航天数字伺服系统控制器产品化设计

◎北京精密机电控制设备研究所 刘俊琴 仲悦 郑继贵 王首浩 郭燕红

航天数字伺服系统控制器产品化设计

◎北京精密机电控制设备研究所 刘俊琴 仲悦 郑继贵 王首浩 郭燕红

随着信息技术在航天伺服领域的广泛应用，伺服系统的核心控制设备——数字伺服系统控制器也得到快速发展，已从几种发展为十几种。这些快速发展的产品均具有高要求、高风险和小子样的特点，使用经典质量与可靠性工程技术方法难以满足航天产品高质量和高可靠性的研制需求。为解决这一问题，北京精密机电控制设备研究所开展了航天数字伺服系统控制器产品化设计研究与实践工作。

航天数字伺服系统控制器作为控制系统的远程终端，主要实现与控制系统基于数字总线的数据通信、伺服系统内部数字闭环控制、数字零位补偿及校正、伺服系统信号采集等功能，并将控制系统的电源信号变换，为控制器本身和作动器提供工作电源。根据控制器产品的特点和功能划分，研究所从基础层、通用组件层、伺服单机产品层策划并开展控制器分层产品化设计工作。数字伺服系统控制器产品化层次定义见表1。

一、基础层产品化设计

基础层产品化设计主要是在电子元器件选用时，优先选用中国运载火箭技术研究院电子元器件选用目录中的器件，且在元器件满足现有功能需求的同时充分考虑可扩展的应用领域，优化器件品种，建立优选器件平台，为控制器研制提供配套条件，提高控制器研制效率及基础设计质量。

表1 数字伺服系统控制器产品化层次定义

笔者以作为数字伺服系统控制器核心控制器件的数字信号处理器（DSP）的选型平台化为例，说明基础层产品化设计。

一是基本功能需求。

对于数字伺服系统控制器来说，主要实现数字闭环控制及补偿算法、数据处理等功能，且利用DSP的片内闪存存储控制器的程序。选用的DSP芯片应具有运算速度快、片上Flash、片上“看门狗”、存储容量较大等功能。

二是扩展功能需求。

机电伺服控制技术以其使用和维护方便等优势在中小功率伺服系统中得到广泛应用，考虑到伺服驱动控制器的应用前景，选用的DSP芯片具有脉冲宽度调制信号输出功能，可实现电机控制。

三是不同应用需求。

不同型号、不同用途对于元器件的选用要求不同，如对元器件的质量等级来说，可靠性要求高的型号必须选用军品级以上器件，而可靠性要求相对较低的型号可选用军温级及以上器件，同时对于装备类产品应充分考虑国产元器件选用要求。因此，选用的DSP芯片需具有军温级和军品级质量等级系列，且有国产化器件产品。

结合以上3点需求，数字伺服系统控制器中选用的DSP芯片要具有强大的控制和信号处理能力，集成度高，能够实现复杂的控制算法、脉冲宽度调制控制，器件系列齐全可满足不同的应用需求，且有国产化器件产品。因此，数字伺服系统控制器选用的DSP，不仅可实现CPU控制电路模块化设计，也可使DSP芯片的初始化软件模块化，给软件开发和硬件调试带来极大的便利，提高效率。

二、通用组件层产品化设计

通用组件层设计是将数字伺服系统控制器功能划分为通用电路单元，实现功能电路和组件的模块化设计，形成通用组件货架。根据数字伺服系统控制器的功能划分为电源变换、总线信号收发、数字信号处理、模拟/数字信号转换、数字/模拟信号转换和控制信号功率放大6个功能模块，通用组件产品化设计时，将其设计为通用电路单元或通用电路组件。笔者以总线接口电路模块化和功率放大组件通用化为例进行说明。

一是总线接口电路模块化。

1553B总线是高可靠的双冗余总线，如果一条总线出现故障，总线控制器可通过软件自动切换到另一条总线上。1553B总线以其高可靠性在航天数字伺服系统控制领域广泛应用，实现伺服系统与控制、遥测系统的数据通信。

1553B总线接口电路功能单一、使用广泛、电路性能稳定，一般与DSP控制电路配置在一块印制电路板上，因此将1553B总线通信接口电路模块化，形成成熟固化电路，用于各个型号的1553B总线通信电路中。

二是功率放大组件通用化。

功率放大电路用于伺服阀电流信号的功率放大，对于不同型号的应用其原理电路相同，控制对象一般有2个或4个作动器，最多可能达到6个作动器，再考虑到作动器中三冗余伺服阀的使用，因此最多需要功率放大电路18个。将该电路设计为通用功率放大组件，在实际使用中可根据情况裁剪某些器件不装，实现了该电路组件的通用化。

三、伺服单机产品层产品化设计

一是产品型谱代号编制与实践。

针对数字伺服控制器种类较多的情况，为了更好实现控制器的系列化和通用化，进一步优化产品种类，提升产品成熟度，以更好地满足航天型号需求，研究所开展了伺服控制器型谱代号编制与实践工作。

产品型谱是产品工程的顶层规划和核心，而确定产品的命名和代号编制规则，包括产品名称的编制、代号的构成及特征参数的选取，使产品代号能够体现产品最本质的特征，是编制产品型谱的重要环节。基于“总结过去，支撑现在，引领未来，平稳过渡”的原则，研究所最终明确伺服系统控制器型谱代号由3个必备和1个可选字段组成，可在满足产品化要求的同时实现型谱产品代号的平稳过渡。

二是基于可靠性的系列化产品设计。

通用伺服单机产品层设计时，根据各型号对伺服系统控制器可靠性要求的不同，结合产品型谱规划将控制器划分为单通道、双冗余、三冗余和四冗余4个系列，其中单通道又包括无余度和局部电路冗余2种形式，实现了单机产品系列化发展。笔者以单通道和三冗余2个系列为例加以说明。

单通道系列。对可靠性要求不高且对空间、质量要求又严格的型号，采用电路无余度方案，即每个电路均采用单点设计，功能和性能满足总体要求的同时，既可满足系统可靠性要求，又可节省空间。对可靠性要求较高且对空间、质量要求又严格的型号，采用局部控制电路三冗余方案提高产品可靠性。

三冗余系列。对于可靠性要求很高的型号采用子控制器三冗余方案，即电源供电、指令通道、输出通道和反馈通道均三冗余，具有一度故障吸收能力。

数字伺服系统控制器的产品化设计方法已成功应用于多个型号的数字伺服系统控制器中，目前有多个航天型号使用该系列的产品，并经过多次地面和飞行试验的考核，试验结果表明产品性能完全满足设计和使用要求。在航天型号研制任务多、产品种类发展迅速的情况下，数字伺服系统控制器的产品化设计最大限度地扩大产品通用程度，以最少数目的不同规格产品覆盖可预见的所有应用需求，进而通过同规格产品的重复应用增加产品子样和验证次数，最终达到产品快速成熟、提高产品质量和可靠性的目的。◀