一种基于冗余备份的绳驱动系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于冗余备份的绳驱动系统及其控制方法，属于自动控制和空间机器人领域。所述的绳驱动系统包括展开线辊、收拢线辊、线辊减速箱A、线辊减速箱B、电机减速箱A、电机减速箱B、备份电机齿轮箱A、备份电机齿轮箱B、展开电机、展开备份电机、收拢电机、收拢备份电机、展开绳A、展开绳B和收拢绳。本发明在正常工作电机基础上增加了备份电机，不仅在主电机无法正常工作时替代主电机工作，还能在碰到意外情况，如系统遇到不可预料的未知负载，主动电机驱动力不足时，备份电机可与主电机相互协调，一起工作，大幅提高作业驱动力。

权利要求

1.一种基于冗余备份的绳驱动系统，其特征在于：包括展开线辊、收拢线辊、线辊减速箱A、线辊减速箱B、电机减速箱A、电机减速箱B、备份电机齿轮箱A、备份电机齿轮箱B、展开电机、展开备份电机、收拢电机、收拢备份电机、展开绳A、展开绳B和收拢绳；

所述的展开绳A、展开绳B和收拢绳称为驱动绳，每个驱动绳上分别安装有张力传感器A、张力传感器B和张力传感器C；所述展开绳A的一端连接展开线辊的左侧卷线轮，另一端接入作业系统；展开绳B的一端连接展开线辊的右侧卷线轮，另一端接入作业系统；收拢绳的一端连接收拢线辊的卷线轮，另一端接入作业系统；展开线辊的左侧卷线轮、右侧卷线轮均固定在展开线辊上，左侧卷线轮、右侧卷线轮始终保持同步转动；收拢线辊的卷线轮固定在收拢线辊上；

展开线辊的线辊轴和展开电机的电机轴之间通过线辊减速箱A和电机减速箱A连接，收拢线辊的线辊轴和收拢电机的电机轴之间通过线辊减速箱B和电机减速箱B连接；展开备份电机和展开电机通过备份电机齿轮箱A一起连接到电机减速箱A的输入轴上，收拢备份电机和收拢电机通过备份电机齿轮箱B一起连接到电机减速箱B的输入轴上；

所述的绳驱动系统具有四种运行模式，分别为单电机单动、单电机联动、双电机单动和双电机联动；

其中单电机单动、双电机单动为调试模式，此模式下只有一侧线辊主动收拢驱动绳，另一侧线辊并不主动放线，与该线辊相连接的两个电机均断开电源；

单电机联动、双电机联动属于工作模式，其中单电机联动分为主电机模式、备份电机模式，所述的主电机是指展开电机和收拢电机，所述的备份电机是指展开备份电机和收拢备份电机；

主电机模式：接通主电机电源，断开备份电机电源，控制系统只为主电机提供运动信号；此时主电机工作，带动备份电机的输出轴以及备份电机齿轮箱的输出轴一起运动，备份电机看作主电机的负载；所述的备份电机齿轮箱包括备份电机齿轮箱A和备份电机齿轮箱B；

备份电机模式：与主电机模式相反，断开主电机电源，接通备份电机电源，控制系统只为备份电机提供运动信号；这种情况为主电机或主电机驱动器发生故障而主电机机械部分未发生故障情况下使用；

双电机联动模式又称之为同步工作模式，此模式下，同时接通主电机和备份电机的电源，控制系统发出同步运动信号，控制主电机和备份电机以相同的转速运动，共同带动备份电机齿轮箱的输出轴转动；

所述的控制系统由控制柜、PC上位机和反馈系统组成；

所述控制柜包括一个主控芯片、四个继电器、四个驱动器、一个操作面板和一个LCD显示屏，其中LCD显示屏、操作面板和四个驱动器均通过串口方式与主控芯片通讯，四个继电器通过I/O口控制继电器，进而控制电机电源和驱动器、电机间通讯；每个电机均配备有驱动器；主控芯片控制四个继电器为机械驱动的四个电机上电后，四个驱动器控制相应的四个电机运行；

机械驱动主要包含四个电机，其中四个继电器分别控制四个电机的上电与断电，四个驱动器发送控制指令并接受电机编码器数据；

反馈系统由到位开关和张力传感器组成；作业过程中，作业起始位置和作业终点位置均安装有到位开关，执行器行进到该到位开关的位置时到位开关发出到位信息，通知主控芯片；三个张力传感器实时监测三个驱动绳中的张力，便于判断系统状态和张力控制；

PC上位机负责数据采集；作业过程中，PC上位机中的数据采集软件获得驱动系统实时信息，包括运行状态、驱动绳拉力、电机电流、到位信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于冗余备份的绳驱动系统，其特征在于：四个驱动器之间通过CAN总线组网。

3.根据权利要求1所述的一种基于冗余备份的绳驱动系统的控制方法，其特征在于：步骤S101：控制系统启动，同时确保电机处于关闭状态，作业系统处于停止状态；

步骤S102：检查通讯是否正常；

主控芯片通过向驱动器、LCD显示屏发送相应的确认信号，驱动器、LCD显示屏将返回自身状态信息，确保控制线路、显示屏通讯正常及各组件正常工作，若有误提示错误，然后进入停止状态，否则进入下一步；

步骤S103：驱动器和显示屏初始化；

驱动器初始化，确保闭合电机电源后，电机能处于初始状态；电机初始状态具体指：电机无力矩输出、驱动器可监测电机状态；同时LCD开始启动，显示启动界面；进入下一步；

步骤S104：接受操作面板指令；

判断是否停止作业，是的话转步骤S105，否则转S106；

步骤S105：激活停止状态，转步骤S104；

步骤S106：判断是否暂停作业，是的话激活暂停状态，转步骤S104，否则进入下一步；

步骤S107：选择运行模式；

步骤S108：选择操作模式；

步骤S109：检测是否到位；若到位开关给出到位信号，进入步骤S114，否则进入下一步；

步骤S110：张力保护；判断驱动绳中张力是否超过许用张力，若是则转步骤S105；否则下一步；

步骤S111：过流保护；判断当前电机电流是否超过许用电流值，若是则转步骤S105；否则下一步；

步骤S112：执行相应的电机控制子程序；

步骤S113：显示屏更新数据；

步骤S114：检测外部数据接口是否有数据请求，若有，发送控制系统信息至PC上位机，由上位机数据采集软件接收数据并保存分析，进入步骤S104；

步骤S115：到位处理子程序：作业完成，卸除驱动力；根据张力传感器值控制线辊放线或收线使驱动绳中拉力处于合适值，然后转步骤S105。

4.根据权利要求3所述的一种基于冗余备份的绳驱动系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法中设置了看门狗。

说明书

一种基于冗余备份的绳驱动系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于自动控制和空间机器人领域，具体涉及一种外太空环境下基于冗余备份的绳驱动系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 外太空环境具有高真空、微重力等特点，因此外太空作业设备无法使用传统的内燃机等驱动形式。相比于其它驱动形式，绳驱动具有质量轻、体积小、惯性小，并且具有一定的柔顺性，在各类自动化或半自动化设备中应用广泛。

[0003] 但是由于绳索可承受张力一般较小，若绳索中拉力长时间大于驱动绳索的许用拉力时，绳索将发生失效而断裂，同时绳索的柔性导致作业过程中驱动绳很容易发生反绕。外太空环境充满未知，具有很大的不确定性，且对设备的故障率容忍度极低，驱动系统如何避免这些问题，如何保证在陌生的环境可靠地工作是当前亟需解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明为实现外太空作业，提供了一种基于冗余备份的绳驱动系统，并提供一种能够自主分析识别电机故障、智能切换运行模式的控制方法。

[0005] 本发明提供的基于冗余备份的绳驱动系统，主要包含机械部分和控制系统。机械部分包括：展开线辊、收拢线辊、线辊减速箱A、线辊减速箱B、电机减速箱A、电机减速箱B、备份电机齿轮箱A、备份电机齿轮箱B、展开电机、展开备份电机、收拢电机、收拢备份电机、展开绳A、展开绳B和收拢绳。

[0006] 所述的展开绳A、展开绳B和收拢绳称为驱动绳，每个驱动绳上分别安装有张力传感器A、张力传感器B和张力传感器C。所述展开绳A的一端连接展开线辊的左侧卷线轮，另一端接入作业系统；展开绳B的一端连接展开线辊的右侧卷线轮，另一端接入作业系统；收拢绳的一端连接收拢线辊的卷线轮，另一端接入作业系统。展开线辊的左侧卷线轮、右侧卷线轮均固定在展开线辊上，左侧卷线轮、右侧卷线轮始终保持同步转动。收拢线辊的卷线轮固定在收拢线辊上。

[0007] 展开绳A、展开绳B与收拢绳采用双电机驱动(展开电机与收拢电机)，展开线辊与收拢线辊相互独立，分别用展开电机和收拢电机驱动。由于展开线辊和收拢线辊的转速都很低且扭矩较大，所以展开线辊的线辊轴和展开电机的电机轴之间需要通过线辊减速箱A和电机减速箱A连接，收拢线辊的线辊轴和收拢电机的电机轴之间需要通过线辊减速箱B和电机减速箱B连接，以减小转速增加扭矩。为了增加驱动的可靠性，每套线辊驱动都准备了备份电机，即展开备份电机和收拢备份电机。展开备份电机和展开电机通过备份电机齿轮箱A一起连接到电机减速箱A的输入轴上，收拢备份电机和收拢电机通过备份电机齿轮箱B一起连接到电机减速箱B的输入轴上。

[0008] 控制系统主要由控制柜、PC上位机和反馈系统组成。

[0009] 所述控制柜是本发明所述控制系统的核心部分。具体包括一个主控芯片(选自STM32)、四个继电器、四个驱动器、一个操作面板和一个LCD显示屏。其中LCD显示屏、操作面板和四个驱动器均通过串口(USART)方式与主控芯片通讯，四个继电器通过I/O口控制继电器，进而控制电机电源和驱动器、电机间通讯。每个电机均配备有驱动器。主控芯片控制四个继电器为机械驱动的四个电机上电后，四个驱动器可控制相应的四个电机运行。为减少主控芯片与四个驱动器间的通讯成本，四个驱动器之间通过CAN总线组网。四个驱动器分别编号(CAN网中的地址)，主控芯片在CAN网中发布带地址的驱动指令，只有与地址符合的驱动器才会执行驱动命令。操作面板上集成了许多操作按钮和旋钮，用以向主控芯片发送控制命令。LCD显示屏实时显示控制系统信息，包括运行状态(运行、暂停、停止、出错信息)、驱动绳拉力、电机电流和到位信息。所述的四个继电器分别为继电器A、继电器B、继电器C和继电器D，所述的四个驱动器分别为驱动器A、驱动器B、驱动器C和驱动器D，所述的四个电机分别为展开电机、展开备份电机、收拢电机和收拢备份电机。

[0010] PC上位机负责数据采集。作业过程中，PC上位机中的数据采集软件可获得驱动系统实时信息，包括运行状态(运行、暂停、停止、出错信息)、驱动绳拉力、电机电流、到位信息。PC上位机只在需要采集数据、分析数据时开启，本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统正常运行并不依赖PC上位机。

[0011] 反馈系统由到位开关和张力传感器组成。作业过程中，作业起始位置和作业终点位置均安装有到位开关，执行器行进到该到位开关的位置时到位开关发出到位信息，通知主控芯片。三个张力传感器实时监测三个驱动绳中的张力，便于判断系统状态和张力控制。

[0012] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统设计了多种运行模式：单电机单动，单电机联动，双电机单动，双电机联动。

[0013] 本发明的优点在于：

[0014] (1)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动控制系统，为提高系统可靠性，在正常工作电机基础上增加了备份电机，不仅在主电机无法正常工作时替代主电机工作，还能在碰到意外情况，如系统遇到不可预料的未知负载，主动电机驱动力不足时，备份电机可与主电机相互协调，一起工作，大幅提高作业驱动力。

[0015] (2)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动控制系统，将主控芯片、继电器、驱动器、操作面板、LCD显示屏设计成相互独立的组件，减少各组件之间的电磁干扰，同时便于维修与更换。主控芯片、继电器、驱动器、操作面板、LCD显示屏形成以主控芯片为中心的星型结构，结构简单、控制相对简单。各组件与主控芯片之间主要通过串口通讯，接口统一。

[0016] (3)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动系统控制方法，设计了多种运行模式，包括多种工作模式和调试模式。本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动系统能根据不同工况，在多个工作模式间自动切换。所述调试模式能为作业系统维护、维修提供相应的驱动形式。

[0017] (4)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动系统控制方法，提出了一种双电机协调方式，使得系统在正常工作模式下，两电机之一作为主动电机，另一电机作为备份电机，主电机发生故障时备份电机代替主动电机工作；而在某些特殊工况时，两电机同步工作，提高作业系统负载能力。

[0018] (5)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动系统控制方法，设计了停止使能按钮。当使能按钮被按下时，系统进入停止状态，操作面板中除电源开关、急停按钮及停止按钮本身外其他操作按钮均失效，可避免误碰操作按钮导致的意外情况。该使能按钮优于普通的开关的地方在于，在激活停止使能后，必须关闭停止使能才能继续操作且此过程中系统处于运行状态。

[0019] (6)本发明所述一种基于冗余备份的绳驱动系统控制方法，设计了多重安全防护措施。包括驱动绳过载保护、电机电流过载保护、误碰操作保护。

附图说明

[0020] 图1为本发明的基于冗余备份的绳驱动系统的结构示意图；

[0021] 图2为本发明的基于冗余备份的绳驱动系统的控制系统结构示意图；

[0022] 图3为本发明中主控芯片控制单个电机结构示意图；

[0023] 图4为放线线辊驱动绳反绕示意图；

[0024] 图5为放线线辊速度控制框图；

[0025] 图6为基于冗余备份的绳驱动系统控制流程图。

[0026] 图中：

[0027] 1.展开线辊；     2.收拢线辊；      3.线辊减速箱A；     4.线辊减速箱B；

[0028] 5.电机减速箱A；  6.电机减速箱B；   7.备份电机齿轮箱A； 8.备份电机齿轮箱B；

[0029] 9.展开电机；     10.展开备份电机； 11.收拢电机；       12.收拢备份电机；

[0030] 13.展开绳A；     14.展开绳B；      15.收拢绳；         16.张力传感器A；

[0031] 17.张力传感器B； 18.张力传感器C。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0033] 本发明提供一种所述基于冗余备份的绳驱动系统及其控制方法，所述绳驱动系统的机械结构如图1所示，所述的绳驱动系统的机械部分包括：展开线辊1、收拢线辊2、线辊减速箱A3、线辊减速箱B4、电机减速箱A5、电机减速箱B6、备份电机齿轮箱A7、备份电机齿轮箱B8、展开电机9、展开备份电机10、收拢电机11、收拢备份电机12、展开绳A13、展开绳B14和收拢绳15。

[0034] 所述的展开绳A13、展开绳B14和收拢绳15称为驱动绳，每个驱动绳上分别安装有张力传感器A16、张力传感器B17和张力传感器C18。所述展开绳A13的一端连接展开线辊1的左侧卷线轮，另一端接入作业系统；展开绳B14的一端连接展开线辊1的右侧卷线轮，另一端接入作业系统；收拢绳15的一端连接收拢线辊2的卷线轮，另一端接入作业系统。展开线辊1的左侧卷线轮、右侧卷线轮均固定在展开线辊1上，左侧卷线轮、右侧卷线轮始终保持同步转动。收拢线辊2的卷线轮固定在收拢线辊2上。

[0035] 展开绳A13、展开绳B14与收拢绳15采用双电机驱动(展开电机与收拢电机)，如图1所示，展开线辊1与收拢线辊2相互独立，分别用展开电机9和收拢电机11驱动。由于展开线辊1和收拢线辊2的转速都很低且扭矩较大，所以展开线辊1的线辊轴和展开电机9的电机轴之间需要通过线辊减速箱A3和电机减速箱A5连接，收拢线辊2的线辊轴和收拢电机11的电机轴之间需要通过线辊减速箱B4和电机减速箱B6连接，以减小转速增加扭矩。为了增加驱动的可靠性，每套线辊驱动都准备了备份电机，即展开备份电机10和收拢备份电机12。展开备份电机10和展开电机9通过备份电机齿轮箱A7一起连接到电机减速箱A5的输入轴上，收拢备份电机12和收拢电机11通过备份电机齿轮箱B8一起连接到电机减速箱B6的输入轴上。

[0036] 展开绳A13、展开绳B14以及收拢绳15均与作业系统内的执行器连接，从而操控执行器动作，完成作业。

[0037] 作业系统工作行程分为两部分：展开行程与收拢行程。进入展开行程时，展开线辊1卷收展开绳A13、展开绳B14，收拢线辊2释放收拢绳；进入收拢行程时，收拢线辊2卷收收拢绳，展开线辊1释放展开绳A13、展开绳B14。

[0038] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统控制系统结构如图2所示。

[0039] 控制系统主要由控制柜、PC上位机和反馈系统组成。

[0040] 所述控制柜是本发明所述控制系统的核心部分。具体包括一个主控芯片(选自STM32)、四个继电器、四个驱动器、一个操作面板和一个LCD显示屏。其中LCD显示屏、操作面板和四个驱动器均通过串口(USART)方式与主控芯片通讯，四个继电器通过I/O口控制继电器，进而控制电机电源和驱动器、电机间通讯。每个电机均配备有驱动器。主控芯片控制四个继电器为机械驱动的四个电机上电后，四个驱动器可控制相应的四个电机运行。为减少主控芯片与四个驱动器间的通讯成本，四个驱动器之间通过CAN总线组网。四个驱动器分别编号(CAN网中的地址)，主控芯片在CAN网中发布带地址的驱动指令，只有与地址符合的驱动器才会执行驱动命令。操作面板上集成了许多操作按钮和旋钮，用以向主控芯片发送控制命令。LCD显示屏实时显示控制系统信息，包括运行状态(运行、暂停、停止、出错信息)、驱动绳拉力、电机电流和到位信息。所述的四个继电器分别为继电器A、继电器B、继电器C和继电器D，所述的四个驱动器分别为驱动器A、驱动器B、驱动器C和驱动器D，所述的四个电机分别为展开电机9、展开备份电机10、收拢电机11和收拢备份电机12。

[0041] PC上位机负责数据采集。作业过程中，PC上位机中的数据采集软件可获得驱动系统实时信息，包括运行状态(运行、暂停、停止、出错信息)、驱动绳拉力、电机电流、到位信息。PC上位机只在需要采集数据、分析数据时开启，本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统正常运行并不依赖PC上位机。

[0042] 机械驱动主要包含四个电机，其中四个继电器分别控制四个电机的上电与断电，四个驱动器发送控制指令并接受电机编码器数据。机械驱动为本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统提供机械动力。主控芯片控制单个电机过程见图3。主控芯片控制继电器闭合，电机上电。主控芯片向驱动器发送工作信号，驱动器解析该工作信号并发出具体的运动信号至电机(图3中的M)，电机开始运动，驱动器接收电机内编码器的反馈得到当前电机运动位置，并与目标位置比较，再发出新的运动信号使电机运动到目标位置。

[0043] 反馈系统由到位开关和张力传感器组成。作业过程中，作业起始位置和作业终点位置均安装有到位开关，执行器行进到该到位开关的位置时到位开关发出到位信息，通知主控芯片。三个张力传感器实时监测三个驱动绳中的张力，便于判断系统状态和张力控制。

[0044] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统设计了多种运行模式：单电机单动，单电机联动，双电机单动，双电机联动。

[0045] 其中单电机单动、双电机单动为调试模式，此模式下只有一侧线辊主动收拢驱动绳，另一侧线辊并不主动放线，与该线辊相连接的两个电机均断开电源。调试模式用于系统安装、调试以及维护使用。调试模式下设计了反转开关，打开反转开关后，电机会反向运动，该开关只在调试模式下有效。

[0046] 单电机联动、双电机联动属于工作模式。其中单电机联动可分为主电机模式、备份电机模式。所述的主电机是指展开电机9和收拢电机11，所述的备份电机是指展开备份电机10和收拢备份电机12。

[0047] 主电机模式：接通主电机电源，断开备份电机电源，控制系统只为主电机提供运动信号。此时主电机工作，带动备份电机的输出轴以及备份电机齿轮箱的输出轴一起运动，备份电机可看作主电机的负载。由于备份电机电源断开，无法形成回路，不能产生反电动势，因此负载功率仅为电机轴承转动摩擦损失的功率，基本可以忽略；所述的备份电机齿轮箱包括备份电机齿轮箱A7和备份电机齿轮箱B8。

[0048] 备份电机模式：与主电机模式相反，断开主电机电源，接通备份电机电源，控制系统只为备份电机提供运动信号；这种情况为主电机或主电机驱动器发生故障而主电机机械部分未发生故障情况下使用；

[0049] 但这两种模式对操作者而言是不透明的，主电机模式和备份电机模式由控制系统内部依据一定规则自行切换。驱动器检测到电机有故障或驱动器本身存在问题时，驱动器将向主控芯片发送相应信息。

[0050] 双电机联动模式又可称之为同步工作模式。此模式下，同时接通主电机和备份电机的电源，控制系统发出同步运动信号，控制主电机和备份电机以相同的转速运动，共同带动备份电机齿轮箱的输出轴转动。

[0051] 主电机模式是常规工作模式，备份电机模式可以在主电机模式失效时启动，而同步工作模式则是在某些特殊工作条件下(比如套筒上某些滑轮轴承卡死)单个电机功率无法驱动套筒运动时可以采用。

[0052] 表1列出了各运行模式下对应的电机运动方式。

[0053] 表1 运行模式对应电机运动方式

[0054]

[0055] 注：“+”、“-”为电机运动方向，“0”为电机关闭，其中“+”表示该电机带动所在线辊卷收驱动绳；“-”表示该电机带动所在线辊释放驱动绳。“()”内为打开反转开关后电机运动方向。

[0056] 当打开自动切换模式开关时，控制系统会根据不同工况自动切换运行模式。

[0057] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统设计了连续运行与点动运行两种操作模式，由相应的按钮(常开点触开关)控制。连续运行模式下，按一下即松开连续运行模式按钮，连续运行模式激活，作业系统开始作业，直到进行其他操作(如触发点动运行模式、停止)导致模式改变；点动运行模式下，按住相应的点动运行模式按钮(简称点动展开按钮)，作业系统开始作业，一旦松开点动运行模式按钮，点动运行模式失效，作业系统停止作业，控制系统进入待机状态，等待操作输入。因此可以通过反复触发点动运行模式，作业系统渐进式运行，慢慢逼近目标位置。

[0058] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统控制方法，能接受操作面板的速度输入，使当前正在卷线的线辊的驱动电机速度等于该输入速度。

[0059] 反绕指驱动绳与放线线辊(展开线辊1和收拢线辊2统称为线辊，并分别具有收线和放线两种工作状态)之间黏着力过大或与线辊上相邻驱动绳之间摩擦力过大时，需要释放的驱动绳并没有脱离线辊，反而随着线辊运动，导致驱动绳反向缠绕在线辊上，释放驱动绳成为卷收驱动绳如图4所示。若此时驱动绳中张力较大，则能脱离反绕状态，但若驱动绳反绕超过一圈，随后反绕的驱动绳覆盖在之前的反绕的驱动绳上，驱动绳将越缠越紧，无法脱离反绕状态，驱动绳张力越来越大，最终超过许用张力发生断裂，并可能对作业系统产生不可恢复的损害。

[0060] 为避免释放的驱动绳发生反绕，控制系统自动调控正在放线的线辊速度，使正在释放的驱动绳中张力维持在一定范围内。

[0061] 放线线辊速度控制框图见图5。Vd为上一时刻主控芯片发送至放线电机控制器(驱动器)的目标速度，由张力传感器得到放线线辊所卷收驱动绳内拉力，经高频滤波后与张力目标值比较，得到放线电机的速度增量Δv。将Vd+Δv作为当前时刻放线电机的速度。

[0062] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统的控制系统由张力控制系统保证作业过程中驱动绳保持一定拉力。其中收线线辊速度由外部输入(调速器)主动控制，放线线辊速度根据PID算法进行自动调整，使放线过程中驱动绳的张力保持为定值。

[0063] 保持驱动绳的张力为定值的具体实现方法如下：

[0064] 第一步：获取各驱动绳中张力。

[0065] 对于任意一个张力传感器(所述的张力传感器是指张力传感器A16、张力传感器B17、张力传感器C18中的任意一个，由于具有相同的结构和工作方式，因此统一进行说明)，张力传感器上已安装有高频滤波器，再将采集到的张力传感器数据进行防脉冲干扰均值滤波，即连续采样n个数据，去掉其最小值和最大值然后计算剩下的n-2个数据的算术平均值。具体实现为：

[0066] a)设置采集数据数组A[i]，i＝0,1……,n-1，n为自然数。

[0067] 连续获取n个张力传感器的值，依次保存在数组A[i]中。

[0068] b)设定A[i]中最小值为Amin，最大值为Amax。以下为找出最大值、最小值的实现方法：

[0069] b1)计数器i赋初值：i＝1；Amin、Amax初值均置为第一个数据：Amin＝A[0]；Amax＝A[0]；

[0070] b2)如果A[i]小于最小值Amin，则更新最小值：Amin＝A[i]，并进入b4)；否则下一步。

[0071] b3)如果A[i]大于或等于最小值Amax，则更新最大值：Amax＝A[i]；

[0072] b4)计数器i的值加1：i＝i+1；

[0073] b5)如果i等于n，结束；否则进入b2)。

[0074] c)该数组未处理的采集数据之和为Asum：

[0075]

[0076] 除去最小值Amin和最大值Amax，剩下的n-2个数据的算术平均值即视为张力传感器的值A'average：

[0077] A'average＝(Asum-Amax-Amin)/(n-2)

[0078] 第二步：根据三个张力传感器值控制线辊释放驱动绳速度。

[0079] 进入展开行程时，展开线辊1卷收展开绳A13和展开绳B14，收拢线辊2释放收拢绳15，则称驱动展开线辊1的展开电机9和/或展开备份电机10为收线电机，称驱动收拢线辊2的收拢电机11和/或收拢备份电机12为放线电机。

[0080] 进入收拢行程时，收拢线辊2卷收收拢绳，展开线辊1释放展开绳A13、展开绳B14，则称驱动展开线辊1的展开电机9、展开备份电机10为放线电机，称驱动收拢线辊2的收拢电机11、收拢备份电机12为收线电机。

[0081] 如图1所示，设张力传感器A、B、C的值分别为Force[i]，i＝0,1,2。张力目标值为D。

[0082] 展开行程中，张力传感器C18位于释放驱动绳回路上，将D直接作为PID控制器的目标值。采用增量式PID算法，放线电机速度增量为：

[0083] Δu＝k·(Force[2]-D)；k为比例系数。

[0084] 因此当前放线电机速度为u＝u+Δu。

[0085] 收拢行程中，张力传感器A16、B17位于释放驱动绳回路上，则收线电机的速度增量为：

[0086] Δu＝k1·(Force[0]-D)+k2C(Force[1]-D)；ki(i＝1,2)为比例系数。

[0087] 上式中，由于机械结构可能存在差异而导致张力传感器A16、B17对速度增量的影响权重不同，所以一般情况下k1≠k2。

[0088] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统的控制系统含有工作状态、暂停状态、停止状态等特殊状态。工作状态指作业系统在本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统下正常作业的状态。而暂停状态下，电机的开关状态保持不变，运行的电机速度为零，保持力矩输出，并能接受控制面板输入。执行器停止运动，保持当前位置，此时执行器能承受一定负载。停止状态下，主电机和备份电机速度为零，断开所有电机电源，并激活停止使能，操作面板中除电源开关、急停按钮及停止按钮本身外其他操作按钮均失效，可避免误碰操作按钮导致的意外情况。

[0089] 本发明所述基于冗余备份的绳驱动系统的控制方法具体流程如下：

[0090] 步骤S101：控制系统启动，同时确保电机处于关闭状态，作业系统处于停止状态。

[0091] 步骤S102：检查通讯是否正常。主控芯片通过向驱动器、LCD显示屏发送相应的确认信号，驱动器、LCD显示屏将返回自身状态信息，确保控制线路、显示屏通讯正常及各组件正常工作，若有误提示错误，然后进入停止状态，否则进入下一步。

[0092] 步骤S103：驱动器和显示屏初始化。驱动器初始化，确保闭合电机电源后，电机能处于初始状态。电机初始状态具体指：电机无力矩输出、驱动器可监测电机状态。同时LCD开始启动，显示启动界面。进入下一步。

[0093] 步骤S104：接受操作面板指令。判断是否停止作业？是的话转步骤S105，否则转S106；

[0094] 步骤S105：激活停止状态，转步骤S104；

[0095] 步骤S106：判断是否暂停作业，是的话激活暂停状态，转步骤S104，否则进入下一步。

[0096] 步骤S107：选择运行模式。运行模式共分单电机单动，单电机联动，双电机单动，双电机联动。

[0097] 若自动切换模式开关没有开启，根据操作面板的状态判断当前属于何种模式，由表1开启相应的电机。单电机联动模式下，若主动电机反馈信息正常，则选择主动电机模式，否则切换至备份电机模式。进入下一步。

[0098] 若自动切换模式开关开启，根据电流值大小在单电机联动和双电机联动之间切换，切换规则如下：

[0099] (1)如果当前运行模式为空，则将当前运行模式设置为单电机联动；

[0100] (2)如果当前运行模式为单电机联动且主动电机电流大于设定的阈值A，则将当前运行模式设置为双电机联动；

[0101] (3)如果当前运行模式为双电机联动且主动电机电流小于设定的阈值B，则将当前运行模式设置为单电机联动。

[0102] 进入下一步。

[0103] 所述的阈值A和阈值B根据所选取主动电机型号和功率，根据实际需要进行设定。

[0104] 步骤S108：选择操作模式。本发明所述控制方法包含了点动展开、直接展开、点动收拢、直接收拢，由相应的按钮(常开点触开关)控制，进入下一步。

[0105] 步骤S109：检测是否到位。若到位开关给出到位信号，进入步骤S114，否则进入下一步。

[0106] 步骤S110：张力保护。判断驱动绳中张力是否超过许用张力，若是则转步骤S105；否则下一步。

[0107] 步骤S111：过流保护。判断当前电机电流是否超过许用电流值，若是则转步骤S105；否则下一步。

[0108] 步骤S112：执行相应的电机控制子程序。根据表1，将收线电机的速度设置为控制面板上调速器的值，并由张力传感器值设置放线电机的速度，具体方式见前述保持张力为定值方法。

[0109] 若为同步工作模式，控制系统发出同步运动信号，控制备份电机以和主电机相同的转速运动，共同带动备份电机齿轮箱输出轴转动。

[0110] 然后进入下一步。

[0111] 步骤S113：显示屏更新数据。将包括运行状态(运行、暂停、停止、出错信息)、驱动绳拉力、电机电流和到位信息在内的控制系统信息发送至显示屏，并更新显示屏，进入下一步。

[0112] 步骤S114：检测外部数据接口是否有数据请求，若有，发送控制系统信息至PC上位机，由上位机数据采集软件接收数据并保存分析，进入步骤S104。

[0113] 步骤S115：到位处理子程序。作业完成，卸除驱动力。根据张力传感器值控制线辊放线或收线使驱动绳中拉力处于合适值，然后转步骤S105。

[0114] 在所述的控制方法中，还设置了看门狗，由看门狗对包含有主动芯片的控制系统进行监控，避免外界电磁场的干扰等造成的死循环破坏控制系统正常运行。一旦出现死循环，看门狗无法收到系统正常工作信号，控制系统将重新启动。在步骤S101中主控芯片启动的同时启动看门狗。在步骤S115之前，主控芯片会向看门狗发出系统正常工作信号。