基于DSP 的液壓伺服機構控制器的研究

郭背背

（北京精密機電控制設備研究所，北京 100076）

大型航天器控制系統數字化已成為趨勢。這類系統通過組建1553B 總線網絡，形成一個實時分布且高可靠的集成電子處理系統，并通過集成設備和嵌入式計算機實現智能控制模塊間的信息共享和并行處理[1]。航天器控制系統中的液壓伺服子系統通過數字總線伺服控制器完成技術狀態的改進。以數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）為核心的液壓伺服控制器在保留原有控制器模擬信號采集功能的同時，增加了數字信號控制運算模塊，這種新型控制器較傳統控制器具有更好的控制效果，再加上質量輕、集成度高、成本低、調節度高等特點，提升系統整體性能的同時也減小了系統的容量和功耗，使液壓伺服系統使用范圍更廣[2-3]。

1 控制原理概述

液壓伺服機構位于航天器發動機旁，是控制系統的重要執行單元。伺服機構通過推動作動器活塞桿，使發動機同機身形成一定角度，從而實現航天器飛行方向控制與姿勢穩定[4]。該控制系統中主控計算機通過傳感器感知航天器機體姿態，并在實時運算后發出動作指令，由數字伺服控制器接收、分析和求解發動機命令信息，并與作動器位置反饋合成后及時運算，得到驅動電流，從而使作動器活塞桿轉動到特定位置來實現發動機動作。伺服控制器通過上述作業形式把接受的發動機擺角命令變換為伺服機構運轉的驅動參數，從而控制航天器按照指定路線飛行。

2 伺服控制器硬件研究概述

伺服控制器是三冗余結構，包含3 個獨立的子控制器，他們同步控制伺服機構工作，每個子控制器控制4 個作動器。伺服控制器在控制系統中充當遠程終端，通過1553B 總線實現航天器控制系統內的數據傳輸，同時負責伺服子系統中所需量的收集和變換、數字閉環回路控制、零位的補償和校正以及為自身和伺服作動器供電等工作[5]。該控制器由3 個功能塊組成，分別為電源模塊、以DSP 為核心的控制總線模塊、模數轉換和功率驅動模塊，其子控制器硬件結構功能框圖如圖1 所示。

圖1 子控制器功能框圖

2.1 電源模塊

為避免子控制器回路間干擾，子控制器需要獨立供電。伺服控制器以（+28±3）V 作為主電源輸入。內部二次電源采用集中供電和分布式供電兩種方式。+28V 的電源通過電源濾波器和DC/DC 轉換器轉換成為±15 V 和+5 V 的電源。其中：+5 V 主要用于數字電路和模數轉換（Analog/Digital，A/D）模塊，經過電源變換器輸出3.3 V 和1.8 V 的電源供DSP 芯片使用；±15 V 用于液壓伺服系統信號采集傳感器、數模轉換（Analog/Digital，D/A）轉換和運放等電路，同時±15 V 與三端集成穩壓器生成±9 V 為執行機構電位計供電。

2.2 控制/總線模塊

控制/ 總線模塊主要包括DSP 控制電路，復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）邏輯控制電路和1553B 總線接口電路，這3 種電路集于一塊印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上，模塊連接圖如圖2 所示。

圖2 控制總線模塊連接圖

2.2.1 DSP 控制電路

DSP 控制電路采用TMS320F2812 高性能32 位數字信號處理器，可實現數字信號高精度的計算和訪問，可通過芯片外設接口關聯其他芯片。DSP 控制電路主要由電源、時鐘、外部看門狗及復位電路組成，能實現伺服系統的信號采集與數字處理、信號補償、位置閉環控制以及程序存儲等功能。

2.2.2 CPLD 邏輯控制電路

可編程邏輯控制器件通過Verilog 語言程序實現對復雜邏輯關系電路的連接。DSP 芯片通過CPLD 邏輯電路實現對總線協議芯片、A/D 和D/A 轉換芯片的實時精準邏輯控制。

2.2.3 總線接口電路

該電路選用BU-65170 協議芯片作為1553B 總線接口端。芯片選用16 位緩存接口形式將芯片內部地址和數據緩沖區同其接口的微處理器的地址和數據分隔。

2.3 模數變換模塊

模數變換模塊主要用來實現信號采集與變換，從而將系統采集的模擬信號變換成數字信號，邏輯運算后，再將數字信號變換輸出為模擬信號，其邏輯示意圖如圖3 所示。

圖3 模數轉換模塊示意圖

2.3.1 模擬信號采集部分

液壓伺服控制器使用片內A/D 和片外A/D 共同采集所需模擬信號，其中片內A/D 中的3 個子控制器同步采集作動器位移、充氣壓力、液壓油位和伺服閥入口壓力等物理量，片外A/D 用來收集溫度、轉速、電源信號、電流和低壓等物理量。

2.3.2 功率驅動部分

功率驅動部分主要由D/A 芯片和功率放大器構成，主要用來放大D/A 輸出信號的功率，輸出伺服閥驅動電流。DSP 輸出的數字信號經D/A 轉換為模擬信號后經過兩倍同相運算放大器緩沖后再輸入到功率放大電路。此放大器主要作用一是減少數字高頻信號對模擬信號的干擾，二是使D/A 輸出電壓滿足A/D 輸入電壓要求，其子控制器的D/A 輸出信號并聯集合給各自的功放。

3 伺服控制器軟件研究概述

軟件以DSP 為基礎，使用Code Composer System開發軟件進行硬件配置和程序開發。其中硬件配置包括開發環境創建、運轉環境設置和存儲區域定義。程序部分采用模塊化設計思想，由主程序和兩個中斷子程序組成。執行主程序主要用來完成硬件初始化，兩個中斷子程序用來實現伺服控制器功能。

3.1 程序設計

3.1.1 主程序

主程序主要用來完成DSP 芯片、BU-65170 總線協議芯片和參數變量的初始化、系統自檢、中斷與定時器使能以及主回路響應等功能，程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

3.1.2 總線中斷子程序

總線中斷子程序是指總線協議芯片根據所接受的總線控制命令向DSP 發起外部中斷請求并執行相應功能的程序。總線中斷控制指令有兩種：一是總線模式代碼，它決定了總線的通信方式，文中使用了自檢、同步和復位3 類代碼；二是總線數據傳輸指令，它實現了收發伺服子系統動作命令和狀態量的功能。

中斷子程序響應速率快，處理事件便捷。伺服控制器作為總線遠程終端，能夠根據BU-65170 發出的信號做出相應中斷程序，從而完成總線命令分析，實現位置命令或模式代碼的解析。具體模式如下：首先，若是自檢、復位模式代碼，則通過配置相應的標記位并在主程序中分別運行；其次，若是同步代碼則直接進行同步時間設置；最后，若是數據命令，則將命令中位置數據信息分解并存儲在對應的地址中參與伺服操作。總線中斷子程序流程如圖5 所示。

圖5 總線中斷程序流程圖

3.1.3 定時中斷子程序

伺服控制器要求每次采樣、運算與控制輸出的時間為1 ms，在這1 ms 中不僅要實現位置信息獲取、控制算法運算和D/A 輸出，同時還需要采集動作器運行狀態量，以及實現總線傳輸數據的設置，并將狀態量更新至BU-65170 中。由于系統硬件采用余度管理，采樣數據量比較大，導致子控制器很難同步實現在1 ms 內將所有采樣信號采樣、運算并輸出[6]。為解決上述問題，將信號通道分為了重要信號和次重要信號，其中重要信號參加伺服運算，次重要信號只是總線傳輸。因此該子程序每1 ms 只要完成重要信號采樣及伺服運算，次重要信號簡單采樣，就能保證20 ms 內將所有信號數據值更新至BU-65170。該程序是實現伺服控制的核心部分，其流程如圖6 所示。

圖6 定時中斷子程序流程圖

3.2 伺服控制器自檢測技術

自檢是指系統或設備依賴于一些自測電路和自測軟件執行系統或設備的自我參數檢測和故障自我診斷，并進行故障隔離的一種綜合能力[7]，是用于測試、確診或分隔系統及設備故障部分的有效方法。伺服控制器自檢以硬件電路為基礎通過軟件落實檢測功能。具體檢測方面包括：DSP 微處理器檢測、總線接口檢測、A/D 信道檢測、D/A 信道檢測及Bit 軟件檢測。

4 控制算法研究概述

為滿足伺服子系統的控制要求，液壓伺服控制器將作動器的線位移反饋構成位置閉環控制。控制回路為比例積分控制器（Proportional Integral controller，PI）控制，并通過動壓反饋復合校正和陷波補償來改善液壓伺服系統的快速性和穩定性[8-9]。系統框圖如圖7 所示。實際工程中，真正的控制量為發動機角位移，而發動機角位移可由液壓作動器的線位移間接體現，因此只需描述作動器線位移動態特性即可[10]。

圖7 伺服控制系統框圖

由于阻尼值偏低限制了電液伺服系統的性能，為進一步優化系統，加大液壓伺服系統自身頻率的同時也增大阻尼比，選擇了動壓反饋校正。雖然該反饋校正可以較好地壓制低頻段諧振峰，但高頻段諧振峰抵制作用并不理想，而負載特性在中高頻段負載中會出現雙諧振點，因此又在動壓反饋條件下增加了陷波補償于高頻段。

5 結語

文章以航天器液壓伺服子系統為背景，概述了基于DSP 的伺服控制器的硬件設計、軟件設計和控制算法。與傳統控制器相比，伺服控制器促成了液壓伺服數字控制、1553B 總線通信功能和三冗余高可靠技術。該控制器具有較強的適應性和可靠性，同時還具有模塊化設計以及智能總線通信等優點，實現了航天伺服控制系統數字化的改造，對后續工程實踐有一定參考價值，但仍有一些問題需要深入研究，例如：可考慮自適應和魯棒控制策略改善伺服系統動態性能；除硬件故障余度技術外，還可以增加軟件余度管理，從而增強系統可靠特性。