一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法

摘要

本发明涉及的是一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法。一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法，包括双机热备份电子调速器组成包括转速传感器1、转速传感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信总线、双线圈比例电磁铁执行器、线圈1驱动和线圈2驱动，所述控制器A通过转速传感器1采集转速并且控制驱动线圈1，所述的控制器B通过转速传感器2采集转速并控制驱动线圈2；所述的CAN1和CAN2实现双机之间的通信和数据共享；线圈1和线圈2独立动作完成控制功能。双机热备份电子调速器保证了单机系统故障的情况下柴油机无停机平稳连续运行，提高电子调速器的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法。

技术背景

柴油机的发展具有上百年的历史，因其较高的热效率、宽广的功率范围、较好的适应性等优点而得到广泛的应用。柴油机调速器是柴油机十分重要的一个部件，柴油机电子调速器的可靠性是柴油机整机可靠性的重要一环，可靠性是柴油机电子调速器设计的重要的性能指标之一。提高控制系统的可靠性通常有两种方法，一是在电子调速器设计过程中的避错，必要时可以在在单机系统上增加一些容错环节，对一些系统常见故障具有容忍能力。第二种方法也就是控制系统冗余设计。双线圈热冗余比例电磁铁执行器的控制则是柴油机电子调速器的关键环节。双线圈热冗余比例电磁铁执行器顾名思义是由两个线圈组成，其中每个线圈可以独立工作。双机热备份电子调速器中的两个线圈由两个控制器独立控制，双机都工作正常时两个线圈同时工作，当两个线圈一路出现故障时，故障路线圈停止工作，正常的线圈继续工作，保证控制系统故障情况下的柴油机无停机连续运行。故障处理过程中要求柴油机的转速控制满足一定的指标，这就必须设计特定的控制策略才能够保证。本发明涉及一种双线圈热冗余比例电磁铁的控制方法，具体的说是一种保证执行器稳定的由双线圈工作切换为单线圈工作的控制方法。已经公开的文献中有很多专利和论文提及了双机热备份的概念，但是并没有提及关于双线圈执行器切换过程控制方法，更没有文献提及由双线圈控制向单线圈控制切换的稳定性控制方法

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于双机热备份电子调速器，实现一个线圈出现故障情况下的双线圈控制向单线圈控制的平稳过度，实现故障情况下柴油机无停机平稳连续运行，提高系统可靠性和可用性的双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法，包括双机热备份电子调速器组成包括转速传感器1、转速传感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信总线、双线圈比例电磁铁执行器、线圈1驱动和线圈2驱动，所述控制器A通过转速传感器1采集转速并且控制驱动线圈1，所述的控制器B通过转速传感器2采集转速并控制驱动线圈2；所述的CAN1和CAN2实现双机之间的通信和数据共享；线圈1和线圈2独立动作完成控制功能；

双机热备份电子调速器双线圈热冗余比例电磁铁执行器的切换控制是这样实现的：当线 圈1和线圈2对应的整个控制回路都工作正常时，控制系统两个线圈都处于工作状态，控制器A驱动线圈1工作，控制器B驱动线圈2工作，控制器A和控制器B之间通过CAN总线传递实时信息，当两个线圈之一发生断路或者短路故障时，系统故障检测模块检测到相应故障，通过CAN总线通知另一个控制器，故障回路线圈停止工作，正常线圈对应的控制器先处理控制量，保证系统由双线圈控制切换为单线圈控制时执行器的输出拉杆不出现大的位置波动，切换过程中控制量的连续性通过CAN总线通信协调保证。

本发明的有益效果在于：

1、双机热备份电子调速器保证了单机系统故障的情况下柴油机无停机平稳连续运行，提高电子调速器的可靠性。

2、正常情况下两个线圈都出于工作状态，单个控制器出现故障时降级为单线圈工作，切换过程过度平稳。

3、双线圈工作切换为单线圈工作的过程完全由软件完成，便于实现。

附图说明

图1为双机热备份电子调速器原理图；

图2为比例电磁铁工作原理与受力分析图；

图3为双线圈比例电磁铁执行器切换过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种双机热备份电子调速器双线圈热冗余执行器切换控制方法，双机热备份电子调速器组成包括转速传感器1、转速传感器2、控制器A、控制器B，CAN1和CAN2通信总线、双线圈比例电磁铁执行器、线圈1驱动和线圈2驱动。所述控制器A通过转速传感器1采集转速并且控制驱动线圈1，所述的控制器B通过转速传感器2采集转速并控制驱动线圈2；所述的CAN1和CAN2实现双机之间的通信和数据共享；线圈1和线圈2能够独立动作完成控制功能。

双机热备份电子调速器双线圈热冗余比例电磁铁执行器的切换控制是这样实现的：当两个线圈1和线圈2对应的整个控制回路都工作正常时，控制系统两个线圈都处于工作状态，控制器A驱动线圈1工作，控制器B驱动线圈2工作，控制器A和控制器B之间通过CAN总线传递实时信息，当两个线圈之一发生断路或者短路故障时，系统故障检测模块检测到相应故障，通过CAN总线通知另一个控制器，故障回路线圈停止工作，正常线圈对应的控制器先处理控制量，保证系统由双线圈控制切换为单线圈控制时执行器的输出拉杆不出现大的位置波动，切换过程中控制量的连续性通过CAN总线通信协调保证。

双机热备份电子调速器还包括：

1、两个控制器分别连接着两个独立的柴油机转速传感器，能够独立的采集柴油机转速。双线圈比例电磁铁执行器作为双机热备份电子调速器的执行机构，其特点是具有两路线圈，两路线圈都能够独立的驱动执行器拉杆。两个控制器的执行器驱动端口分别驱动一个线圈，这样就构成了两套控制回路。

2、CAN总线通信是双线圈切换过程中的核心，使用双CAN总线通信大大提高系统的可靠性。

3、当两个控制回路中的一个回路出现问题时执行器由双线圈同时工作切换为单线圈工作，切换过程中执行器位置为连续性根据麦克斯韦电磁力计算方法和执行器工作原理保证。

结合图1双机热备份电子调速器具体包括以下部分：

控制器A和控制器B为两个一样的控制器，两个控制器分别连接着两个转速传感器，能够独立的测量柴油机转速，双线圈比例电磁铁执行器做为双机热备份电子调速器的执行机构，其特点是具有两路线圈，两路线圈都能够独立工作驱动执行器拉杆。控制器A驱动线圈1工作，控制器B驱动线圈2工作，这样就构成了两套对等的控制回路。

两个控制器对应的控制回路无故障的情况下，执行器的两个线圈都处于工作状态，控制器A控制线圈1，控制器B控制线圈2。两个控制器之间通过冗余的CAN总线通信，CAN总线保证双机之间的数据共享。当一个控制器发生故障，系统由双机模式切换为单机模式，只有一路线圈工作，切换过程中控制量的连续性通过CAN总线通信根据麦克斯韦电磁力计算方法保证。

结合图3双线圈比例电磁铁切换方法具体工作过程如下：控制器A和控制器B运行相同的程序，控制器A通过转速传感器1采集发动机当前转速，控制器A经过计算驱动控制执行器的线圈1，并且采集执行器的位移和流经线圈1的电流；控制器B通过转速传感器2采集发动机当前转速，控制器B经过计算驱动控制执行器线圈2，并且采集执行器位移和流经执行器线圈2的电流。控制器采集发动机转速信号和执行器位移和电流信号，并根据转速、执行器位移、流经线圈的电流进行执行器故障诊断，具体的故障诊断方法为阈值诊断法。当执行器位移的AD采样值小于一定阈值时则发生位移传感器断线故障，当执行器电流大于电流上限阈值则诊断为执行器发生短路故障。1)检测到以上两个故障中任意一个则进一步判断，如果当前系统处于单机模式或者CAN总线收到故障请求帧，则认为系统双机都发生故障，系统停止工作；2)如果当前系统工作于双机模式并且CAN总线没有收到故障请求帧，则认为系统单个线圈发生故障，故障线圈停止工作，CAN总线发送故障请求帧。故障请求帧要轮流在两路CAN总线上发送，直到收到故障请求应答帧才停止CAN总线故障请求，控制器停止 工作。

如果故障检测环节没有检测到短路或者断路故障，则系统继续执行PID计算程序，CAN总线发送正常帧，之后判断系统的当前工作状态：1)当前系统工作于双机模式。为了控制器能够及时的收到对方控制器发送的故障请求帧，需要在控制量输出之前再次判断是否收到故障请求帧，如果没有收到故障请求帧，则双机系统工作正常，输出控制量，准备进入下一工作循环；如果收到故障请求帧，首先CAN总线发送故障请求应答帧，认定系统单个线圈发生故障，单机运行模式标志位置位，并且对控制量输出进行连续性处理后再输出；2)当前系统工作于单机模式，则不再检测故障请求帧，系统会一直处于单机运行模式直至控制器的下次重新上电复位。

关于切换过程中的控制量连续性处理。双机从双机模式切换为单机模式过程中实际上控制器B停止使用，执行器由双线圈工作切换单线圈工作，为了保证柴油机在控制系统工作模式切换过程中运行平稳，调速性能满足柴油机发电机组二级电站的性能指标，必须进行控制量的连续性处理，以保证在双线圈工作切换为单线圈工作时执行器拉杆不出现大的变动。

按照麦克斯韦电磁场理论和比例电磁铁执行器的工作原理图如图2，执行器在工作过程中主要受到电磁力Fe，弹簧的弹力以及阻尼力，因此有电磁执行器力平衡方程为：

$F_e=k\times x+c\times \frac{dx}{dt}+m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}$

再由执行器的线圈可以等效为一个电感加上电阻(见图2)，所以执行器的电压平衡方程为：

$U=K_e\times \frac{ik}{dt}+L\frac{di}{dt}+R\times i$

其中k为弹簧刚度；c为阻尼系数；m为衔铁质量；K_m为电磁力系数；K_e为反电动势系数；L为线圈电感；R为线圈电阻。

由麦克斯韦电磁力计算公式

其中为磁通量，为真空磁导率，S为工作气隙对应的磁极面积。

又有

其中Z为线圈匝数，R1-Rn为磁路系统中的各部分磁阻。在机械结构一致的情况下R1-Rn， μ0，均为常量，电磁力大小与I²成正比。

单线圈工作模式下的PWM占空比是原来双线圈工作模式下占空比的倍即可保证切换过程中执行器的拉杆不出现大的波动。