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1引言

伺服飛車是光電和導航裝備常見的一種故障現象，方位與俯仰伺服系統均有可能出現。飛車時伺服驅動電機會不受控地全速轉動，往往會對軸系轉動范圍受限的系統造成損壞。飛車現象的出現與伺服控制軟件的工作狀態密切相關，具體可由多種原因導致。例如在閉環控制中，如果測角反饋停止，由于積分作用會導致指令電壓達到最大導致飛車。另外軟件陷入死循環也會導致飛車。飛車更多地發生在伺服軟件調試階段，伺服相關參數的設置不能走極端，不能超過極限。另外伺服系統剛性太強、控制裕度太小時也容易出現飛車。目前光電裝備伺服系統雖設計有電氣限位和機械限位［1］，但都屬于抑制飛車的輔助手段。光電裝備伺服系統飛車多數情況下是軟件方面的原因，傳統的應對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程序，以檢測控制軟件是否正常刷新、是否死機以防止出現飛車。但存在的問題是一旦系統全面死機，軟件限位及保護程序將失去作用，無法抑制飛車的出現。本文提出了設計不依賴于軟件的底層硬件防飛車電路，電路簡單工作可靠，是一種抑制伺服飛車的有效方法。

2伺服系統的組成與工作原理

單環路閉環伺服控制系統工作原理如圖1所示［3］。閉環控制系統的基本原理是根據輸入給定量與實際反饋測量值之間的偏差，通過PID等控制器計算出控制系統需要調整的運動量，并通過電機執行到位，從而使輸出實時跟隨輸入［4］。包括光電裝備在內的多數設備的伺服系統都是由控制單元（綜合控制板）和驅動單元（伺服驅動板）組成。綜合控制板對伺服驅動電路進行直接控制，其控制指令一般為模擬量電壓信號，伺服驅動板接收模擬輸入信號，伺服驅動電路輸出PWM脈沖完成直流電機驅動，反饋單元可以是基于測角反饋或電流環反饋的負反饋單元。綜合控制板與伺服驅動板之間的控制關系如圖2所示。控制板提供2路控制信號以控制2路驅動電路的啟停，高電平為停止有效，低電平時開啟驅動電路。2路控制信號可以用作控制驅動板停車的保護功能，是針對伺服飛車需要采取的保護措施之一。驅動電路正常時反饋一個低電平信號（TTL電平）。控制板的核心器件為DSP和FPGA。驅動板設計以2路驅動為例。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時輸出占空比50%的驅動脈沖，電機處于靜止狀態。伺服控制正常時會對占空比進行限制［5］，例如限制在90%（指令電壓在±9V以內）。指令電壓為+10V時輸出占空比100%的驅動脈沖，電機處于全速驅動狀態。指令電壓為-10V時，電機處于反方向的全速驅動狀態。電機處于不受控的全速驅動狀態時，就是進入了所謂的飛車狀態。出現飛車時，D/A轉換器往往得到的是FF數據，對應輸出+10V或-10V的指令電壓。電氣限位開關被觸發時，往往飛車速度已經上來，不能第一時間起到保護作用，因此電氣限位開關只能作為防飛車的輔助手段。

3伺服系統飛車原因的分析

理論上整個控制鏈路的任何一個環節都有可能造成飛車，伺服系統飛車故障樹如圖3所示。根據故障樹，軟件問題導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，或者不按正常流程執行，最終的輸出量不受控將會造成飛車。

2）控制輸入量異常控制輸入量（位置、速度或者加速度）超出正常的范圍值，例如位置輸入量超出系統所能到達的實際范圍（0°～360°或者-180°～180°），或者速度輸入量超出控制系統所能到達的最大值都會導致飛車。

3）程序調試階段容易出現飛車程序單步執行、設置斷點執行或修改后運行，人為的錯誤（如符號位搞反）導致飛車。

4）部分陀螺信號旋轉角度有限制當軸系旋轉角度超過一定界限時，部分陀螺信號極性反相導致飛車。

5）測角反饋量異常測角反饋停止時由于積分作用導致指令電壓過大，從而導致飛車。另外反饋測量值出現異常也會造成飛車。由于電氣線路的故障，也會造成控制系統通訊中斷或者反饋數據出現跳變導致飛車。

6）控制器參數不合理控制器參數調整不合理，容易造成伺服振蕩甚至飛車，控制器輸出必須與電機的執行方向相對應，并最終實現負反饋，如果形成了正反饋就必然出現飛車。

4伺服系統飛車的幾種解決方法

4.1利用“看門狗”復位DSP軟件故障

針對主控程序的“跑飛”，可以采取以下措施：在綜合控制板內部增加“看門狗”功能，由FPGA實現（DSP容易死機而FPGA一般不死機），DSP工作時給FPGA定時發送脈沖信號，即主程序在運行期間要保持提供定時脈沖“喂狗”［6］。“看門狗”在外圍監控DSP中軟件的運行以及硬件的操作，當DSP出現故障或軟件進入錯誤循環、工作出現混亂時，會導致FPGA收到不受控的數據，使D/A產生導致飛車的指令電壓。此時定時脈沖消失，“看門狗”定時器將出現溢出并輸出RST復位信號來使系統復位。DSP短暫的混亂可以被“看門狗”清除，DSP初始化重新運行，保證了伺服系統在不重新上電的情況下恢復正常功能［7］。

4.2關斷伺服驅動電路

綜合控制板可以關閉驅動電路，該功能可以用于抑制伺服系統的飛車。FPGA“看門狗”定時器在復位DSP的同時，將RST復位信號作為驅動關閉信號發送至伺服驅動板，停止驅動板的工作，這樣DSP的復位過程中可以關閉伺服驅動電路以抑制飛車。還有一種情況是主控程序運行正常但PID運算結果出錯導致飛車，在主控程序正常運行的情況下，PID運算某一環節出錯導致伺服驅動板得到過大的指令電壓。由于DSP運算結果是通過FPGA數據傳送到D/A轉換芯片，可以在FPGA環節加入判斷，當D/A運算結果大于設定值時，FPGA給驅動電路發送關斷信號，保證PID運算結果出錯時避免出現飛車。

4.3設計底層硬件電路抑制飛車

極端情況下，DSP與FPGA均出現死機、工作紊亂，“看門狗”功能消失，軟件已完全失控，D/A收到異常數據輸出不受控的指令電壓，此時利用軟件功能已無法抑制飛車。因此有必要在伺服驅動電路中設計一個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實現對飛車的抑制。其工作原理是設計針對驅動電路的功率脈沖遺失檢測電路，對驅動脈沖進行取樣檢測，檢測電路的輸出接至伺服驅動電路控制端。飛車時D/A得到的是全FF數據，輸出滿幅指令電壓（占空比為1），脈沖消失。此時脈沖遺失檢測電路輸出電平翻轉，關斷伺服驅動電路。該功能由最底層硬件電路實現，與軟件功能無關，不受系統死機影響，是抑制伺服系統飛車的最后一道防線。某水下光電裝備伺服系統設計了防飛車硬件電路，效果明顯。其技術原理是：上位機每完成一個控制周期發出一個脈沖，軟件工作正常時，將產生周期性脈沖，如果系統死機或軟件跑飛則該脈沖將消失。采用單穩觸發器檢測該脈沖［8］，只要消失一個脈沖，單穩觸發器輸出電平就會翻轉，關閉伺服通道，保證了安全措施的快速性、實時性。另一種方法，無需檢測上位機發出的脈沖，只檢測驅動電機的。其原理如下：正常工作時，可用指令電壓最大值設定為滿幅電壓的90%（對應的PWM脈沖占空比最高90%）。而飛車發生時，控制數據為全FF，指令電壓不受控為最大值，PWM脈沖消失（占空比為1）。采用基于單穩觸發器的檢測電路對PWM脈沖進行消失檢測，可以第一時間檢測出飛車并關閉伺服驅動的輸出。

4.4利用全橋電路實現剎車制動

前述的幾種抑制飛車的方法都是停止電機的驅動，但不能產生反向制動力矩，電機及負載會由于慣性繼續轉動，達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，使電機產生反向力矩的方法，能使出現飛車的電機快速剎停［9］。全橋式功率驅動電路如圖5所示，該方式需要使T1~T4四個MOSFET均能實現單獨控制，Io為電機正常工作時的驅動電流，IF為制動電流。在飛車出現時，控制系統在發出伺服電路關斷信號的同時，關閉橋式電路兩個高端功率管T1、T4，同時控制低端兩個功率管T2、T3導通，這樣就為反饋能量產生的制動電流IF提供了電流回路。該電流與電機減速前的驅動電流Io方向相反，產生一個反向力矩，加快了電機的減速過程。這種利用制動電流實現電機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結論

系統死機、軟件跑飛或陷入死循環、軟件單步執行、設置斷點執行時都可能會引起設備飛車。雖然軟件方面可以采取一些措施防止飛車，但一旦出現系統全面死機的故障，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。利用飛車時出現滿幅指令電壓（PWM脈沖消失）電機全速運轉的特點，設計單穩觸發器構成的脈沖遺失檢測電路，可以實時檢測飛車的發生并關閉伺服驅動電路，第一時間抑制飛車。是一種電路簡單、工作可靠、不依賴于軟件的抑制飛車的有效措施。

參考文獻

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［10］宋書中，王浩然，周秋燕.基于空間矢量的能量回饋系統控制方法的研究［J］.工礦自動化，2009，（4）：32-35.

作者:涂克頗 李為民 嚴加朋 郭志華 單位:華中光電技術研究所—武漢光電國家研究中心