伺服系统飞车原因分析及措施

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1引言

伺服飞车是光电和导航装备常见的一种故障现象，方位与俯仰伺服系统均有可能出现。飞车时伺服驱动电机会不受控地全速转动，往往会对轴系转动范围受限的系统造成损坏。飞车现象的出现与伺服控制软件的工作状态密切相关，具体可由多种原因导致。例如在闭环控制中，如果测角反馈停止，由于积分作用会导致指令电压达到最大导致飞车。另外软件陷入死循环也会导致飞车。飞车更多地发生在伺服软件调试阶段，伺服相关参数的设置不能走极端，不能超过极限。另外伺服系统刚性太强、控制裕度太小时也容易出现飞车。目前光电装备伺服系统虽设计有电气限位和机械限位［1］，但都属于抑制飞车的辅助手段。光电装备伺服系统飞车多数情况下是软件方面的原因，传统的应对措施是采取软件限位的方法［2］，另外软件方面还可以采取增加保护程序，以检测控制软件是否正常刷新、是否死机以防止出现飞车。但存在的问题是一旦系统全面死机，软件限位及保护程序将失去作用，无法抑制飞车的出现。本文提出了设计不依赖于软件的底层硬件防飞车电路，电路简单工作可靠，是一种抑制伺服飞车的有效方法。

2伺服系统的组成与工作原理

单环路闭环伺服控制系统工作原理如图1所示［3］。闭环控制系统的基本原理是根据输入给定量与实际反馈测量值之间的偏差，通过PID等控制器计算出控制系统需要调整的运动量，并通过电机执行到位，从而使输出实时跟随输入［4］。包括光电装备在内的多数设备的伺服系统都是由控制单元（综合控制板）和驱动单元（伺服驱动板）组成。综合控制板对伺服驱动电路进行直接控制，其控制指令一般为模拟量电压信号，伺服驱动板接收模拟输入信号，伺服驱动电路输出PWM脉冲完成直流电机驱动，反馈单元可以是基于测角反馈或电流环反馈的负反馈单元。综合控制板与伺服驱动板之间的控制关系如图2所示。控制板提供2路控制信号以控制2路驱动电路的启停，高电平为停止有效，低电平时开启驱动电路。2路控制信号可以用作控制驱动板停车的保护功能，是针对伺服飞车需要采取的保护措施之一。驱动电路正常时反馈一个低电平信号（TTL电平）。控制板的核心器件为DSP和FPGA。驱动板设计以2路驱动为例。采用双极性工作方式，给定的指令电压范围-10～+10V。指令电压为0V时输出占空比50%的驱动脉冲，电机处于静止状态。伺服控制正常时会对占空比进行限制［5］，例如限制在90%（指令电压在±9V以内）。指令电压为+10V时输出占空比100%的驱动脉冲，电机处于全速驱动状态。指令电压为-10V时，电机处于反方向的全速驱动状态。电机处于不受控的全速驱动状态时，就是进入了所谓的飞车状态。出现飞车时，D/A转换器往往得到的是FF数据，对应输出+10V或-10V的指令电压。电气限位开关被触发时，往往飞车速度已经上来，不能第一时间起到保护作用，因此电气限位开关只能作为防飞车的辅助手段。

3伺服系统飞车原因的分析

理论上整个控制链路的任何一个环节都有可能造成飞车，伺服系统飞车故障树如图3所示。根据故障树，软件问题导致飞车的各种可能原因分析如下：

1）控制程序不受控如果软件控制程序不受控（跑飞）、死循环，或者不按正常流程执行，最终的输出量不受控将会造成飞车。

2）控制输入量异常控制输入量（位置、速度或者加速度）超出正常的范围值，例如位置输入量超出系统所能到达的实际范围（0°～360°或者-180°～180°），或者速度输入量超出控制系统所能到达的最大值都会导致飞车。

3）程序调试阶段容易出现飞车程序单步执行、设置断点执行或修改后运行，人为的错误（如符号位搞反）导致飞车。

4）部分陀螺信号旋转角度有限制当轴系旋转角度超过一定界限时，部分陀螺信号极性反相导致飞车。

5）测角反馈量异常测角反馈停止时由于积分作用导致指令电压过大，从而导致飞车。另外反馈测量值出现异常也会造成飞车。由于电气线路的故障，也会造成控制系统通讯中断或者反馈数据出现跳变导致飞车。

6）控制器参数不合理控制器参数调整不合理，容易造成伺服振荡甚至飞车，控制器输出必须与电机的执行方向相对应，并最终实现负反馈，如果形成了正反馈就必然出现飞车。

4伺服系统飞车的几种解决方法

4.1利用“看门狗”复位DSP软件故障

针对主控程序的“跑飞”，可以采取以下措施：在综合控制板内部增加“看门狗”功能，由FPGA实现（DSP容易死机而FPGA一般不死机），DSP工作时给FPGA定时发送脉冲信号，即主程序在运行期间要保持提供定时脉冲“喂狗”［6］。“看门狗”在外围监控DSP中软件的运行以及硬件的操作，当DSP出现故障或软件进入错误循环、工作出现混乱时，会导致FPGA收到不受控的数据，使D/A产生导致飞车的指令电压。此时定时脉冲消失，“看门狗”定时器将出现溢出并输出RST复位信号来使系统复位。DSP短暂的混乱可以被“看门狗”清除，DSP初始化重新运行，保证了伺服系统在不重新上电的情况下恢复正常功能［7］。

4.2关断伺服驱动电路

综合控制板可以关闭驱动电路，该功能可以用于抑制伺服系统的飞车。FPGA“看门狗”定时器在复位DSP的同时，将RST复位信号作为驱动关闭信号发送至伺服驱动板，停止驱动板的工作，这样DSP的复位过程中可以关闭伺服驱动电路以抑制飞车。还有一种情况是主控程序运行正常但PID运算结果出错导致飞车，在主控程序正常运行的情况下，PID运算某一环节出错导致伺服驱动板得到过大的指令电压。由于DSP运算结果是通过FPGA数据传送到D/A转换芯片，可以在FPGA环节加入判断，当D/A运算结果大于设定值时，FPGA给驱动电路发送关断信号，保证PID运算结果出错时避免出现飞车。

4.3设计底层硬件电路抑制飞车

极端情况下，DSP与FPGA均出现死机、工作紊乱，“看门狗”功能消失，软件已完全失控，D/A收到异常数据输出不受控的指令电压，此时利用软件功能已无法抑制飞车。因此有必要在伺服驱动电路中设计一个最底层的纯硬件电路，在所有软件控制失效的情况下仍然能够实现对飞车的抑制。其工作原理是设计针对驱动电路的功率脉冲遗失检测电路，对驱动脉冲进行取样检测，检测电路的输出接至伺服驱动电路控制端。飞车时D/A得到的是全FF数据，输出满幅指令电压（占空比为1），脉冲消失。此时脉冲遗失检测电路输出电平翻转，关断伺服驱动电路。该功能由最底层硬件电路实现，与软件功能无关，不受系统死机影响，是抑制伺服系统飞车的最后一道防线。某水下光电装备伺服系统设计了防飞车硬件电路，效果明显。其技术原理是：上位机每完成一个控制周期发出一个脉冲，软件工作正常时，将产生周期性脉冲，如果系统死机或软件跑飞则该脉冲将消失。采用单稳触发器检测该脉冲［8］，只要消失一个脉冲，单稳触发器输出电平就会翻转，关闭伺服通道，保证了安全措施的快速性、实时性。另一种方法，无需检测上位机发出的脉冲，只检测驱动电机的。其原理如下：正常工作时，可用指令电压最大值设定为满幅电压的90%（对应的PWM脉冲占空比最高90%）。而飞车发生时，控制数据为全FF，指令电压不受控为最大值，PWM脉冲消失（占空比为1）。采用基于单稳触发器的检测电路对PWM脉冲进行消失检测，可以第一时间检测出飞车并关闭伺服驱动的输出。

4.4利用全桥电路实现刹车制动

前述的几种抑制飞车的方法都是停止电机的驱动，但不能产生反向制动力矩，电机及负载会由于惯性继续转动，达不到抑制飞车的最佳效果，这里介绍一种利用全桥逻辑控制，使电机产生反向力矩的方法，能使出现飞车的电机快速刹停［9］。全桥式功率驱动电路如图5所示，该方式需要使T1~T4四个MOSFET均能实现单独控制，Io为电机正常工作时的驱动电流，IF为制动电流。在飞车出现时，控制系统在发出伺服电路关断信号的同时，关闭桥式电路两个高端功率管T1、T4，同时控制低端两个功率管T2、T3导通，这样就为反馈能量产生的制动电流IF提供了电流回路。该电流与电机减速前的驱动电流Io方向相反，产生一个反向力矩，加快了电机的减速过程。这种利用制动电流实现电机刹车的方法是抑制飞车的较理想手段，既能快速抑制飞车，又能消除泵生电压［10］。

5结论

系统死机、软件跑飞或陷入死循环、软件单步执行、设置断点执行时都可能会引起设备飞车。虽然软件方面可以采取一些措施防止飞车，但一旦出现系统全面死机的故障，软件自身是解决不了问题的，抑制飞车必须具备从底层电路（硬件）解决问题的手段。利用飞车时出现满幅指令电压（PWM脉冲消失）电机全速运转的特点，设计单稳触发器构成的脉冲遗失检测电路，可以实时检测飞车的发生并关闭伺服驱动电路，第一时间抑制飞车。是一种电路简单、工作可靠、不依赖于软件的抑制飞车的有效措施。

参考文献

［1］田洪伟.天线转台限位保护装置的设计与实现［J］.自动化技术与应用，2017，36（12）：128-130.

［2］韩光宇，曹立华，张文豹，等.光电经纬仪俯仰轴系限位的设计与实现［J］.电子测量与仪器学报，2014，28（1）：91-95.

［3］任俊杰，李永霞，李媛，等.基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现［J］.制造业自动化，2009，31（4）：20-23.

［4］陈浩，吴定祥.单相交流串励电机调速系统设计［J］.机电工程，2016，33（12）：1483-1487.

［5］李政学，李正熙，班晓娟.基于占空比控制的异步电机直接转矩控制［J］.电力电子技术，2014，4（4）：17-19.

［6］张磊，徐叔喜，余向阳，等.一种多核SoC系统的多源看门狗设计技术［J］.单片机与嵌入式系统应用，2021，（7）：87-91.

［7］孙国志，宁宁，张弛.一种片上系统复位电路的设计［J］.电子技术应用，2012，38（12）：32-35.

［8］朱华，王玫，王长龙.UWB定位系统中首达脉冲检测的FPGA实现［J］.计算机工程与科学，2009，31（3）：132-134.

［9］刘颖，尹泉，龚云生.PMSM伺服控制系统能耗制动过程分析［J］.变频器世界，2016，（3）：88-93.

［10］宋书中，王浩然，周秋燕.基于空间矢量的能量回馈系统控制方法的研究［J］.工矿自动化，2009，（4）：32-35.

作者:涂克颇 李为民 严加朋 郭志华 单位:华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心