航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

◎北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 劉俊琴 仲悅 鄭繼貴 王首浩 郭燕紅

航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

◎北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 劉俊琴 仲悅 鄭繼貴 王首浩 郭燕紅

隨著信息技術(shù)在航天伺服領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的核心控制設(shè)備——數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器也得到快速發(fā)展，已從幾種發(fā)展為十幾種。這些快速發(fā)展的產(chǎn)品均具有高要求、高風(fēng)險(xiǎn)和小子樣的特點(diǎn)，使用經(jīng)典質(zhì)量與可靠性工程技術(shù)方法難以滿足航天產(chǎn)品高質(zhì)量和高可靠性的研制需求。為解決這一問(wèn)題，北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所開(kāi)展了航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐工作。

航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器作為控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端，主要實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)基于數(shù)字總線的數(shù)據(jù)通信、伺服系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)字閉環(huán)控制、數(shù)字零位補(bǔ)償及校正、伺服系統(tǒng)信號(hào)采集等功能，并將控制系統(tǒng)的電源信號(hào)變換，為控制器本身和作動(dòng)器提供工作電源。根據(jù)控制器產(chǎn)品的特點(diǎn)和功能劃分，研究所從基礎(chǔ)層、通用組件層、伺服單機(jī)產(chǎn)品層策劃并開(kāi)展控制器分層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)工作。數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化層次定義見(jiàn)表1。

一、基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)主要是在電子元器件選用時(shí)，優(yōu)先選用中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院電子元器件選用目錄中的器件，且在元器件滿足現(xiàn)有功能需求的同時(shí)充分考慮可擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化器件品種，建立優(yōu)選器件平臺(tái)，為控制器研制提供配套條件，提高控制器研制效率及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

表1 數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化層次定義

筆者以作為數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器核心控制器件的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的選型平臺(tái)化為例，說(shuō)明基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。

一是基本功能需求。

對(duì)于數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器來(lái)說(shuō)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)控制及補(bǔ)償算法、數(shù)據(jù)處理等功能，且利用DSP的片內(nèi)閃存存儲(chǔ)控制器的程序。選用的DSP芯片應(yīng)具有運(yùn)算速度快、片上Flash、片上“看門狗”、存儲(chǔ)容量較大等功能。

二是擴(kuò)展功能需求。

機(jī)電伺服控制技術(shù)以其使用和維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)在中小功率伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，考慮到伺服驅(qū)動(dòng)控制器的應(yīng)用前景，選用的DSP芯片具有脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

三是不同應(yīng)用需求。

不同型號(hào)、不同用途對(duì)于元器件的選用要求不同，如對(duì)元器件的質(zhì)量等級(jí)來(lái)說(shuō)，可靠性要求高的型號(hào)必須選用軍品級(jí)以上器件，而可靠性要求相對(duì)較低的型號(hào)可選用軍溫級(jí)及以上器件，同時(shí)對(duì)于裝備類產(chǎn)品應(yīng)充分考慮國(guó)產(chǎn)元器件選用要求。因此，選用的DSP芯片需具有軍溫級(jí)和軍品級(jí)質(zhì)量等級(jí)系列，且有國(guó)產(chǎn)化器件產(chǎn)品。

結(jié)合以上3點(diǎn)需求，數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器中選用的DSP芯片要具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法、脈沖寬度調(diào)制控制，器件系列齊全可滿足不同的應(yīng)用需求，且有國(guó)產(chǎn)化器件產(chǎn)品。因此，數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器選用的DSP，不僅可實(shí)現(xiàn)CPU控制電路模塊化設(shè)計(jì)，也可使DSP芯片的初始化軟件模塊化，給軟件開(kāi)發(fā)和硬件調(diào)試帶來(lái)極大的便利，提高效率。

二、通用組件層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

通用組件層設(shè)計(jì)是將數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器功能劃分為通用電路單元，實(shí)現(xiàn)功能電路和組件的模塊化設(shè)計(jì)，形成通用組件貨架。根據(jù)數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的功能劃分為電源變換、總線信號(hào)收發(fā)、數(shù)字信號(hào)處理、模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換和控制信號(hào)功率放大6個(gè)功能模塊，通用組件產(chǎn)品化設(shè)計(jì)時(shí)，將其設(shè)計(jì)為通用電路單元或通用電路組件。筆者以總線接口電路模塊化和功率放大組件通用化為例進(jìn)行說(shuō)明。

一是總線接口電路模塊化。

1553B總線是高可靠的雙冗余總線，如果一條總線出現(xiàn)故障，總線控制器可通過(guò)軟件自動(dòng)切換到另一條總線上。1553B總線以其高可靠性在航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)與控制、遙測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

1553B總線接口電路功能單一、使用廣泛、電路性能穩(wěn)定，一般與DSP控制電路配置在一塊印制電路板上，因此將1553B總線通信接口電路模塊化，形成成熟固化電路，用于各個(gè)型號(hào)的1553B總線通信電路中。

二是功率放大組件通用化。

功率放大電路用于伺服閥電流信號(hào)的功率放大，對(duì)于不同型號(hào)的應(yīng)用其原理電路相同，控制對(duì)象一般有2個(gè)或4個(gè)作動(dòng)器，最多可能達(dá)到6個(gè)作動(dòng)器，再考慮到作動(dòng)器中三冗余伺服閥的使用，因此最多需要功率放大電路18個(gè)。將該電路設(shè)計(jì)為通用功率放大組件，在實(shí)際使用中可根據(jù)情況裁剪某些器件不裝，實(shí)現(xiàn)了該電路組件的通用化。

三、伺服單機(jī)產(chǎn)品層產(chǎn)品化設(shè)計(jì)

一是產(chǎn)品型譜代號(hào)編制與實(shí)踐。

針對(duì)數(shù)字伺服控制器種類較多的情況，為了更好實(shí)現(xiàn)控制器的系列化和通用化，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品種類，提升產(chǎn)品成熟度，以更好地滿足航天型號(hào)需求，研究所開(kāi)展了伺服控制器型譜代號(hào)編制與實(shí)踐工作。

產(chǎn)品型譜是產(chǎn)品工程的頂層規(guī)劃和核心，而確定產(chǎn)品的命名和代號(hào)編制規(guī)則，包括產(chǎn)品名稱的編制、代號(hào)的構(gòu)成及特征參數(shù)的選取，使產(chǎn)品代號(hào)能夠體現(xiàn)產(chǎn)品最本質(zhì)的特征，是編制產(chǎn)品型譜的重要環(huán)節(jié)?；凇翱偨Y(jié)過(guò)去，支撐現(xiàn)在，引領(lǐng)未來(lái)，平穩(wěn)過(guò)渡”的原則，研究所最終明確伺服系統(tǒng)控制器型譜代號(hào)由3個(gè)必備和1個(gè)可選字段組成，可在滿足產(chǎn)品化要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)型譜產(chǎn)品代號(hào)的平穩(wěn)過(guò)渡。

二是基于可靠性的系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

通用伺服單機(jī)產(chǎn)品層設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)各型號(hào)對(duì)伺服系統(tǒng)控制器可靠性要求的不同，結(jié)合產(chǎn)品型譜規(guī)劃將控制器劃分為單通道、雙冗余、三冗余和四冗余4個(gè)系列，其中單通道又包括無(wú)余度和局部電路冗余2種形式，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)產(chǎn)品系列化發(fā)展。筆者以單通道和三冗余2個(gè)系列為例加以說(shuō)明。

單通道系列。對(duì)可靠性要求不高且對(duì)空間、質(zhì)量要求又嚴(yán)格的型號(hào)，采用電路無(wú)余度方案，即每個(gè)電路均采用單點(diǎn)設(shè)計(jì)，功能和性能滿足總體要求的同時(shí)，既可滿足系統(tǒng)可靠性要求，又可節(jié)省空間。對(duì)可靠性要求較高且對(duì)空間、質(zhì)量要求又嚴(yán)格的型號(hào)，采用局部控制電路三冗余方案提高產(chǎn)品可靠性。

三冗余系列。對(duì)于可靠性要求很高的型號(hào)采用子控制器三冗余方案，即電源供電、指令通道、輸出通道和反饋通道均三冗余，具有一度故障吸收能力。

數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器中，目前有多個(gè)航天型號(hào)使用該系列的產(chǎn)品，并經(jīng)過(guò)多次地面和飛行試驗(yàn)的考核，試驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)品性能完全滿足設(shè)計(jì)和使用要求。在航天型號(hào)研制任務(wù)多、產(chǎn)品種類發(fā)展迅速的情況下，數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)最大限度地?cái)U(kuò)大產(chǎn)品通用程度，以最少數(shù)目的不同規(guī)格產(chǎn)品覆蓋可預(yù)見(jiàn)的所有應(yīng)用需求，進(jìn)而通過(guò)同規(guī)格產(chǎn)品的重復(fù)應(yīng)用增加產(chǎn)品子樣和驗(yàn)證次數(shù)，最終達(dá)到產(chǎn)品快速成熟、提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的目的。?