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用于电动执行器的硬件故障保护的装置及其实现方法

阅读：548发布：2021-02-28

IPRDB可以提供用于电动执行器的硬件故障保护的装置及其实现方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于电动执行器的硬件故障保护的装置及其实现方法。采用译码器和逻辑芯片作为智能电动执行器控制器的故障处理单元，实现对电动执行器的故障保护。逻辑芯片、DSP依次连接形成故障保护单元，所述的逻辑芯片包括：74HS32，74HC04，74HC08和74LS11。本发明降低了系统的设计复杂性，节省了硬件空间，并具有运算简单、故障信号判断迅速、成本低等优点。同时，结合DSP对故障进行逻辑代码识别和控制，实现了软件和硬件的双重保护，提高了系统的可靠性，增加了操作的灵活性。这些排除故障的方法，采集适当的信号就可以实现对其他类型执行器的故障诊断。，下面是用于电动执行器的硬件故障保护的装置及其实现方法专利的具体信息内容。

1、一种用于电动执行器的硬件故障保护的装置，其特征在于它主要包括逻辑芯片、 DSP，逻辑芯片、DSP依次连接形成故障保护单元；所述的逻辑芯片为：74HS32，74HC04， 74HC08和74LS11。

2、按照权利要求1所述的的装置，其特征在于所述的DSP的CAP3/IOPA5连接74LS11 的A1引脚，DSP的CANTX/IOPC6连接74LS11的B1引脚，DSP的CANTX/IOPC6同时 连接第一片74HC04的2A引脚，DSP的CLOCKOUT/IOPE0连接74LS11的B2引脚，DSP 的任意一个I/O端引脚输出Fault信号连接74LS11的B3引脚，DSP的CAP6/IOPF1连接 第一片74HC04的1A引脚，DSP的PWM1/IOPA6，PWM2/IOPA7，PWM3/IOPB0， PWM4/IOPB1连接74HC08的1B、2B、3B、4B引脚；

所述的74LS11的A2连接第一片74HC04的2Y引脚，C1和C2连接电源，A3连接 第一片74LS32的Y1引脚，Y1连接74LS32的A1引脚，Y2连接第一片74LS32的B1引 脚，C3连接第一片74LS04的1Y引脚，Y3连接74HC08的1A、2A、3A、4A引脚；

所述的74HC08的1Y连接第二片74HC04的1A引脚和第二片74LS32的A1引脚； 2Y连接第二片74HC04的2A引脚和第二片74LS32的A2引脚；3Y连接第二片74HC04 的3A引脚和第二片74LS32的A3引脚；4Y连接第二片74HC04的4A引脚和第二片74LS32 的A4引脚；

所述的74HS32，74HC04，74HC08和74LS11的GND引脚接地，VCC接电源，其 他闲置引脚悬空；

所述的第二片74HC04的1Y、2Y、3Y、4Y引脚输出分别和第二片74LS32的Y1、 Y2、Y3、Y4引脚输出通过光耦形成回路为功率模块提供驱动信号，起到隔离强电的作用。

3、一种权利要求1所述的用于电动执行器的硬件故障保护装置的实现方法，其特征 在于包括的步骤：

1)电动执行器的核心控制芯片DSP根据电动执行器状态输出OPEN、CLOSE、 FANGXIANG信号，Enable，XPWM信号，Fault信号、PWM脉冲信号；

2)FANGXIANG信号在电动执行器力臂开方向运行为高电平、电动执行器力臂向关 方向运行为低电平；Enable信号初始化为高电平，有效防止电导通，Enable信号在电动执 行器正常工作时为低电平；电动执行器出现故障时，DSP输出的Fault信号跳变为低电平。

3)DSP输出的Fault信号还在逻辑芯片内部与OPEN、FANGXIANG、CLOSE、Enable 信号经过逻辑运算控制PWM脉冲信号，经过硬件保护控制PWM脉冲励磁信号，实现直 接由硬件对电动执行器的可靠保护；

4)当Fault信号为低电平时，由DSP输入逻辑芯片，经过逻辑运算将关闭所有PWM 脉冲信号输出，电动执行器电机停止工作；

5)在无故障信号的情况下，每路XPWM信号经过逻辑芯片的运算，输出分为两路高 低电平各一路，接出通过光耦形成回路为功率模块提供驱动信号，起到隔离强电的作用。

说明书全文

技术领域

本发明涉及电动执行器的故障处理技术，特别涉及一种用于电动执行器的硬件故障 保护的装置及其实现方法，具体是采用译码器和逻辑芯片实现对智能电动执行器基于硬件 的故障保护的控制装置和实现方法。

背景技术

电动执行器广泛应用于各种工业自动化过程控制环节，是一个相当重要的基础设备。 在目前的电动执行器控制系统中，软件、硬件的可靠性和稳定性已经非常高，而电动执行 器的故障成为控制系统失效的主要原因。电动执行器现有的故障保护处理方法主要是采用 传统模拟控制器，对单个故障分别进行软件保护。针对电动执行器故障较多，故障复杂的 特点，现有的技术存在诸多缺点：1.软件的实现存在快速性和实时性问题；2.硬件实现成 本高，技术不完善。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于电动执行器的硬件故障保护的装置及其实现方法，采 用译码器和逻辑芯片作为智能电动执行器控制器的故障处理单元，实现对电动执行器的故 障保护。
本发明提供的一种用于电动执行器的硬件故障保护的装置主要包括逻辑芯片、DSP， 逻辑芯片、DSP依次连接形成故障保护单元。所述的逻辑芯片包括：74HS32，74HC04， 74HC08和74LS11。
所述的DSP的CAP3/IOPA5连接74LS11的A1引脚，DSP的CANTX/IOPC6连接 74LS11的B1引脚，DSP的CANTX/IOPC6同时连接第一片74HC04的2A引脚，DSP的 CLOCKOUT/IOPE0连接74LS11的B2引脚，DSP的任意一个I/O端引脚输出Fault信号 连接74LS11的B3引脚，DSP的CAP6/IOPF1连接第一片74HC04的1A引脚，DSP的 PWM1/IOPA6，PWM2/IOPA7，PWM3/IOPB0，PWM4/IOPB1连接74HC08的1B、2B、 3B、4B引脚。
所述的74LS11的A2连接第一片74HC04的2Y引脚，C1和C2连接电源，A3连接 第一片74LS32的Y1引脚，Y1连接74LS32的A1引脚，Y2连接第一片74LS32的B1引 脚，C3连接第一片74LS04的1Y引脚，Y3连接74HC08的1A、2A、3A、4A引脚。
所述的74HC08的1Y连接第二片74HC04的1A引脚和第二片74LS32的A1引脚； 2Y连接第二片74HC04的2A引脚和第二片74LS32的A2引脚；3Y连接第二片74HC04 的3A引脚和第二片74LS32的A3引脚；4Y连接第二片74HC04的4A引脚和第二片74LS32 的A4引脚。
所述的74HS32，74HC04，74HC08和74LS11的GND引脚接地，VCC接电源，其 他闲置引脚悬空。
所述的第二片74HC04的1Y、2Y、3Y、4Y引脚输出分别和第二片74LS32的Y1、 Y2、Y3、Y4引脚输出通过光耦形成回路为功率模块提供驱动信号，起到隔离强电的作用。
本发明提供的一种用于电动执行器的硬件故障保护方法包括的步骤：
1)电动执行器的核心控制芯片DSP根据电动执行器状态输出OPEN、CLOSE、 FANGXIANG信号，Enable，XPWM信号，Fault信号、PWM脉冲信号；
2)FANGXIANG信号在执行器力臂开方向运行为高电平、执行器力臂向关方向运行 为低电平；Enable信号初始化为高电平，可以有效防止电导通，Enable信号在电动执行器 正常工作时为低电平；电动执行器出现故障时，DSP输出的Fault信号跳变为低电平。
3)DSP输出的Fault信号还在逻辑芯片内部与OPEN、FANGXIANG、CLOSE、Enable 信号经过逻辑运算控制PWM脉冲信号，经过硬件保护控制PWM脉冲励磁信号，实现直 接由硬件对电动执行器的可靠保护。
4)当Fault信号为低电平时，由DSP输入逻辑芯片，经过逻辑运算将关闭所有PWM 脉冲信号输出，电动执行器电机停止工作。
5)在无故障信号的情况下，每路XPWM信号经过逻辑芯片的运算，输出分为两路高 低电平各一路，接出通过光耦形成回路为功率模块提供驱动信号，起到隔离强电的作用。
本发明采用基于硬件对电动执行器的故障信号进行逻辑保护和控制，将电动执行器可 能出现的故障集中到硬件芯片进行统一的数字化的控制保护，实现对电动执行机构的可靠 保护，降低了系统的设计复杂性，节省了硬件空间，并具有运算简单、故障信号判断迅速、 成本低等优点。同时，结合DSP对故障进行逻辑代码识别和控制，实现了软件和硬件的 双重保护，提高了系统的可靠性，增加了操作的灵活性。这些排除故障的方法，采集适当 的信号就可以实现对其他类型执行器的故障诊断。

附图说明

图1为本发明实施例电动执行器硬件故障保护的结构框图。
图2为本发明实施例电动执行器硬件故障保护实现装置图。
图3为译码器连接功能示意图。
图4为逻辑芯片处理故障的连接图。
图5为逻辑芯片实现故障保护的逻辑功能图。
图6为逻辑芯片功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明，但它们不是对本发明作任何限制。
将一台以四相8/6极开关磁阻电机作为动力源的电动执行器为例对本发明进行说明。
四相8/6极开关磁阻电机作为动力源的电动执行器的故障信号一般包括：电机过热 TH_M，AB相功率模块过热TH_ab、CD相功率模块过热TH_cd，电源电压过低LO_U， 电源电压过高HI_U，AB相电流过流AB_FO、CD相电流过流CD_FO，产生有7个故障 信号，选择74LS148译码器的进行译码处理。故障信号输入74LS148进行数据锁存、转 换译码，经过译码后接入CPU的数据总线，CPU根据故障代码进行代码的识别，给逻辑 芯片输入相应的控制命令信号，经过逻辑芯片的运算决定电机励磁功率模块的输出，如图 1所示。
电动执行器硬件故障保护实现装置结构如图2所示，执行器主回路电压和主回路参考 电压经过比较器1(LM339，德州)，由输出引脚输出电源过电压信号，经过光耦(SFH6156， VISHAY)2输出HI_U接至译码器74LS1483(SN54HC148，TI公司)的5N引脚；同理， 欠电压信号经过光耦2输出LO_U接至译码器74LS1483的4N引脚，如图3所示。
电机励磁功率模块4(FCAS50SN60，飞兆)RTH引脚输出反映AB相功率模块温度 变化的电压信号TH_ab，反映CD相功率模块温度变化的电压信号TH_cd。TH_ab和TH_cd 分别经过比较器1与模块参考电压进行比较，输出AB相功率模块过温信号，经过光耦2 连接至译码器74LS1483的3N引脚，CD相功率模块过温信号经过光耦2连接至译码器 74LS1483的2N引脚，如图3所示。
电机励磁功率模块4的VFO引脚输出电机AB相绕组过流信号AB_FO和CD相绕组 过流信号CD_FO，经过光耦2分别连接至译码器74LS1483的7N引脚和6N引脚。
电机绕组中放置过温继电器(3UA，西门子)6，电机过温信号由过温继电器6输出，经 过光耦2连接到译码器74LS1483的1N引脚。
译码器74LS1483经过对9个故障信号的逻辑译码，将产生的4位编码信号XFA1， XFA2，XFA3，XFA4，依次接至微处理器DSP(美国德州仪器，TMS320LF2407)7的数据 总线的低四位(D0-D3)，Fault信号输入至DSP7的XINT引脚，如图3所示。
当电动执行器的力臂运行至最大开方向位置时，开方向限位开关动作，将开方向限位 信号OPEN置为低电平；当电动执行器的力臂运行至最大关方向位置时，关方向限位开关 动作，将关方向限位信号CLOSE置为低电平。在力臂的其他任何位置时，开方向限位信 号OPEN和关方向限位信号CLOSE均为高电平。
如图4所示，DSP7输出OPEN信号接至74LS118(DM74LS11，FairChild)的A1引 脚，FANGXING信号接至第一片74LS118的B1引脚，两个信号经逻辑运算产生的I1信 号由Y1引脚接至第一片74LS329(SN74LS，Motorola)的A1引脚。
DSP7输出FANGXING信号同时也输入第一片74HC0410(74HC04N，PHILIPS)的 2A引脚，经过逻辑运算产生结果由第一片74HC0410的2Y引脚接至第一片74LS118的 A2引脚。DSP7输出CLOSE接入第一片74LS118的B2引脚，产生I2由第一片74LS118 的Y2引脚接至第一片74LS329的B1引脚。
逻辑运算产生Z结果由第一片74LS329的Y1引脚接至第一片74LS118的A3引脚。 DSP7输出Enable接入第一片74HC0410的1A引脚，经逻辑运算产生的结果由1Y引脚接 至第一片74LS118的C3引脚，DSP7输出Fault信号接至74LS118的B3引脚。
74LS118、第一片74HC0410、第一片74LS329共同对DSP输出的OPEN、 FANGXIANG、CLOSE、Enalbe、Fault信号进行逻辑运算的结果为Y信号，由第一片74LS118 的Y3引脚输出，如图4所示。
Y信号输入74HC0811(74HC08N，PHILIPS)的1A、2A、3A、4A引脚，DSP输出 的XPWM1、XPWM2、XPWM3、XPWM4分别输入74HC0811的1B、2B、3B、4B引脚。
74HC0811由引脚1Y、2Y、3Y、4Y输出的信号连接到第二片74HC0412(74HC04N， PHILIPS)的1A、2A、3A、4A引脚。
同时，74HC0811由引脚1Y、2Y、3Y、4Y输出的信号连接到第二片74LS3213(SN74LS， Motorola)的A1、2A、3A、A4引脚。
第二片74HC0412的四位输出分别为低电平DRIVE_AN、DRIVE_BN、DRIVE_CN、 DRIVE_DN；第二片74LS3213的四位输出分别为高电平DRIVE_AP、DRIVE_BP、 DRIVE_CP、DRIVE_DP。
本发明的逻辑芯片的功能图如图5所示。逻辑芯片运行框图如图6所示。
DSP根据电动执行器状态输出FANGXIANG信号：FANGXIANG信号在执行器力臂 开方向运行为高电平、执行器力臂向关方向运行为低电平。同时，DSP输出Enable，XPWM 信号；Enable信号初始化为高电平，可以有效防止电导通，Enable信号在电动执行器正常 工作时为低电平。
Fault信号与OPEN、FANGXIANG、CLOSE、Enable信号经过逻辑运算后控制PWM 脉冲信号。Fault如跳变为低电平，逻辑芯片将封锁PWM的脉冲信号，经过逻辑芯片的硬 件保护则可以关闭PWM信号，实现直接由硬件对电动执行器的可靠保护，如图5所示。
OPEN，FANGXIANG进行逻辑“与”运算，得到信号I1；FANGXIANG经过逻辑“非” 运算后，和CLOSE进行逻辑“与”运算，得到信号I2；信号I1、I2进行逻辑“或”运算， 得到运算结果Z。Enable，Fault，Z进行逻辑“与”运算得到运算结果Y。
DSP输出XPWM脉冲信号，XPWM1，XPWM2，XPWM3，XPWM4分别和Y进行 逻辑“与”运算，当且仅当XPWM和Y同时为高电平时，输出脉冲PWM信号。
综上所述，如图5所示，OPEN、CLOSE、FANGXIANG和XPWM脉冲信号有效， 当且仅当Fault信号是高电平时，允许输出脉冲PWM信号。Fault如跳变为低电平，逻辑 芯片将封锁PWM的脉冲信号，经过硬件保护则可以关闭PWM脉冲信号，即可实现直接 由硬件对电动执行器的可靠保护。
由DSP输出的有效XPWM脉冲信号经过与Y的“与”运算，在Fault为“1”的情况 下，输出分为两路分别经过“或”门、“非”门运算，产生高低电平各一个，接出通过光 耦形成回路为功率模块提供驱动信号，起到隔离强电的作用。如图5所示，以A相为例， 当XPWM4为高电平，逻辑运算输出Y为高电平时，XPWM4与Y经过“与”门运算输 出高电平，输出分为两路分别经过“或”门、“非”门运算，产生高电平DRIVE_AP，低 电平DRIVE_AN，DRIVE_AP和DRIVE_AN利用光耦形成回路并为功率模块提供驱动 信号，起到隔离强电的作用。
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