◎北京精密機電控制設(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

◎北京精密機電控制設(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、高風險和小子樣的特點，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。為解決這一問題，北京精密機電控制設(shè)備研究所開展了航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化設(shè)計研究與實踐工作。

航天數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器作為控制系統(tǒng)的遠程終端，主要實現(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)字零位補償及校正、伺服系統(tǒng)信號采集等功能，并將控制系統(tǒng)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(jù)控制器產(chǎn)品的特點和功能劃分，研究所從基礎(chǔ)層、通用組件層、伺服單機產(chǎn)品層策劃并開展控制器分層產(chǎn)品化設(shè)計工作。數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器產(chǎn)品化層次定義見表1。

一、基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計

基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計主要是在電子元器件選用時，優(yōu)先選用中國運載火箭技術(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)有功能需求的同時充分考慮可擴展的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化器件品種，建立優(yōu)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(chǔ)設(shè)計質(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)字信號處理器（DSP）的選型平臺化為例，說明基礎(chǔ)層產(chǎn)品化設(shè)計。

一是基本功能需求。

對于數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器來說，主要實現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)控制及補償算法、數(shù)據(jù)處理等功能，且利用DSP的片內(nèi)閃存存儲控制器的程序。選用的DSP芯片應(yīng)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(shù)以其使用和維護方便等優(yōu)勢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)制信號輸出功能，可實現(xiàn)電機控制。

三是不同應(yīng)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(zhì)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(chǎn)品應(yīng)充分考慮國產(chǎn)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(zhì)量等級系列，且有國產(chǎn)化器件產(chǎn)品。

結(jié)合以上3點需求，數(shù)字伺服系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)復雜的控制算法、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，不僅可實現(xiàn)CPU控制電路模塊化設(shè)計，也可使DSP芯片的初始化軟件模塊化，給軟件開發(fā)和硬件調(diào)試帶來極大的便利，提高效率。

二、通用組件層產(chǎn)品化設(shè)計

通用組件層設(shè)計是將數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器功能劃分為通用電路單元，實現(xiàn)功能電路和組件的模塊化設(shè)計，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、總線信號收發(fā)、數(shù)字信號處理、模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換和控制信號功率放大6個功能模塊，通用組件產(chǎn)品化設(shè)計時，將其設(shè)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(xiàn)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(shù)字伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)與控制、遙測系統(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(yīng)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(shè)計為通用功率放大組件，在實際使用中可根據(jù)情況裁剪某些器件不裝，實現(xiàn)了該電路組件的通用化。

三、伺服單機產(chǎn)品層產(chǎn)品化設(shè)計

一是產(chǎn)品型譜代號編制與實踐。

針對數(shù)字伺服控制器種類較多的情況，為了更好實現(xiàn)控制器的系列化和通用化，進一步優(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(chǎn)品型譜是產(chǎn)品工程的頂層規(guī)劃和核心，而確定產(chǎn)品的命名和代號編制規(guī)則，包括產(chǎn)品名稱的編制、代號的構(gòu)成及特征參數(shù)的選取，使產(chǎn)品代號能夠體現(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)過去，支撐現(xiàn)在，引領(lǐng)未來，平穩(wěn)過渡”的原則，研究所最終明確伺服系統(tǒng)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(chǎn)品化要求的同時實現(xiàn)型譜產(chǎn)品代號的平穩(wěn)過渡。

二是基于可靠性的系列化產(chǎn)品設(shè)計。

通用伺服單機產(chǎn)品層設(shè)計時，根據(jù)各型號對伺服系統(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(xiàn)了單機產(chǎn)品系列化發(fā)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(zhì)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(shè)計，功能和性能滿足總體要求的同時，既可滿足系統(tǒng)可靠性要求，又可節(jié)省空間。對可靠性要求較高且對空間、質(zhì)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(chǎn)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(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的產(chǎn)品化設(shè)計方法已成功應(yīng)用于多個型號的數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器中，目前有多個航天型號使用該系列的產(chǎn)品，并經(jīng)過多次地面和飛行試驗的考核，試驗結(jié)果表明產(chǎn)品性能完全滿足設(shè)計和使用要求。在航天型號研制任務(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)計最大限度地擴大產(chǎn)品通用程度，以最少數(shù)目的不同規(guī)格產(chǎn)品覆蓋可預見的所有應(yīng)用需求，進而通過同規(guī)格產(chǎn)品的重復應(yīng)用增加產(chǎn)品子樣和驗證次數(shù)，最終達到產(chǎn)品快速成熟、提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的目的。?