2. 湖北省磁悬浮轴承工程技术研究中心, 湖北 武汉 430070
2. Hubei Maglev Engineering Technology Research Center, Wuhan 430070, Hubei, China
与滚动轴承、液体润滑轴承等传统支承形式相比, 主动磁轴承具有无机械接触、无摩擦、无磨损、长寿命、高转速、无需润滑等优点。这些优点正好满足了高速高精转子的性能要求, 使得主动磁轴承在航空航天、真空技术、涡轮机械及机床等领域具有广泛的应用前景[1]。随着主动磁轴承应用范围的逐步扩大, 主动磁轴承的可靠性也变得越来越重要。主动磁轴承可靠性已成为其广泛应用的一大障碍。利用主动磁轴承独特的解析冗余结构, 在部分执行器(功放)故障的情况下, 对系统进行容错控制设计, 保证磁悬浮轴承控制系统能稳定可靠地运行。
从20世纪90年代开始, 很多研究人员开始研究主动磁轴承的容错控制[2-10]。其中文献[2]提出了针对径向磁轴承的偏置电流线性化理论, 建立了支承力与线圈电流间的线性化表达方法, 并提出了基于该理论的电流分配矩阵重构的径向主动磁轴承执行器容错控制算法。国内外很多学者都采用该理论研究主动磁轴承的容错控制问题; 文献[3-4]利用偏置电流线性化理论对径向磁力轴承的传感器和位置传感器进行了容错设计, 进一步扩大了该理论的应用范围; 文献[5-8]设计了同极与异极支承结构的容错控制策略, 设计了各种执行器故障组合下的电流分配方式, 并进行了实验验证; 文献[9-10]对偏置电流线性化理论进行了实验验证。国内对于主动磁轴承容错控制的研究也是基于偏置电流线性化理论, 文献[11-13]分别针对强耦合与弱耦合磁轴承的执行器故障进行研究, 采用偏置电流线性化理论对执行器的冗余特性进行了仿真与实验研究。文献[14]根据主动磁轴承控制器的特点与结构, 分析了每个部分可能发生的故障类型, 针对不同的故障类型研究了相应的故障诊断与处理方法, 并进行了实验验证; 文献[15-16]提出了基于坐标变换的径向主动磁轴承容错控制算法, 并进行了实验验证; 文献[17]分析了电磁轴承多传感器故障的基本特征, 提出了主动磁轴承多传感器故障诊断方法。
本研究针对径向冗余结构的主动磁轴承容错控制系统进行研究, 图 1为径向主动磁轴承结构。首先, 分析了主动磁轴承容错控制系统的需求, 提出了利用并行处理能力强的双核处理器来满足系统故障诊断与实时容错控制并行的需求, 并研究了基于双核处理器的主动磁轴承容错控制系统的数据交互方式; 其次, 研究了基于双核处理器的执行器故障诊断方法; 最后, 设计了基于双核处理器的主动磁轴承容错控制系统的软件架构, 完成了双核处理器的数据通讯方式、任务分配, 以及人机交互等功能。
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图 1 径向主动磁轴承结构 Figure 1 Radial active magnetic bearing structure |
故障是指由于系统中部分元器件功能失效, 从而导致系统功能失常。当系统发生故障, 系统中部分变量就会与正常状态时有所不同, 故障诊断的任务就是对这种差异进行描述, 并对检测到的故障进行隔离。
执行器是主动磁轴承的重要组成部分, 执行器主要由功率放大器和电磁线圈组成。执行器故障是主动磁轴承系统中最常见的故障, 图 2所示为执行器内部结构图。
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图 2 执行器内部结构图 Figure 2 Internal structure of the actuator |
主动磁轴承的执行器故障会引起电磁线圈中的电流发生剧烈变化, 不同执行器故障形式有不同的电流故障特征, 如表 1所示, 可以将执行器故障分为三类:(1)执行器短路故障; (2)执行器断路故障; (3)执行器跟随偏差。根据这些不同的电流故障特性, 主动磁轴承的控制器需要实时采集电流信息, 并实时将这些信号与正常状态下的参考信号进行比较, 从而完成故障检测与诊断(fault detection and diagnosis, FDD), 这就要求控制器需要有高速高精度的处理, 所以一般选用高速的DSP作为主动磁轴承的控制器。
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表 1 执行器故障分类形式 Table 1 Classification of actuator failures |
容错控制的根本特性是当控制系统中发生故障时, 系统依然能够维持其自身运行在安全状态, 并尽可能地满足一定的性能指标要求。
主动磁轴承容错控制系统属于主动式容错控制系统, 需要FDD机构来实时检测、分离出当前发生的故障, 在已知各种不同故障类型的前提下, 当发生故障后, 可以根据当前的故障模式重新构造控制策略, 从而保证系统的运行性能。主动磁轴承容错控制系统一般采用控制律重组的容错方案, 即在不改变控制器结构的前提下对控制器的参数进行调整, 针对执行器的各种故障模式, 通过离线设计事先确定一组相应的控制策略, 并根据FDD的结果进行实时切换。
针对径向磁轴承容错控制系统, 将故障检测与诊断技术和容错控制理论结合, 即采用离线式设计, 事先设计出针对各种执行器故障模式的控制器参数, 并存储在计算机中, 供系统运行时FDD机构检测诊断出故障后调用。主动磁轴承容错控制系统为了满足以上FDD机构实时检测系统故障状态的同时, 还要根据检测的故障结果进行实时容错控制, 这就要求容错控制系统的控制器要具备高速高精度处理能力的同时, 还要具备高效的并行处理能力。利用双核处理器可以有效解决这一系统需求。
1.3 双核处理器作为容错控制系统控制器图 3为双核处理器作为容错控制系统控制器结构简图。利用双核处理器的高效并行处理能力, 可以满足容错重构控制器与故障检测与诊断并行实现的需求[18]。
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图 3 双核处理器作为容错控制系统控制器结构简图 Figure 3 Dual core processor as a fault tolerant control system controller |
针对这一可以同时作为容错重构控制器和FDD机构的双核处理器, 应该满足以下几个特点:(1)双核处理器间应具备明确的数据共享机制, 特别是局部、临时数据的共享。以满足当FDD机构检测到故障时, 容错重构控制器能实时提供该种故障模式下的重构参数。(2)双核处理器间应该具备并行高速的数据通讯通道, 以解决主动磁轴承容错控制系统大量电流数据以及转子位置数据的实时交互问题。(3)双核处理器应支持实时操作系统(real-time operating system, RTOS), 以满足主动磁轴承容错系统明确的任务分配, 高效的任务处理, 以及良好的人机交互等特点。
2 容错控制数据交互需求主动磁轴承容错控制系统数据交互如图 4所示, 由双核处理器、执行器、转子、传感器检测单元构成。双核处理器将电磁轴承的容错控制任务分解成重构控制器以及故障检测与诊断两个单元的任务, 其中重构控制器主要离线完成不同执行器故障模式下的重构参数设计及其存储, FDD单元主要根据实时采集到的电磁线圈上的电流进行故障的检测与诊断。双核处理器根据FDD的结果, 对重构控制器的参数进行实时切换, 从而完成对不同执行器故障模式的容错控制。通过构建主从式并行处理器架构, 对主动磁轴承容错控制任务进行优化分配, 提高故障检测与诊断及参数切换的实时性能。双核处理器作为控制器输出逻辑驱动力, 由执行器(功率放大器)驱动电磁线圈产期望驱动力。
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图 4 主动磁轴承容错控制系统数据交互图 Figure 4 The data exchange of active magnetic bearing fault tolerant control system |
具体的数据交互内容:(1)电流传感器测量的电流数据及其对应AD的同步采样数据, 以及向双核处理器的故障检测与诊断单元的实时传输; (2)故障检测与诊断单元接收到的实时电流数据, 与正常工作模式下的电流数据的实时比较; (3)故障检测与诊断单元得到的实时故障信息, 与重构控制器中离线存储的针对不同故障模式的重构参数的数据交互, 保证在不同执行器故障模式下, 仍然能够容错运行; (4)位移传感器测量的转子实时位置数据及其对应AD的同步采集数据, 与转子处于平衡位置数据的实时比较; (5)并行的执行器间临时运算数据交互, 保证在不同故障模式下, 正常工作的执行器仍然能够提供期望的支撑力。
3 基于双核架构共享内存的数据交互 3.1 适用于双核架构共享内存的数据相互主动磁轴承容错控制系统对转子的控制需要用到proportion-integral-derivative(PID)算法、故障诊断算法等复杂的运算, 所以系统的控制器一般选用高速的DSP。同时系统要求对转子进行精确的实时位置控制, 需要用到微控制器, 一般选用ARM处理器来进行精确的实时控制[19-22]。
TI公司的达芬奇架构嵌入式应用处理器开始使用DSP与ARM结合的非对称多核结构, 其中OMAPL138就是ARM+DSP双核架构的高性能处理器, 兼具DSP的高数字信号处理性能和精简指令计算机技术的优点, 双核均是32位处理器, 主频可达456 MHz, 包含丰富的外设接口包括SPI、UART、LCD、EMIF、UPP等[23-24]。这一异构双核处理器十分适合作为径向主动磁轴承容错控制系统的控制器。其中故障检测与诊断单元可以分配给DSP来运行复杂的故障诊断算法、PID算法等。同时可重构控制器可以用更适合做实时控制的ARM处理器来完成。
图 5为ARM和DSP双核通讯示意图, 该双核架构体系利用共享内存[20], 中断控制以及SysLink核间通讯组件。双核间的共享内存为核间的通讯提供了良好的基础, 中断控制可以利用中断的优先级控制对数据交互过程进行顺序控制。同时SysLink组件高效的通讯机制能有效满足径向主动磁轴承容错控制系统的数据交互需求。
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图 5 ARM和DSP双核通讯示意图 Figure 5 A schematic diagram of ARM and DSP dualcore communication |
SysLink为TI公司针对多核通信提供的底层驱动模块, 是双核通信中最重要的部分, 是DSPLINK的升级版本。为了为异构多核处理器间提供高效的异构多核协作, SysLink通信组件为核间通信机制提供了一套通用的API, 在操作系统应用层抽象出DSP和ARM的物理连接特性[25]。在ARM和DSP的双核通信中, ARM端运行嵌入式Linux操作系统, DSP端运行SYS/BIOS实时操作系统, 充分利用了双核处理器的计算性能，提高了效率。
3.2.1 OMAPL138平台双核通信的硬件支持图 6为OMAPL138通过中断控制器进行双核通信硬件支持示意图。双核通信的基础是中断控制和共享内存。OMAL138平台通过系统总中断控制寄存器SYSCFG-CHIPINT[0-4]进行双核的中断控制, 其中ARM和DSP有两个共享响应中断。DSP单独响应1个中断, ARM单独响应2个中断。双核间的通信利用中断来控制, DSP子模块, ARM子模块都有单独的中断控制器, 独立的中断控制器可以快速响应系统总中断控制器SYSCFG-CHIPINT[0-4], 到达快速响应中断的效果, 提高双核通信效率。
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图 6 OMAPL138双核通信硬件支持示意图 Figure 6 Dual core communication hardware support of OMAPL138 |
双核通信流程举例如图 7所示, ARM初始化后, 利用SysLink通讯组件唤醒DSP, 随后ARM将数据或指令写入到共享内存区域, 再向DSP发送中断控制信号, DSP接收到中断控制信号后, 从共享内存中读取传输的数据或指令, 按照中断信号的优先级进行相应的运算处理, 完成这些操作后DSP再向ARM发送中断信号, 从而完成了整个双核通信。
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图 7 双核通信流程举例 Figure 7 An example of dual core communication process |
SysLink工具包为异构多核之间的通信提供基础开发接口, 使得多核系统之间更方便的交换信息。在多核异构系统中, 每个核心运行的操作系统和所处地位各不相同[15]。所运行的系统可以为高级操作系统, 如Linux、WinCE等, 也可以是RTOS, 如SYS/BIOS或QNX。异构多核系统中主处理器肩负着控制从处理器的责任。如图 8为SysLink软件架构。
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图 8 SysLink软件架构 Figure 8 SysLink software architecture |
SysLink通讯组件的核心是为通用处理器(GPP, 本研究是指ARM处理器)和DSP提供通讯的驱动基础。一般利用ARM作为系统的主处理器, 将ARM与DSP的物理连接特性抽象到Linux系统抽象层。同时SysLink工具包提供了ARM端运行Linux系统与DSP端运行SYS/BIOS系统的通讯接口API。
3.2.3 SysLink通信组件基本架构SysLink基本组件分成在ARM端的基本组件, 以及在DSP端的基本组件。图 9为SysLink基本组件结构图。
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图 9 SysLink基本组件结构图 Figure 9 SysLink basic component structure diagram |
SysLink工具包在高级操作系统与实时操作系统中都有相对应的双核通讯机制的组件。SYSLINK工具包主要由系统管理模块、处理器模块、核间通信(inter-processor communication, IPC)和其他模块组成。其中IPC是双核通信最重要的模块, 它定义了处理器间的通信机制, 主要包括Notify、MessageQ、ListMp、HeapBufMp、HeapMemMp、FrameQ、RingIO等基本模块组件。这些通信机制的接口都有以下四个共同点:(1)所有的IPC通信机制的接口都由系统规范化命名, 在高级操作系统端, 所有的IPC接口都有<Module>-open()和<Module>-destroy() API用于初始化或者销毁相应的IPC Module; (2)所有的实例化都需要用API<Module>-create()来创建, 使用<Module>-delete()来删除; (3)IPC的配置多数都是在DSP端的SYS/BIOS下完成配置的; (4)每个IPC模块都支持Trace信息用于调试, 而且支持不同的Trace等级, 用于提取共享内存中的分析信息与数据。
3.2.4 SysLink双核通讯组件实例SysLink中的系统管理模块为多核管理提供了简单便捷的方法, 此外也为系统资源(系统内存)的管理提供了接口。处理器管理模块为从处理器, 本研究指DSP提供了电源管理, 读写内存等接口。核间通讯模块为双核通讯提供了多种通讯机制组件, 是SysLink组件的核心。主动磁轴承容错控制系统需要用到MessageQ、RingIO这两个SysLink组件。
(1) MessageQ组件。基于队列的消息传递, 负责ARM与DSP端的可变长度的信息交互, 每个消息队列可以有多个写者, 但只能有一个读者, 每个任务可以对多个消息队列进行读写操作。可用于主动磁轴承容错控制系统的实时采集电流数据与正常电流数据的交互等过程。图 10为主动磁轴承容错控制系统电流数据交互示意图。OMAPL138双核处理器平台利用核间通讯组件MessageQ, 对电流数据进行队列管理, 完成实时电流数据与正常电流数据对比过程。
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图 10 主动磁轴承容错控制系统电流数据交互示意图 Figure 10 The current data exchange of active magnetic bearing fault tolerant control system |
(2) RingIO组件。该组件提供基于数据流测循环缓冲区。该组件允许在共享存储空间创建循环缓冲区, 不同的处理都能够读取或者写入循环缓冲区, 读写相对独立, 可以在不同的进程或者处理器中同时进行读写操作。RingIO允许通过写指针来获取数据缓冲区的空存储空间, 当该存储空间被释放之后, 相应存储空间可以被再次写入。RingIO组件也有API函数可以使能数据属性的同步传输。如:End Of Stream(EOS)、时间戳、流偏移地址等, 也可能伴随着循环缓冲区的偏移值。可用于主动磁轴承容错控制系统的AD实时数据采集与传输过程。图 11为主动磁轴承容错控制系统数据采集示意图。该容错控制系统主要利用AD采集电磁线圈上的实时电流数据和磁轴承转子的实时位置数据。
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图 11 主动磁轴承容错控制系统数据采集示意图 Figure 11 The data acquisition of active magnetic bearing faulttolerant control system |
RingIO组件通过给ARM与DSP两端提供通讯的API接口实现数据的传输。这些API应用接口主要包含RingIO参数初始化, 创建/删除RingIO对象, 获取/释放RingIO数据, 设置/获取RingIO属性等。如图 12为主动磁轴承容错控制系统数据传输示意图。
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图 12 主动磁轴承容错控制系统数据传输示意图 Figure 12 The data flow diagram of active magnetic bearing faulttolerant control system |
本研究设计的径向主动磁轴承容错控制系统从软件上需要完成的任务有:(1)ARM端需要完成AD数据采集, LCD实时状态显示, 重构控制器参数选择, PWM输出控制等任务; (2)DSP端需要完成控制转子位置的PID算法、控制线圈电流的PI算法、实时电流故障诊断算法, 以及根据故障诊断结果进行重构参数的选择等任务。如图 13为径向主动磁轴承容错控制系统的总体软件架构示意图。
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图 13 径向主动磁轴承容错控制系统的总体软件架构 Figure 13 The overall software architecture of radial active magnetic bearing fault tolerant control system |
本研究的径向主动磁轴承容错控制系统利用OMAL138双核处理器作为控制器。分别对ARM和DSP处理器做出了明确的任务分配。其中ARM做出主控制器利用SysLink组件Processor Manager对DSP进行运行管理。同时对共享内存区域进行了区域划分、地址映射、内存分配、读写互斥的具体划分, 保证双核处理器间数据通讯的实时性和有效性。另外, ARM和DSP间的消息传递主要用到了SysLink组件中的MessageQ和RingIO组件, 关于这两个组件的具体作用, 已经在上一小节详细的做了介绍。本研究径向主动磁轴承容错控制系统用到的SYSLINK通讯组件, 以及这些组件的基本功能如表 2所示。
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表 2 双核通讯组件基础功能划分 Table 2 Basic function division of dual core communication components |
本研究的径向主动磁轴承容错控制系统主要有两类输入, 第一类是磁悬浮转子的实时位置信号输入, 第二类是电磁线圈上的实时电流信号输入。ARM作为主控制器对DSP进行运行管理。图 14为径向主动磁轴承容错控制系统数据传输过程示意图。ARM首先对LCD显示器进行图形绘制指令的操作, 随后向AD发送采样开始的指令。接着, ARM发送AD采集的数据给DSP, 并启动数据接收线程, 等待从共享内存区读取实时处理数据在LCD上实时显示。DSP收到指令后对不同的数据信号, 进行相应的算法计算, 例如对转子实时位置信号进行PID算法计算, 对电磁线圈的实时电流信号进行PI算法和故障诊断的算法, 并将采样数据写入共享内存区域, 并通知ARM进行读取, 从而完成整个数据的输出过程。
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图 14 径向主动磁轴承容错控制系统数据传输过程示意图 Figure 14 The data transmission process of radial active magnetic bearing fault tolerant control system |
利用TI公司的OMAPL138双核处理器架构作为径向主动磁轴承容错控制系统的控制器, 试验分为两部分:(1)系统的数据采集与传输可行性; (2)电流故障后的容错控制试验, 图 15为双核处理器的共享内存地址分配, 图 16(a)为径向主动磁轴承容错控制系统数据采集后的存储方式, 图 16(b)为径向主动磁轴承容错控制系统共享数据的拷贝方式。
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图 15 双核处理器的共享内存地址分配 Figure 15 Shared memory address allocation for dualcore processors |
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图 16 共享数据的存储与拷贝方式 Figure 16 Storage and copy method of shared data |
试验表明这种利用共享内存机制, 中断控制的方法可以满足径向磁轴承容错控制系统的数据交互需求, 提高了数据传输的效率, 节约了硬件资源。
当磁轴承线圈某个线圈发生故障断路后, 线圈电流会突变为零, 当线圈电流为1.2 A时, 手动开关切断线圈电流。如图 17为线圈故障前后电流的变化情况。从图 17中可以看出从故障阶段到容错控制的时间为1.8 ms左右, 可以看出双核处理器从故障检测到容错控制的时间较短, 能够满足系统的高实时性需求。
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图 17 单个线圈电流的故障检测与容错控制 Figure 17 Fault detection and fault tolerance control ofsingle coil current |
针对径向主动磁轴承容错控制系统的控制器需要具备故障诊断能力和根据故障诊断结果进行实时控制器参数重构的能力, 本研究提出利用ARM+DSP的双核处理器架构, 进行明确的任务分配、核间通信、数据交互, 可以解决该容错控制系统故障诊断与参数重构控制并行的效果。
双核处理器能够在极短的时间对线圈电流进行故障诊断, 并实时容错控制, 试验结果表明这一过程仅需1.8 ms, 能够有效满足磁悬浮轴承容错控制系统的高实时性需求, 对进一步研究磁悬浮轴承的容错控制具有一定的借鉴意义。
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