 故障，并選擇xn作為當前時刻采集值。

4 故障仿真模擬

當系統(tǒng)正常工作或DSP1 正常而DSP2 出現(xiàn)故障時，多路模擬開關(guān)應一直選通主輸出，即DSP1 的輸出到負載，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)正常工作時選通主輸出到負載

對冗余系統(tǒng)性能和功能進行驗證的一條重要途徑就是進行故障仿真模擬，本文采用人為手段設置硬件故障，出于對硬件成本和硬件復雜性的考慮，通過短時間中斷DSP1 的數(shù)據(jù)采集模塊的工作，檢驗系統(tǒng)能否實時切換備用輸出，即DSP2 的輸出到負載。仿真結(jié)果如圖6 所示，成功通過控制多路模擬開關(guān)選通備用輸出到負載，保證了系統(tǒng)的連續(xù)工作。

圖6 DSP1 出現(xiàn)故障時選通備用輸出到負載

5 結(jié)語

本文設計了一套基于雙DSP 的冗余控制系統(tǒng)，并進行了仿真模擬實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過較小的硬件配置成本，增加了整個交流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不需要停機進行人工手動切換，從而保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性。

［1］聞新，周露.控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998:214.

［2］衡軍山.基于雙CPU 的冗余研究與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2008，36(7):8-10.

［3］陳子平.淺談控制系統(tǒng)冗余控制的實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2005，26(9):2-4.