摘 要： 分析并提出了應(yīng)用于磁軸承的雙DSP熱備容錯控制方案，本方案采用時鐘同步技術(shù)，由總線表決模塊" title="總線表決模塊">總線表決模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯處理，由硬件判決模塊實現(xiàn)硬件故障" title="硬件故障">硬件故障判斷。再根據(jù)以上兩個判決模塊的結(jié)果由中心仲裁模塊進行復(fù)雜的仲裁，并完成切換和完善的報警邏輯，從而實現(xiàn)容錯功能，較大地提高了磁軸承控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的可靠性。以上所有邏輯均由VHDL語言在CPLD上實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 容錯 磁軸承 控制器 CPLD DSP
電磁軸承(AMB)是利用可控電磁吸力將轉(zhuǎn)子懸浮起來的一種新型高性能軸承，由于其具有無接觸、無摩擦、高速度、高精度、不需潤滑和密封等一系列的優(yōu)良品質(zhì)，在交通、超高速超精密加工、航空航天等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
由于磁懸浮系統(tǒng)本征不穩(wěn)定，控制系統(tǒng)的好壞將會直接決定磁軸承的性能?？刂葡到y(tǒng)主要實現(xiàn)方式分為模擬控制和數(shù)字控制。由于先進控制理論的應(yīng)用，近年來國內(nèi)外在數(shù)字控制方面發(fā)展很快，數(shù)字控制器將是未來磁軸承控制的主流，且90%以上的數(shù)字控制器都采用了DSP。它們一般是通過圖1所示的流程實現(xiàn)的[1][3][4][5]。磁軸承大多應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機械，控制系統(tǒng)一旦失效，將會帶來比較嚴(yán)重的后果。隨著工業(yè)領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)的日益拓展，對控制系統(tǒng)可靠性的要求日益提高，即要求系統(tǒng)具有一定的容錯功能。國外對此進行了研究，弗吉尼亞大學(xué)提出了應(yīng)用于航天器上的四DSP容錯磁懸浮控制系統(tǒng)[1][4]。文獻表明，國內(nèi)在磁軸承控制器容錯領(lǐng)域還沒有相應(yīng)的研究。本文從工業(yè)應(yīng)用要求和成本的角度考慮，對圖1虛線方框內(nèi)的控制器進行容錯設(shè)計，提出了雙DSP容錯控制器。而對于傳感器、線圈和功率放大器部分的容錯設(shè)計，本文不進行討論。
1 磁懸浮控制器的容錯設(shè)計分析
容錯的一般含義就是在系統(tǒng)出現(xiàn)不希望事件時，仍能正確執(zhí)行所規(guī)定的算法。冗余是實現(xiàn)容錯和提高可靠性的一種方法，也是最有效的方法，故本次設(shè)計采用冗余技術(shù)來實現(xiàn)容錯。冗余技術(shù)主要有四種實現(xiàn)方法：硬件冗余、軟件冗余、時間冗余、信息冗余，其中后三種都是在硬件無故障和運行時間、程序空間擁有余量的情況下使用。但對于磁軸承DSP控制系統(tǒng)，其本身的時間余地和程序空間余量都非常有限，故主要采用硬件冗余，即采用多DSP冗余設(shè)計。
在多機" title="多機">多機冗余系統(tǒng)設(shè)計中，關(guān)鍵問題是多機的重構(gòu)策略、多機的仲裁切換邏輯及多機運行的同步等問題。在大規(guī)模集中控制的中央級，通常都采用了比較完善、復(fù)雜的切換邏輯，多機同步和系統(tǒng)重構(gòu)都借助于機間通信來傳遞彼此的信息來實現(xiàn)的。這些方案均不宜用于DSP等小規(guī)模的終端系統(tǒng)，要通過專門的硬件系統(tǒng)來進行支持。因為這些系統(tǒng)相對于上述功能強大的中央控制系統(tǒng)有四個明顯的特點：(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低；(2)軟硬件資源比較缺乏；(3)必須具備很好的實時性能；(4)運行時間余度太小。通過以上分析，提出了針對工業(yè)應(yīng)用的雙機熱備冗余控制系統(tǒng)設(shè)計方案。
2 設(shè)計原理
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中實現(xiàn)冗余的核心控制模塊是通過CPLD來實現(xiàn)的。實踐表明，由于CPLD是通過硬件邏輯實現(xiàn)的，故比由軟件控制的DSP可靠性高[1][2][4]。模擬信號輸入分別直接接到兩個DSP的A/D" title="A/D">A/D輸入端，由兩個DSP同步進行運算，經(jīng)過中心仲裁模塊(由硬件故障判決模塊和輸出總線表決模塊共同決定)決定主DSP，由主DSP來控制輸出到D/A的數(shù)據(jù)、時序和RS232接口。其中的核心控制模塊主要由以下幾個部分組成：輸入信號處理模塊、復(fù)位模塊、時鐘模塊、硬件故障判決模塊和輸出總線表決模塊、中心仲裁模塊、報警輸出模塊、中斷處理模塊等。
2.1 輸入緩沖模塊
為了消除輸入端輸入阻抗帶來的影響，對于數(shù)字信號增加一級緩沖器，這樣既可以減小外圍電路的影響，也可以實現(xiàn)DSP與外圍電路的輸入隔離。在此系統(tǒng)中，主要是進行RS232和晶振、復(fù)位、外部中斷輸入信號的緩沖(RS232的輸出接口是由主DSP進行控制)，對于模擬信號通過電壓跟隨器來實現(xiàn)阻抗匹配，減小誤差并縮短A/D轉(zhuǎn)換的時間。
2.2 DSP時鐘同步的實現(xiàn)
由于本設(shè)計方案是通過DSP的完全同步來實現(xiàn)冗余控制的，故DSP的同步能否實現(xiàn)，是此方案實現(xiàn)的基本條件。采用雙DSP共同使用一個晶振信號，系統(tǒng)工作時，待電源穩(wěn)定和晶振完全起振后，才對DSP進行復(fù)位，這樣便順利地使DSP完成時鐘級的同步。通過對實驗室現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的測試，電源穩(wěn)定和晶振穩(wěn)定起振所需的時間大約是40ms，故復(fù)位時間應(yīng)選擇大于40ms。為了提高其抗干擾性，復(fù)位后的信號要先經(jīng)過施密特觸發(fā)器，再經(jīng)過CPLD緩沖后接到DSP的復(fù)位端。
2.3 硬件故障判決模塊
硬件故障判決模塊判斷DSP是否出現(xiàn)了硬件故障，本設(shè)計中將每個DSP的CLKOUT的輸出信號作為判決硬件故障的基本辦法。如果DSP硬件工作正常，CLKOUT引腳將輸出固定的時鐘波形；如果系統(tǒng)的CLKOUT沒有時鐘波形輸出，則認為該DSP硬件不正常，由中心仲裁模塊來隔離這個不正常的DSP。其具體實現(xiàn)方案如圖3所示。CLKOUT信號經(jīng)由CPLD實現(xiàn)的分頻器后送到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123，若系統(tǒng)的CLKOUT信號不正常，74LS123會產(chǎn)生跳變，驅(qū)使中心仲裁模塊隔離不正常的DSP。
2.4 輸出總線表決模塊
輸出總線表決模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯，解決系統(tǒng)的軟故障(是指程序運行中偶然出現(xiàn)的謬誤，通過復(fù)位手段即可以消除)。其方法是比較總線的輸出數(shù)據(jù)(參照目前的控制器設(shè)計，不需要輸入總線外加接口)信號是否相同，如果不相同，則表明某個DSP或者兩個DSP都產(chǎn)生了軟故障，系統(tǒng)抑制錯誤輸出；并由中心仲裁模塊對此情況進行處理，使系統(tǒng)實現(xiàn)容錯功能?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，在應(yīng)用中只對輸出數(shù)據(jù)總線的高8位進行表決，由任一個DSP的輸出WR信號啟動比較操作，如果不相同，則將輸出的不正常狀況通知中心仲裁模塊。
2.5 中心仲裁模塊
中心仲裁模塊主要是分析由輸出總線表決模塊和硬件故障判決模塊輸出的結(jié)果，并作出判斷，確定主DSP。主DSP的功能主要是控制對外的輸出，包括控制D/A總線輸出和RS232輸出。
2.5.1 中心仲裁模塊的仲裁方式
當(dāng)硬件判決模塊和軟件表決模塊都沒有報錯時，系統(tǒng)采用默認的DSP1為主DSP；如果硬件判決模塊有一塊DSP報錯，則隔離出錯的DSP，沒有出錯的DSP將會成為主DSP ，并且輸出報警信號；如果兩個DSP都報錯，則會報告系統(tǒng)的錯誤，并提供控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的接口信號，讓系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)啟動安保系統(tǒng)(對于磁軸承便是迅速停止高速旋轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)該包括實際應(yīng)用的環(huán)境所需的保護操作)。當(dāng)兩個DSP都沒有產(chǎn)生DSP硬件報錯的時候，如果軟件表決模塊報錯，則通過CPLD啟動復(fù)位信號，重新復(fù)位兩個DSP，并且由CPLD核心控制模塊記錄復(fù)位次數(shù)；如果系統(tǒng)連續(xù)復(fù)位次數(shù)超過四次且沒有出現(xiàn)一次正確的輸出總線結(jié)果，或兩個DSP在線自檢均沒有通過，將會發(fā)出類似兩個DSP硬件報錯的情況，啟動安保系統(tǒng)；如果有一個DSP自檢不通過，則隔離自檢不通過的DSP，系統(tǒng)輸出報警信號，主DSP控制權(quán)交給沒有出錯的DSP；如果復(fù)位次數(shù)小于四次，且出現(xiàn)了正確的輸出總線結(jié)果，CPLD模塊會清除復(fù)位計數(shù)次數(shù)，并且由兩個DSP共同工作，主DSP依然是DSP1。
2.5.2 DSP軟件的實現(xiàn)
系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖4所示，其中虛線框內(nèi)是通過CPLD實現(xiàn)的。在DSP系統(tǒng)中，使用了看門狗模塊來解決系統(tǒng)程序跑飛問題。系統(tǒng)復(fù)位后，通過檢測看門狗電路復(fù)位標(biāo)志位(此標(biāo)志位用來區(qū)分是否為由仲裁模塊引起的復(fù)位)來檢測是否為系統(tǒng)程序跑飛，如果是系統(tǒng)看門狗復(fù)位，則通過軟件使DSP產(chǎn)生輸出總線報錯，其結(jié)果與輸出總線報錯處理方式一樣；否則為由仲裁模塊引起的復(fù)位，執(zhí)行在線自檢，如果在線自檢不通過，CPLD會自動隔離硬件。其中，為減小系統(tǒng)的復(fù)位花銷時間并控制系統(tǒng)的連續(xù)性，存儲數(shù)據(jù)時采用了雙口RAM idt7133，這樣可以在復(fù)位后快速采用前一次計算的暫存數(shù)據(jù)(相互取對方數(shù)據(jù)，并且與自己的數(shù)據(jù)進行平均)，使控制系統(tǒng)持續(xù)地工作，即讓復(fù)位對系統(tǒng)的影響降到最小。
2.6 在線自檢的實現(xiàn)
通過CPLD中心仲裁模塊來控制信號傳輸控制門，實現(xiàn)A/D信號源的改變，改成基準(zhǔn)電平(本設(shè)計中為2.5V)，再通過實際的控制算法來計算；并將結(jié)果輸出到CPLD來與離線計算好的結(jié)果(存儲在CPLD中)比較，如果實時計算結(jié)果和離線結(jié)果相同，則表示系統(tǒng)自檢通過，否則，自動隔離自檢不通過的DSP。
3 系統(tǒng)的可靠性評估
系統(tǒng)的中心控制模塊是采用CPLD實現(xiàn)的，CPLD通過硬件邏輯實現(xiàn)功能，它的可靠性遠高于基于程序?qū)崿F(xiàn)的DSP。在高可靠性的系統(tǒng)中還可以采用熔絲技術(shù)的高可靠性CPLD。在本系統(tǒng)中把CPLD的故障率認為近似是0，即平均無故障時間認為是遠大于DSP。
系統(tǒng)采用的是熱備冗余方式，這種并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)的可靠度可以通過下列的式子計算：
評價系統(tǒng)可靠度的指標(biāo)有平均無故障時間(MTBFs)、故障率。設(shè)計中通常采用平均無故障時間作為評價標(biāo)準(zhǔn)，其表達直觀明了。由單機系統(tǒng)的故障率為λ可知,單機系統(tǒng)的平均無故障時間為1/λ，而本方案的平均無故障時間為：
顯然，本系統(tǒng)的無故障時間為單機運行的1.5倍，較大地提高了控制器系統(tǒng)的可靠性。
本文提出的磁懸浮容錯控制器方案采用了軟硬件協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)，較大地提高了控制器的可靠性；并且系統(tǒng)提供了供外部接口的安保和報警端口。此方案的實現(xiàn)為磁軸承的工業(yè)應(yīng)用提供了性能有保障的控制系統(tǒng)。
參考文獻
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