航天數字伺服系統控制器產品化設計

◎北京精密機電控制設備研究所 劉俊琴 仲悅 鄭繼貴 王首浩 郭燕紅

航天數字伺服系統控制器產品化設計

◎北京精密機電控制設備研究所 劉俊琴 仲悅 鄭繼貴 王首浩 郭燕紅

隨著信息技術在航天伺服領域的廣泛應用，伺服系統的核心控制設備——數字伺服系統控制器也得到快速發展，已從幾種發展為十幾種。這些快速發展的產品均具有高要求、高風險和小子樣的特點，使用經典質量與可靠性工程技術方法難以滿足航天產品高質量和高可靠性的研制需求。為解決這一問題，北京精密機電控制設備研究所開展了航天數字伺服系統控制器產品化設計研究與實踐工作。

航天數字伺服系統控制器作為控制系統的遠程終端，主要實現與控制系統基于數字總線的數據通信、伺服系統內部數字閉環控制、數字零位補償及校正、伺服系統信號采集等功能，并將控制系統的電源信號變換，為控制器本身和作動器提供工作電源。根據控制器產品的特點和功能劃分，研究所從基礎層、通用組件層、伺服單機產品層策劃并開展控制器分層產品化設計工作。數字伺服系統控制器產品化層次定義見表1。

一、基礎層產品化設計

基礎層產品化設計主要是在電子元器件選用時，優先選用中國運載火箭技術研究院電子元器件選用目錄中的器件，且在元器件滿足現有功能需求的同時充分考慮可擴展的應用領域，優化器件品種，建立優選器件平臺，為控制器研制提供配套條件，提高控制器研制效率及基礎設計質量。

表1 數字伺服系統控制器產品化層次定義

筆者以作為數字伺服系統控制器核心控制器件的數字信號處理器（DSP）的選型平臺化為例，說明基礎層產品化設計。

一是基本功能需求。

對于數字伺服系統控制器來說，主要實現數字閉環控制及補償算法、數據處理等功能，且利用DSP的片內閃存存儲控制器的程序。選用的DSP芯片應具有運算速度快、片上Flash、片上“看門狗”、存儲容量較大等功能。

二是擴展功能需求。

機電伺服控制技術以其使用和維護方便等優勢在中小功率伺服系統中得到廣泛應用，考慮到伺服驅動控制器的應用前景，選用的DSP芯片具有脈沖寬度調制信號輸出功能，可實現電機控制。

三是不同應用需求。

不同型號、不同用途對于元器件的選用要求不同，如對元器件的質量等級來說，可靠性要求高的型號必須選用軍品級以上器件，而可靠性要求相對較低的型號可選用軍溫級及以上器件，同時對于裝備類產品應充分考慮國產元器件選用要求。因此，選用的DSP芯片需具有軍溫級和軍品級質量等級系列，且有國產化器件產品。

結合以上3點需求，數字伺服系統控制器中選用的DSP芯片要具有強大的控制和信號處理能力，集成度高，能夠實現復雜的控制算法、脈沖寬度調制控制，器件系列齊全可滿足不同的應用需求，且有國產化器件產品。因此，數字伺服系統控制器選用的DSP，不僅可實現CPU控制電路模塊化設計，也可使DSP芯片的初始化軟件模塊化，給軟件開發和硬件調試帶來極大的便利，提高效率。

二、通用組件層產品化設計

通用組件層設計是將數字伺服系統控制器功能劃分為通用電路單元，實現功能電路和組件的模塊化設計，形成通用組件貨架。根據數字伺服系統控制器的功能劃分為電源變換、總線信號收發、數字信號處理、模擬/數字信號轉換、數字/模擬信號轉換和控制信號功率放大6個功能模塊，通用組件產品化設計時，將其設計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行說明。

一是總線接口電路模塊化。

1553B總線是高可靠的雙冗余總線，如果一條總線出現故障，總線控制器可通過軟件自動切換到另一條總線上。1553B總線以其高可靠性在航天數字伺服系統控制領域廣泛應用，實現伺服系統與控制、遙測系統的數據通信。

1553B總線接口電路功能單一、使用廣泛、電路性能穩定，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，用于各個型號的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的功率放大，對于不同型號的應用其原理電路相同，控制對象一般有2個或4個作動器，最多可能達到6個作動器，再考慮到作動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。將該電路設計為通用功率放大組件，在實際使用中可根據情況裁剪某些器件不裝，實現了該電路組件的通用化。

三、伺服單機產品層產品化設計

一是產品型譜代號編制與實踐。

針對數字伺服控制器種類較多的情況，為了更好實現控制器的系列化和通用化，進一步優化產品種類，提升產品成熟度，以更好地滿足航天型號需求，研究所開展了伺服控制器型譜代號編制與實踐工作。

產品型譜是產品工程的頂層規劃和核心，而確定產品的命名和代號編制規則，包括產品名稱的編制、代號的構成及特征參數的選取，使產品代號能夠體現產品最本質的特征，是編制產品型譜的重要環節。基于“總結過去，支撐現在，引領未來，平穩過渡”的原則，研究所最終明確伺服系統控制器型譜代號由3個必備和1個可選字段組成，可在滿足產品化要求的同時實現型譜產品代號的平穩過渡。

二是基于可靠性的系列化產品設計。

通用伺服單機產品層設計時，根據各型號對伺服系統控制器可靠性要求的不同，結合產品型譜規劃將控制器劃分為單通道、雙冗余、三冗余和四冗余4個系列，其中單通道又包括無余度和局部電路冗余2種形式，實現了單機產品系列化發展。筆者以單通道和三冗余2個系列為例加以說明。

單通道系列。對可靠性要求不高且對空間、質量要求又嚴格的型號，采用電路無余度方案，即每個電路均采用單點設計，功能和性能滿足總體要求的同時，既可滿足系統可靠性要求，又可節省空間。對可靠性要求較高且對空間、質量要求又嚴格的型號，采用局部控制電路三冗余方案提高產品可靠性。

三冗余系列。對于可靠性要求很高的型號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。

數字伺服系統控制器的產品化設計方法已成功應用于多個型號的數字伺服系統控制器中，目前有多個航天型號使用該系列的產品，并經過多次地面和飛行試驗的考核，試驗結果表明產品性能完全滿足設計和使用要求。在航天型號研制任務多、產品種類發展迅速的情況下，數字伺服系統控制器的產品化設計最大限度地擴大產品通用程度，以最少數目的不同規格產品覆蓋可預見的所有應用需求，進而通過同規格產品的重復應用增加產品子樣和驗證次數，最終達到產品快速成熟、提高產品質量和可靠性的目的。?