一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法。一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法，包括雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器組成包括轉(zhuǎn)速傳感器1、轉(zhuǎn)速傳感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信總線、雙線圈比例電磁鐵執(zhí)行器、線圈1驅(qū)動(dòng)和線圈2驅(qū)動(dòng)，所述控制器A通過轉(zhuǎn)速傳感器1采集轉(zhuǎn)速并且控制驅(qū)動(dòng)線圈1，所述的控制器B通過轉(zhuǎn)速傳感器2采集轉(zhuǎn)速并控制驅(qū)動(dòng)線圈2；所述的CAN1和CAN2實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)共享；線圈1和線圈2獨(dú)立動(dòng)作完成控制功能。雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器保證了單機(jī)系統(tǒng)故障的情況下柴油機(jī)無停機(jī)平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)行，提高電子調(diào)速器的可靠性。
【專利說明】
一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法。 技術(shù)背景
[0002] 柴油機(jī)的發(fā)展具有上百年的歷史，因其較高的熱效率、寬廣的功率范圍、較好的適 應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。柴油機(jī)調(diào)速器是柴油機(jī)十分重要的一個(gè)部件，柴油機(jī)電子 調(diào)速器的可靠性是柴油機(jī)整機(jī)可靠性的重要一環(huán)，可靠性是柴油機(jī)電子調(diào)速器設(shè)計(jì)的重要 的性能指標(biāo)之一。提高控制系統(tǒng)的可靠性通常有兩種方法，一是在電子調(diào)速器設(shè)計(jì)過程中 的避錯(cuò)，必要時(shí)可以在在單機(jī)系統(tǒng)上增加一些容錯(cuò)環(huán)節(jié)，對(duì)一些系統(tǒng)常見故障具有容忍能 力。第二種方法也就是控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。雙線圈熱冗余比例電磁鐵執(zhí)行器的控制則是柴 油機(jī)電子調(diào)速器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雙線圈熱冗余比例電磁鐵執(zhí)行器顧名思義是由兩個(gè)線圈組 成，其中每個(gè)線圈可以獨(dú)立工作。雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器中的兩個(gè)線圈由兩個(gè)控制器獨(dú)立 控制，雙機(jī)都工作正常時(shí)兩個(gè)線圈同時(shí)工作，當(dāng)兩個(gè)線圈一路出現(xiàn)故障時(shí)，故障路線圈停止 工作，正常的線圈繼續(xù)工作，保證控制系統(tǒng)故障情況下的柴油機(jī)無停機(jī)連續(xù)運(yùn)行。故障處理 過程中要求柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制滿足一定的指標(biāo)，這就必須設(shè)計(jì)特定的控制策略才能夠保 證。本發(fā)明涉及一種雙線圈熱冗余比例電磁鐵的控制方法，具體的說是一種保證執(zhí)行器穩(wěn) 定的由雙線圈工作切換為單線圈工作的控制方法。已經(jīng)公開的文獻(xiàn)中有很多專利和論文提 及了雙機(jī)熱備份的概念，但是并沒有提及關(guān)于雙線圈執(zhí)行器切換過程控制方法，更沒有文 獻(xiàn)提及由雙線圈控制向單線圈控制切換的穩(wěn)定性控制方法

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)線圈出現(xiàn)故 障情況下的雙線圈控制向單線圈控制的平穩(wěn)過度，實(shí)現(xiàn)故障情況下柴油機(jī)無停機(jī)平穩(wěn)連續(xù) 運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性和可用性的雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方 法。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法，包括雙機(jī)熱備份 電子調(diào)速器組成包括轉(zhuǎn)速傳感器1、轉(zhuǎn)速傳感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信總線、 雙線圈比例電磁鐵執(zhí)行器、線圈1驅(qū)動(dòng)和線圈2驅(qū)動(dòng)，所述控制器A通過轉(zhuǎn)速傳感器1采集轉(zhuǎn) 速并且控制驅(qū)動(dòng)線圈1，所述的控制器B通過轉(zhuǎn)速傳感器2采集轉(zhuǎn)速并控制驅(qū)動(dòng)線圈2;所述 的CAN1和CAN2實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)共享;線圈1和線圈2獨(dú)立動(dòng)作完成控制功能；
[0006] 雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余比例電磁鐵執(zhí)行器的切換控制是這樣實(shí)現(xiàn) 的：當(dāng)線圈1和線圈2對(duì)應(yīng)的整個(gè)控制回路都工作正常時(shí)，控制系統(tǒng)兩個(gè)線圈都處于工作狀 態(tài)，控制器A驅(qū)動(dòng)線圈1工作，控制器B驅(qū)動(dòng)線圈2工作，控制器A和控制器B之間通過CAN總線 傳遞實(shí)時(shí)信息，當(dāng)兩個(gè)線圈之一發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)，系統(tǒng)故障檢測模塊檢測到相應(yīng) 故障，通過CAN總線通知另一個(gè)控制器，故障回路線圈停止工作，正常線圈對(duì)應(yīng)的控制器先 處理控制量，保證系統(tǒng)由雙線圈控制切換為單線圈控制時(shí)執(zhí)行器的輸出拉桿不出現(xiàn)大的位 置波動(dòng)，切換過程中控制量的連續(xù)性通過CAN總線通信協(xié)調(diào)保證。
[0007] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0008] 1、雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器保證了單機(jī)系統(tǒng)故障的情況下柴油機(jī)無停機(jī)平穩(wěn)連續(xù) 運(yùn)行，提高電子調(diào)速器的可靠性。
[0009] 2、正常情況下兩個(gè)線圈都出于工作狀態(tài)，單個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)降級(jí)為單線圈工 作，切換過程過度平穩(wěn)。
[0010] 3、雙線圈工作切換為單線圈工作的過程完全由軟件完成，便于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0011] 圖1為雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器原理圖；
[0012] 圖2為比例電磁鐵工作原理與受力分析圖；
[0013] 圖3為雙線圈比例電磁鐵執(zhí)行器切換過程流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0015] -種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法，雙機(jī)熱備份電子 調(diào)速器組成包括轉(zhuǎn)速傳感器1、轉(zhuǎn)速傳感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信總線、雙線 圈比例電磁鐵執(zhí)行器、線圈1驅(qū)動(dòng)和線圈2驅(qū)動(dòng)。所述控制器A通過轉(zhuǎn)速傳感器1采集轉(zhuǎn)速并 且控制驅(qū)動(dòng)線圈1，所述的控制器B通過轉(zhuǎn)速傳感器2采集轉(zhuǎn)速并控制驅(qū)動(dòng)線圈2;所述的 CAN1和CAN2實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)共享;線圈1和線圈2能夠獨(dú)立動(dòng)作完成控制功能。
[0016] 雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余比例電磁鐵執(zhí)行器的切換控制是這樣實(shí)現(xiàn) 的：當(dāng)兩個(gè)線圈1和線圈2對(duì)應(yīng)的整個(gè)控制回路都工作正常時(shí)，控制系統(tǒng)兩個(gè)線圈都處于工 作狀態(tài)，控制器A驅(qū)動(dòng)線圈1工作，控制器B驅(qū)動(dòng)線圈2工作，控制器A和控制器B之間通過CAN 總線傳遞實(shí)時(shí)信息，當(dāng)兩個(gè)線圈之一發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)，系統(tǒng)故障檢測模塊檢測到 相應(yīng)故障，通過CAN總線通知另一個(gè)控制器，故障回路線圈停止工作，正常線圈對(duì)應(yīng)的控制 器先處理控制量，保證系統(tǒng)由雙線圈控制切換為單線圈控制時(shí)執(zhí)行器的輸出拉桿不出現(xiàn)大 的位置波動(dòng)，切換過程中控制量的連續(xù)性通過CAN總線通信協(xié)調(diào)保證。
[0017] 雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器還包括：
[0018] 1、兩個(gè)控制器分別連接著兩個(gè)獨(dú)立的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，能夠獨(dú)立的采集柴油機(jī) 轉(zhuǎn)速。雙線圈比例電磁鐵執(zhí)行器作為雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是具有兩 路線圈，兩路線圈都能夠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器拉桿。兩個(gè)控制器的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)端口分別驅(qū)動(dòng) 一個(gè)線圈，這樣就構(gòu)成了兩套控制回路。
[0019] 2、CAN總線通信是雙線圈切換過程中的核心，使用雙CAN總線通信大大提高系統(tǒng)的 可靠性。
[0020] 3、當(dāng)兩個(gè)控制回路中的一個(gè)回路出現(xiàn)問題時(shí)執(zhí)行器由雙線圈同時(shí)工作切換為單 線圈工作，切換過程中執(zhí)行器位置為連續(xù)性根據(jù)麥克斯韋電磁力計(jì)算方法和執(zhí)行器工作原 理保證。
[0021] 結(jié)合圖1雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器具體包括以下部分：
[0022] 控制器A和控制器B為兩個(gè)一樣的控制器，兩個(gè)控制器分別連接著兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感 器，能夠獨(dú)立的測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，雙線圈比例電磁鐵執(zhí)行器做為雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是具有兩路線圈，兩路線圈都能夠獨(dú)立工作驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器拉桿。控制器A驅(qū) 動(dòng)線圈1工作，控制器B驅(qū)動(dòng)線圈2工作，這樣就構(gòu)成了兩套對(duì)等的控制回路。
[0023] 兩個(gè)控制器對(duì)應(yīng)的控制回路無故障的情況下，執(zhí)行器的兩個(gè)線圈都處于工作狀 態(tài)，控制器A控制線圈1，控制器B控制線圈2。兩個(gè)控制器之間通過冗余的CAN總線通信，CAN 總線保證雙機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享。當(dāng)一個(gè)控制器發(fā)生故障，系統(tǒng)由雙機(jī)模式切換為單機(jī)模式， 只有一路線圈工作，切換過程中控制量的連續(xù)性通過CAN總線通信根據(jù)麥克斯韋電磁力計(jì) 算方法保證。
[0024] 結(jié)合圖3雙線圈比例電磁鐵切換方法具體工作過程如下：控制器A和控制器B運(yùn)行 相同的程序，控制器A通過轉(zhuǎn)速傳感器1采集發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，控制器A經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動(dòng)控制執(zhí) 行器的線圈1，并且采集執(zhí)行器的位移和流經(jīng)線圈1的電流;控制器B通過轉(zhuǎn)速傳感器2采集 發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，控制器B經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行器線圈2,并且采集執(zhí)行器位移和流經(jīng)執(zhí) 行器線圈2的電流。控制器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和執(zhí)行器位移和電流信號(hào)，并根據(jù)轉(zhuǎn)速、執(zhí) 行器位移、流經(jīng)線圈的電流進(jìn)行執(zhí)行器故障診斷，具體的故障診斷方法為閾值診斷法。當(dāng)執(zhí) 行器位移的AD采樣值小于一定閾值時(shí)則發(fā)生位移傳感器斷線故障，當(dāng)執(zhí)行器電流大于電流 上限閾值則診斷為執(zhí)行器發(fā)生短路故障。1)檢測到以上兩個(gè)故障中任意一個(gè)則進(jìn)一步判 斷，如果當(dāng)前系統(tǒng)處于單機(jī)模式或者CAN總線收到故障請(qǐng)求幀，則認(rèn)為系統(tǒng)雙機(jī)都發(fā)生故 障，系統(tǒng)停止工作;2)如果當(dāng)前系統(tǒng)工作于雙機(jī)模式并且CAN總線沒有收到故障請(qǐng)求幀，則 認(rèn)為系統(tǒng)單個(gè)線圈發(fā)生故障，故障線圈停止工作，CAN總線發(fā)送故障請(qǐng)求幀。故障請(qǐng)求幀要 輪流在兩路CAN總線上發(fā)送，直到收到故障請(qǐng)求應(yīng)答幀才停止CAN總線故障請(qǐng)求，控制器停 止工作。
[0025]如果故障檢測環(huán)節(jié)沒有檢測到短路或者斷路故障，則系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行PID計(jì)算程序， CAN總線發(fā)送正常幀，之后判斷系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)：1)當(dāng)前系統(tǒng)工作于雙機(jī)模式。為了控 制器能夠及時(shí)的收到對(duì)方控制器發(fā)送的故障請(qǐng)求幀，需要在控制量輸出之前再次判斷是否 收到故障請(qǐng)求幀，如果沒有收到故障請(qǐng)求幀，則雙機(jī)系統(tǒng)工作正常，輸出控制量，準(zhǔn)備進(jìn)入 下一工作循環(huán);如果收到故障請(qǐng)求幀，首先CAN總線發(fā)送故障請(qǐng)求應(yīng)答幀，認(rèn)定系統(tǒng)單個(gè)線 圈發(fā)生故障，單機(jī)運(yùn)行模式標(biāo)志位置位，并且對(duì)控制量輸出進(jìn)行連續(xù)性處理后再輸出；2)當(dāng) 前系統(tǒng)工作于單機(jī)模式，則不再檢測故障請(qǐng)求幀，系統(tǒng)會(huì)一直處于單機(jī)運(yùn)行模式直至控制 器的下次重新上電復(fù)位。
[0026]關(guān)于切換過程中的控制量連續(xù)性處理。雙機(jī)從雙機(jī)模式切換為單機(jī)模式過程中實(shí) 際上控制器B停止使用，執(zhí)行器由雙線圈工作切換單線圈工作，為了保證柴油機(jī)在控制系統(tǒng) 工作模式切換過程中運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速性能滿足柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組二級(jí)電站的性能指標(biāo)，必須 進(jìn)行控制量的連續(xù)性處理，以保證在雙線圈工作切換為單線圈工作時(shí)執(zhí)行器拉桿不出現(xiàn)大 的變動(dòng)。
[0027]按照麥克斯韋電磁場理論和比例電磁鐵執(zhí)行器的工作原理圖如圖2,執(zhí)行器在工 作過程中主要受到電磁力Fe，彈簧的彈力以及阻尼力，因此有電磁執(zhí)行器力平衡方程為：
[0028]
[0029] 再由執(zhí)行器的線圈可以等效為一個(gè)電感加上電阻（見圖2)，所以執(zhí)行器的電壓平 衡方程為：
[0030]
[0031] 其中k為彈簧剛度;c為阻尼系數(shù);m為銜鐵質(zhì)量;Km為電磁力系數(shù);為反電動(dòng)勢系 數(shù);L為線圈電感;R為線圈電阻。
[0032]由麥克斯韋電磁力計(jì)算公式
[0033]
[0034] 其中為磁通量，為真空磁導(dǎo)率，S為工作氣隙對(duì)應(yīng)的磁極面積。
[0035] 又笮
[0036]其中Z為線圈匝數(shù)，Rl-Rn為磁路系統(tǒng)中的各部分磁阻。在機(jī)械結(jié)構(gòu)一致的情況下 Rl-Rn，y0,均為常量，電磁力大小與I2成正比。
[0037]單線圈工作模式下的PWM占空比是原來雙線圈工作模式下占空比的倍即可保證切 換過程中執(zhí)行器的拉桿不出現(xiàn)大的波動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余執(zhí)行器切換控制方法，包括雙機(jī)熱備份電 子調(diào)速器組成包括轉(zhuǎn)速傳感器1、轉(zhuǎn)速傳感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信總線、雙 線圈比例電磁鐵執(zhí)行器、線圈1驅(qū)動(dòng)和線圈2驅(qū)動(dòng)，所述控制器A通過轉(zhuǎn)速傳感器1采集轉(zhuǎn)速 并且控制驅(qū)動(dòng)線圈1，所述的控制器B通過轉(zhuǎn)速傳感器2采集轉(zhuǎn)速并控制驅(qū)動(dòng)線圈2;所述的 CAN1和CAN2實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)共享;線圈1和線圈2獨(dú)立動(dòng)作完成控制功能；其特 征在于： 雙機(jī)熱備份電子調(diào)速器雙線圈熱冗余比例電磁鐵執(zhí)行器的切換控制是這樣實(shí)現(xiàn)的：當(dāng) 線圈1和線圈2對(duì)應(yīng)的整個(gè)控制回路都工作正常時(shí)，控制系統(tǒng)兩個(gè)線圈都處于工作狀態(tài)，控 制器A驅(qū)動(dòng)線圈1工作，控制器B驅(qū)動(dòng)線圈2工作，控制器A和控制器B之間通過CAN總線傳遞實(shí) 時(shí)信息，當(dāng)兩個(gè)線圈之一發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)，系統(tǒng)故障檢測模塊檢測到相應(yīng)故障，通 過CAN總線通知另一個(gè)控制器，故障回路線圈停止工作，正常線圈對(duì)應(yīng)的控制器先處理控制 量，保證系統(tǒng)由雙線圈控制切換為單線圈控制時(shí)執(zhí)行器的輸出拉桿不出現(xiàn)大的位置波動(dòng)， 切換過程中控制量的連續(xù)性通過CAN總線通信協(xié)調(diào)保證。
【文檔編號(hào)】H01F7/16GK105863851SQ201610293269
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】宋恩哲, 趙國鋒, 姚崇, 孫軍, 楊立平
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)