電磁軸承(AMB)是利用可控電磁吸力將轉(zhuǎn)子懸浮起來的一種新型高性能軸承，由于其具有無接觸、無摩擦、高速度、高精度、不需潤(rùn)滑和密封等一系列的優(yōu)良品質(zhì)，在交通、超高速超精密加工、航空航天等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　由于磁懸浮系統(tǒng)本征不穩(wěn)定，控制系統(tǒng)的好壞將會(huì)直接決定磁軸承的性能。控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)方式分為模擬控制和數(shù)字控制。由于先進(jìn)控制理論的應(yīng)用，近年來國(guó)內(nèi)外在數(shù)字控制方面發(fā)展很快，數(shù)字控制器將是未來磁軸承控制的主流，且90%以上的數(shù)字控制器都采用了DSP。它們一般是通過圖1所示的流程實(shí)現(xiàn)的^[1][3][4][5]。磁軸承大多應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，控制系統(tǒng)一旦失效，將會(huì)帶來比較嚴(yán)重的后果。隨著工業(yè)領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)的日益拓展，對(duì)控制系統(tǒng)可靠性的要求日益提高，即要求系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)功能。國(guó)外對(duì)此進(jìn)行了研究，弗吉尼亞大學(xué)提出了應(yīng)用于航天器上的四DSP容錯(cuò)磁懸浮控制系統(tǒng)^[1][4]。文獻(xiàn)表明，國(guó)內(nèi)在磁軸承控制器容錯(cuò)領(lǐng)域還沒有相應(yīng)的研究。本文從工業(yè)應(yīng)用要求和成本的角度考慮，對(duì)圖1虛線方框內(nèi)的控制器進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)，提出了雙DSP容錯(cuò)控制器。而對(duì)于傳感器、線圈和功率放大器部分的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，本文不進(jìn)行討論。
1 磁懸浮控制器的容錯(cuò)設(shè)計(jì)分析
　　容錯(cuò)的一般含義就是在系統(tǒng)出現(xiàn)不希望事件時(shí)，仍能正確執(zhí)行所規(guī)定的算法。冗余是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)和提高可靠性的一種方法，也是最有效的方法，故本次設(shè)計(jì)采用冗余技術(shù)來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。冗余技術(shù)主要有四種實(shí)現(xiàn)方法：硬件冗余、軟件冗余、時(shí)間冗余、信息冗余，其中后三種都是在硬件無故障和運(yùn)行時(shí)間、程序空間擁有余量的情況下使用。但對(duì)于磁軸承DSP控制系統(tǒng)，其本身的時(shí)間余地和程序空間余量都非常有限，故主要采用硬件冗余，即采用多DSP冗余設(shè)計(jì)。
　　在多機(jī)" title="多機(jī)">多機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問題是多機(jī)的重構(gòu)策略、多機(jī)的仲裁切換邏輯及多機(jī)運(yùn)行的同步等問題。在大規(guī)模集中控制的中央級(jí)，通常都采用了比較完善、復(fù)雜的切換邏輯，多機(jī)同步和系統(tǒng)重構(gòu)都借助于機(jī)間通信來傳遞彼此的信息來實(shí)現(xiàn)的。這些方案均不宜用于DSP等小規(guī)模的終端系統(tǒng)，要通過專門的硬件系統(tǒng)來進(jìn)行支持。因?yàn)檫@些系統(tǒng)相對(duì)于上述功能強(qiáng)大的中央控制系統(tǒng)有四個(gè)明顯的特點(diǎn)：(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本較低；(2)軟硬件資源比較缺乏；(3)必須具備很好的實(shí)時(shí)性能；(4)運(yùn)行時(shí)間余度太小。通過以上分析，提出了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的雙機(jī)熱備冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)計(jì)原理
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中實(shí)現(xiàn)冗余的核心控制模塊是通過CPLD來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐表明，由于CPLD是通過硬件邏輯實(shí)現(xiàn)的，故比由軟件控制的DSP可靠性高^[1][2][4]。模擬信號(hào)輸入分別直接接到兩個(gè)DSP的A/D" title="A/D">A/D輸入端，由兩個(gè)DSP同步進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)過中心仲裁模塊(由硬件故障判決模塊和輸出總線表決模塊共同決定)決定主DSP，由主DSP來控制輸出到D/A的數(shù)據(jù)、時(shí)序和RS232接口。其中的核心控制模塊主要由以下幾個(gè)部分組成：輸入信號(hào)處理模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、硬件故障判決模塊和輸出總線表決模塊、中心仲裁模塊、報(bào)警輸出模塊、中斷處理模塊等。

2.1 輸入緩沖模塊
　　為了消除輸入端輸入阻抗帶來的影響，對(duì)于數(shù)字信號(hào)增加一級(jí)緩沖器，這樣既可以減小外圍電路的影響，也可以實(shí)現(xiàn)DSP與外圍電路的輸入隔離。在此系統(tǒng)中，主要是進(jìn)行RS232和晶振、復(fù)位、外部中斷輸入信號(hào)的緩沖(RS232的輸出接口是由主DSP進(jìn)行控制)，對(duì)于模擬信號(hào)通過電壓跟隨器來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減小誤差并縮短A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
2.2 DSP時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)
　　由于本設(shè)計(jì)方案是通過DSP的完全同步來實(shí)現(xiàn)冗余控制的，故DSP的同步能否實(shí)現(xiàn)，是此方案實(shí)現(xiàn)的基本條件。采用雙DSP共同使用一個(gè)晶振信號(hào)，系統(tǒng)工作時(shí)，待電源穩(wěn)定和晶振完全起振后，才對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位，這樣便順利地使DSP完成時(shí)鐘級(jí)的同步。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的測(cè)試，電源穩(wěn)定和晶振穩(wěn)定起振所需的時(shí)間大約是40ms，故復(fù)位時(shí)間應(yīng)選擇大于40ms。為了提高其抗干擾性，復(fù)位后的信號(hào)要先經(jīng)過施密特觸發(fā)器，再經(jīng)過CPLD緩沖后接到DSP的復(fù)位端。
2.3 硬件故障判決模塊
　　硬件故障判決模塊判斷DSP是否出現(xiàn)了硬件故障，本設(shè)計(jì)中將每個(gè)DSP的CLKOUT的輸出信號(hào)作為判決硬件故障的基本辦法。如果DSP硬件工作正常，CLKOUT引腳將輸出固定的時(shí)鐘波形；如果系統(tǒng)的CLKOUT沒有時(shí)鐘波形輸出，則認(rèn)為該DSP硬件不正常，由中心仲裁模塊來隔離這個(gè)不正常的DSP。其具體實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。CLKOUT信號(hào)經(jīng)由CPLD實(shí)現(xiàn)的分頻器后送到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123，若系統(tǒng)的CLKOUT信號(hào)不正常，74LS123會(huì)產(chǎn)生跳變，驅(qū)使中心仲裁模塊隔離不正常的DSP。

2.4 輸出總線表決模塊
　　輸出總線表決模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)，解決系統(tǒng)的軟故障(是指程序運(yùn)行中偶然出現(xiàn)的謬誤，通過復(fù)位手段即可以消除)。其方法是比較總線的輸出數(shù)據(jù)(參照目前的控制器設(shè)計(jì)，不需要輸入總線外加接口)信號(hào)是否相同，如果不相同，則表明某個(gè)DSP或者兩個(gè)DSP都產(chǎn)生了軟故障，系統(tǒng)抑制錯(cuò)誤輸出；并由中心仲裁模塊對(duì)此情況進(jìn)行處理，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，在應(yīng)用中只對(duì)輸出數(shù)據(jù)總線的高8位進(jìn)行表決，由任一個(gè)DSP的輸出WR信號(hào)啟動(dòng)比較操作，如果不相同，則將輸出的不正常狀況通知中心仲裁模塊。
2.5 中心仲裁模塊
　　中心仲裁模塊主要是分析由輸出總線表決模塊和硬件故障判決模塊輸出的結(jié)果，并作出判斷，確定主DSP。主DSP的功能主要是控制對(duì)外的輸出，包括控制D/A總線輸出和RS232輸出。
2.5.1 中心仲裁模塊的仲裁方式
　　當(dāng)硬件判決模塊和軟件表決模塊都沒有報(bào)錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)采用默認(rèn)的DSP1為主DSP；如果硬件判決模塊有一塊DSP報(bào)錯(cuò)，則隔離出錯(cuò)的DSP，沒有出錯(cuò)的DSP將會(huì)成為主DSP ，并且輸出報(bào)警信號(hào)；如果兩個(gè)DSP都報(bào)錯(cuò)，則會(huì)報(bào)告系統(tǒng)的錯(cuò)誤，并提供控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的接口信號(hào)，讓系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)安保系統(tǒng)(對(duì)于磁軸承便是迅速停止高速旋轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)該包括實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境所需的保護(hù)操作)。當(dāng)兩個(gè)DSP都沒有產(chǎn)生DSP硬件報(bào)錯(cuò)的時(shí)候，如果軟件表決模塊報(bào)錯(cuò)，則通過CPLD啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)，重新復(fù)位兩個(gè)DSP，并且由CPLD核心控制模塊記錄復(fù)位次數(shù)；如果系統(tǒng)連續(xù)復(fù)位次數(shù)超過四次且沒有出現(xiàn)一次正確的輸出總線結(jié)果，或兩個(gè)DSP在線自檢均沒有通過，將會(huì)發(fā)出類似兩個(gè)DSP硬件報(bào)錯(cuò)的情況，啟動(dòng)安保系統(tǒng)；如果有一個(gè)DSP自檢不通過，則隔離自檢不通過的DSP，系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)，主DSP控制權(quán)交給沒有出錯(cuò)的DSP；如果復(fù)位次數(shù)小于四次，且出現(xiàn)了正確的輸出總線結(jié)果，CPLD模塊會(huì)清除復(fù)位計(jì)數(shù)次數(shù)，并且由兩個(gè)DSP共同工作，主DSP依然是DSP1。
2.5.2 DSP軟件的實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖4所示，其中虛線框內(nèi)是通過CPLD實(shí)現(xiàn)的。在DSP系統(tǒng)中，使用了看門狗模塊來解決系統(tǒng)程序跑飛問題。系統(tǒng)復(fù)位后，通過檢測(cè)看門狗電路復(fù)位標(biāo)志位(此標(biāo)志位用來區(qū)分是否為由仲裁模塊引起的復(fù)位)來檢測(cè)是否為系統(tǒng)程序跑飛，如果是系統(tǒng)看門狗復(fù)位，則通過軟件使DSP產(chǎn)生輸出總線報(bào)錯(cuò)，其結(jié)果與輸出總線報(bào)錯(cuò)處理方式一樣；否則為由仲裁模塊引起的復(fù)位，執(zhí)行在線自檢，如果在線自檢不通過，CPLD會(huì)自動(dòng)隔離硬件。其中，為減小系統(tǒng)的復(fù)位花銷時(shí)間并控制系統(tǒng)的連續(xù)性，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)采用了雙口RAM idt7133，這樣可以在復(fù)位后快速采用前一次計(jì)算的暫存數(shù)據(jù)(相互取對(duì)方數(shù)據(jù)，并且與自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均)，使控制系統(tǒng)持續(xù)地工作，即讓復(fù)位對(duì)系統(tǒng)的影響降到最小。