王首浩，仲 悅，鄭起佳，陳克勤，郭燕紅

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

伺服控制驅(qū)動器是機(jī)電伺服系統(tǒng)的核心部件，是閉環(huán)控制和功率驅(qū)動兩大功能的集合體，主要功能是通過數(shù)字總線接收位置指令，采集系統(tǒng)各傳感器的反饋信息，執(zhí)行數(shù)字閉環(huán)計算，輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation Wave，PWM）信號，通過絕緣柵雙極晶體管（Ⅰnsulate Gate Bipolar Transistor，ⅠGBT）或智能功率模塊（Ⅰntelligent Power Module，ⅠPM）等功率模塊驅(qū)動永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動功率電傳伺服作動器進(jìn)行直線動作。

功率電傳伺服作動器可分為機(jī)電作動器（Electro Mechanical Actuator，EMA）和電靜液伺服作動器（Electro Hydrostatic Actuator，EHA），在高可靠飛行器應(yīng)用中，EHA具有重載能力強、能夠?qū)崿F(xiàn)三冗余或四冗余伺服系統(tǒng)并實現(xiàn)兩度故障隔離的優(yōu)點，可以極大地提高系統(tǒng)可靠性，是新一代運載火箭高可靠伺服系統(tǒng)的優(yōu)選方案［1-2］。

但與傳統(tǒng)的伺服控制驅(qū)動產(chǎn)品相比，多冗余EHA系統(tǒng)給伺服控制驅(qū)動平臺提出了更高的要求，主要有兩方面：控制電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由傳統(tǒng)產(chǎn)品的約6 000 轉(zhuǎn)/分提高到萬轉(zhuǎn)/分以上；在滿足小型化的基礎(chǔ)之上，形成多余度健康管理、故障診斷的智能伺服系統(tǒng)。進(jìn)一步將新型產(chǎn)品需求與傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行對比，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

a）傳統(tǒng)產(chǎn)品處理器主頻不超過120 MHz，沒有硬件加速的并行能力；為實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速控制，新產(chǎn)品需要更高的處理器主頻和硬件加速能力，以滿足更短的控制周期和更多的控制對象。

b）傳統(tǒng)產(chǎn)品一般采用數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）+現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）+總線控制器的系統(tǒng)架構(gòu)［3］，集成度較低，隨著技術(shù)的發(fā)展，計算能力、邏輯資源、存儲容量和總線接口技術(shù)已較為落后；未來新型伺服控制驅(qū)動平臺在系統(tǒng)架構(gòu)高度集成的前提下，計算、邏輯、存儲、接口等資源更加豐富。

c）傳統(tǒng)產(chǎn)品一般是單余度控制，或通過簡單的硬件復(fù)制實現(xiàn)冗余，不能充分地交互系統(tǒng)信息；新型多冗余產(chǎn)品，余度間各類狀態(tài)信息具備共享渠道，使系統(tǒng)具備健康管理的能力，可實現(xiàn)智能化的余度控制策略。

d）傳統(tǒng)產(chǎn)品均為單核處理器，主要實現(xiàn)機(jī)電閉環(huán)的單一功能，難以兼顧多總線、多任務(wù)處理的需求；新型產(chǎn)品具備多核處理能力，兼顧多任務(wù)處理和實時控制系統(tǒng)需求。

本文依據(jù)三冗余EHA 伺服系統(tǒng)任務(wù)需求和伺服控制驅(qū)動技術(shù)集成一體化、信息共享化、余度智能化和多種總線接口的發(fā)展趨勢，研制并實現(xiàn)了基于全可編程片上系統(tǒng)（All Programmable System on Chip，APSoC）以及雙核技術(shù)的智能化伺服控制驅(qū)動平臺。

1 系統(tǒng)需求分析

三冗余EHA伺服系統(tǒng)組成如圖1所示。伺服控制驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)字閉環(huán)控制、電機(jī)驅(qū)動控制和為伺服機(jī)構(gòu)各傳感器供電等功能。伺服機(jī)構(gòu)通過電機(jī)控制定量泵的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)輸出流量的方向和大小可調(diào)，同時控制作動器內(nèi)部集成位移傳感器，實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。

圖1 三余度伺服控制驅(qū)動器功能Fig.1 Functional block of three redundancy servo control driver

伺服控制驅(qū)動器通過3 路獨立的422 總線和以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行指令接收和遙測數(shù)據(jù)返回，同時采集位移信號、旋變信號及相電流信號等，實現(xiàn)位置、速度、電流的三閉環(huán)計算，輸出占空比變化的PWM信號，控制功率電路輸出電機(jī)三相電流，實現(xiàn)伺服電機(jī)的高動態(tài)、高精度控制；采集電機(jī)泵兩腔壓力、作動器兩腔壓力、油箱壓力和各處溫度號等，為健康管理功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)工作狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和余度控制功能。

伺服控制驅(qū)動器采用三余度設(shè)計，包含3個子模塊，分別控制三余度伺服電機(jī)泵的一個伺服電機(jī)。3個子模塊通過內(nèi)部數(shù)據(jù)共享總線交互狀態(tài)信息，對總線指令進(jìn)行表決，每個子模塊同時對3個子模塊的反饋狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)綜合表決后輸出控制信號，實現(xiàn)智能冗余。

2 產(chǎn)品設(shè)計

系統(tǒng)需求明確后進(jìn)行產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計，由于三冗余伺服控制驅(qū)動器的3個子模塊硬件相同，所以首先說明子模塊功能組成，其次對比傳統(tǒng)平臺詳細(xì)介紹運行在子模塊中高度集成的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，再對系統(tǒng)架構(gòu)的組成單元——ⅠP核設(shè)計進(jìn)行說明，最后介紹3個子模塊互連的信息共享方式、健康管理網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)冗余策略，實現(xiàn)按實時性分級處理的多任務(wù)系統(tǒng)。

2.1 子模塊設(shè)計

子模塊的功能組成如圖2所示。每個子模塊包含電源變換電路、APSoC 核心處理電路、總線通信電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、R/D 轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、傳感器接口電路、過流保護(hù)電路、功率驅(qū)動電路、吸收電路、相電流采集電路和電磁閥接口電路等。

2.2 控制架構(gòu)設(shè)計

在目前機(jī)電伺服系統(tǒng)的應(yīng)用中，控制驅(qū)動器的核心架構(gòu)多采用DSP+FPGA+總線控制器架構(gòu)，DSP 用于閉環(huán)及磁場導(dǎo)向控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）算法實現(xiàn)，F(xiàn)PGA用于邏輯譯碼、PWM擴(kuò)展和死區(qū)控制，一般只采用1種總線通信方式。

本文所述產(chǎn)品的控制核心采用APSoC 元件單芯片方案，內(nèi)部包含處理系統(tǒng)（Processing System，PS）和可編程邏輯（Programmable Logic，PL）兩部分：PS 由兩個Cortex-A9 的ARM 硬核core0 和core1 組成，包括應(yīng)用處理單元、高速緩存、RAM、存儲器接口和各類外設(shè)資源；PL 由可編程邏輯塊、塊RAM、DSP、可編程ⅠO、串行收發(fā)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。PS與PL 之間通過AXⅠ總線實現(xiàn)高速互聯(lián)［4］，PS 主頻超過667 MHz，遠(yuǎn)高于目前使用的DSP 主頻120 MHz，使用DDR3 存儲器運行程序和工作過程中的各類數(shù)據(jù)，大容量存儲器為測試細(xì)節(jié)高度還原提供平臺，采用nor flash存儲程序文件用于上電啟動加載。

控制架構(gòu)如圖3 所示，為多總線應(yīng)用方案，422總線接收控制指令、返回關(guān)鍵參數(shù)的遙測信息，以太網(wǎng)返回伺服系統(tǒng)的全部狀態(tài)量信息，3 個子模塊之間通過二級總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，實現(xiàn)健康管理和余度表決判斷功能。

圖3 控制架構(gòu)Fig.3 Block of control architecture

系統(tǒng)處理的任務(wù)比較多，特別是以太網(wǎng)需要定時傳輸大量數(shù)據(jù)信息，如果按照傳統(tǒng)的單核設(shè)計模式放在PWM 控制周期內(nèi)執(zhí)行，會造成中斷溢出或超時處理，如果將數(shù)據(jù)分多組分時傳輸則會影響軟件可靠性和移植效率，所以采用多核控制技術(shù)，在core0 中處理伺服系統(tǒng)三閉環(huán)和與控制系統(tǒng)的總線傳輸，在不影響PWM 控制周期余量的前提下分配實時性要求較高的二級總線、健康管理和冗余表決等任務(wù)，在core1中處理實時性要求不高但數(shù)據(jù)量特別大的以太網(wǎng)傳輸任務(wù)，雙核之間通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。外圍器件的時序和邏輯控制均由PL 端并行執(zhí)行，發(fā)揮硬件加速優(yōu)勢。

2.3 ⅠP核硬件加速設(shè)計

基于嵌入式軟件的閉環(huán)設(shè)計，在一個PWM 周期內(nèi)，順序執(zhí)行位置采集、角度采集、電流采集、算法、PWM 占空比輸出。隨著控制電機(jī)數(shù)量的增加，順序執(zhí)行環(huán)節(jié)所消耗的時間也成倍增加。隨著PWM控制頻率的提高，嵌入式軟件中斷執(zhí)行時間的余量越來越小，最終將會溢出，導(dǎo)致任務(wù)不能全部完成。

ⅠP核是并行控制架構(gòu)的組成單元，采用硬件并行加速技術(shù)，將A/D轉(zhuǎn)換器控制、R/D轉(zhuǎn)換器控制、位置傳感器解碼、空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）計算、PWM 輸出等功能封裝為硬件ⅠP核，所有的控制環(huán)節(jié)可以同時啟動，多電機(jī)的計算環(huán)節(jié)也可以同時進(jìn)行，多對象控制基本不增加處理時間，僅增加需要讀取寄存器數(shù)據(jù)的時間，發(fā)揮硬件加速能力，最大程度地實現(xiàn)并行控制。

ⅠP核設(shè)計封裝如圖4所示。以旋變解碼控制ⅠP核和電流環(huán)算法ⅠP核設(shè)計為例，ⅠP核控制接口用于啟動狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換和輸出工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)接口用于PS 通過AXⅠ總線尋址讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。算法類ⅠP核采用高層次綜合工具開發(fā)，采用硬件的思想、軟件的手段，高效開發(fā)硬件平臺算法［5］。

圖4 ⅠP核設(shè)計封裝Fig.4 ⅠP core package

2.4 健康管理與冗余方案設(shè)計

在航天領(lǐng)域，在滿足小型化的基礎(chǔ)之上，開展多余度健康診斷型大功率電傳伺服系統(tǒng)是一項重要的課題［6］。

健康管理是未來伺服系統(tǒng)特別是余度控制系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展不可缺少的環(huán)節(jié)。目前的伺服系統(tǒng)中，一般會將較為關(guān)鍵的狀態(tài)信息通過遙測總線上傳到測控系統(tǒng)中，由人工對數(shù)據(jù)或曲線進(jìn)行判斷，這些狀態(tài)信息一般不參與閉環(huán)控制，或是對某一關(guān)鍵的單點環(huán)節(jié)進(jìn)行智能判斷和補償［7］。本文設(shè)計的系統(tǒng)（如圖5 所示）由電源電壓、母線電壓、電源模塊溫度、驅(qū)動模塊溫度、油溫、過流保護(hù)、油箱壓力等組成了健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。同時由二級總線共享的其他2個子模塊的信息構(gòu)成了子模塊1的信息庫，為健康管理提供依據(jù)。健康管理任務(wù)將輸出管理意見，余度策略任務(wù)匯總本模塊產(chǎn)生的意見和模塊2、模塊3 輸入的意見邏輯，通過綜合分析判斷邏輯和多數(shù)表決電路，控制啟控閥與隔離閥的通斷，同時向模塊2、模塊3 輸出模塊1 對其他2 個子模塊的管理意見，實現(xiàn)對故障模塊的切除，最終達(dá)到系統(tǒng)余度控制的目的。

圖5 健康管理與余度控制方案Fig.5 Strategy of health management and redundancy control

冗余策略基于對信息的共享，如圖6 所示。3 個子模塊之間通過二級總線互通信息，APSoC總線資源豐富，可采取PS部分的CAN總線，優(yōu)點是總線傳輸機(jī)制不需要通過編寫協(xié)議控制，缺點是速率較慢，適用于信息量少或更新頻率低的方案。也可以采用PL部分的高速GTX 收發(fā)器，采取分布式環(huán)形拓?fù)渫ㄐ艆f(xié)議［8］的方案，以滿足高頻率大數(shù)據(jù)量信息交互需求。

圖6 基于信息共享的冗余策略Fig.6 Redundancy strategy based on information sharing

2.5 多任務(wù)分級處理

伺服系統(tǒng)是典型的強實時性控制系統(tǒng)，特別是機(jī)電伺服系統(tǒng)中，電流環(huán)控制周期不超過100 μs，對過流保護(hù)功能的要求甚至是無延時立即執(zhí)行，但是在多任務(wù)系統(tǒng)中，并不是所有任務(wù)的實時性都很高。以10 kHz 控制頻率為例，多任務(wù)處理實時控制系統(tǒng)，按照任務(wù)響應(yīng)的實時性需求劃分為級別如表1所示。

a）1級任務(wù)為過流保護(hù)，防止功率器件因過流燒壞，要求無軟件延遲立即執(zhí)行，只能在PL 端以硬件邏輯形式實現(xiàn)，檢測到過流信號時立即關(guān)斷PWM 模塊ⅠP輸出，并向PS輸出狀態(tài)監(jiān)測信號；

b）2級任務(wù)圍繞電流閉環(huán)開展，由PL端的PWM模塊ⅠP 定時觸發(fā)PS 端的外部中斷和PL 端A/D 轉(zhuǎn)換ⅠP、R/D 轉(zhuǎn)換ⅠP、SSⅠ解碼ⅠP 的啟動信號，PS 端在中斷函數(shù)中解析422總線角度指令，讀取U、V相電流、角度信息，執(zhí)行電流環(huán)計算，計算結(jié)果輸出控制PWM模塊ⅠP的占空比；

c）3 級任務(wù)為PS 讀取位置和速度信息，執(zhí)行速度環(huán)和位置環(huán)計算，同時通過二級總線共享指令、位置等速變量，用于位置和指令多數(shù)表決；

d）4 級任務(wù)為PS 端向422 總線返回速變遙測量信息；

e）5 級任務(wù)是PS 端通過二級總線共享各子模塊的電壓、溫度、壓力等緩變量信息，并進(jìn)行健康管理和余度策略，由PL端進(jìn)行余度邏輯綜合；

f）6級任務(wù)由core0更新共享內(nèi)存，由core1將共享內(nèi)存中的信息通過以太網(wǎng)返回測量系統(tǒng)，包括3個子模塊的采集和狀態(tài)信息。

3 樣機(jī)研制與試驗驗證

3.1 樣機(jī)研制

三冗余伺服控制驅(qū)動器樣機(jī)由殼體、連接器、電源板組件、控制板組件和驅(qū)動板組件組成，實物及結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示，樣機(jī)頂層為控制板，自左向右布置3套獨立的控制電路模塊，每個電路模塊占12 cm×6 cm板面，方便實現(xiàn)與伺服機(jī)構(gòu)體成一體化和多余度模塊化互連設(shè)計。

圖7 控制驅(qū)動器樣機(jī)實物與三維圖Fig.7 Prototype of the control driver

3.2 系統(tǒng)驗證

樣機(jī)實物中，子模塊之間通過雙冗余CAN 總線互聯(lián)，共享指令、線位移等信息，通過算法表決后進(jìn)行位置、速度和電流三閉環(huán)計算。與三冗余EHA 伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗證，性能指標(biāo)滿足要求，位移反饋順滑無抖動，電機(jī)泵安靜無異響。圖8中系統(tǒng)測試曲線表明，3 套獨立控制的電機(jī)泵轉(zhuǎn)速曲線和力矩曲線重合，余度間同步性良好，3個電機(jī)泵出力均勻，相互之間無力干擾；經(jīng)電機(jī)泵獨立測試，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min，帶載3 000 r/min，可提供13 MPa 的壓力。

圖8 三余度轉(zhuǎn)速和力矩波形Fig.8 Speed and torque waveform of three motors

3.3 測量信息全還原

傳統(tǒng)的控制驅(qū)動器，一般只采用1553 B 或CAN通信總線，最高速率不超過4 Mbit/s［9］，測試設(shè)備總線數(shù)據(jù)頻率在200～1 000 Hz，而控制驅(qū)動器電流環(huán)周期超過10 kHz，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)波形失真，同時由于總線帶寬有限，許多狀態(tài)信息和計算環(huán)節(jié)的重要信息難以輸出，系統(tǒng)難以進(jìn)行更深入的性能分析工作。

樣機(jī)采用大容量高速存儲器和百兆以太網(wǎng)技術(shù)，將每一幀電流環(huán)數(shù)據(jù)遙測輸出，通過繪圖與控制總線輸出數(shù)據(jù)結(jié)果比對，可以清晰地還原伺服系統(tǒng)和電機(jī)工作過程中的細(xì)節(jié)信息，波形細(xì)節(jié)對比如圖9 所示。圖9a 為測試設(shè)備通過422 總線每5 ms 一幀接收的U、V相電流測量數(shù)據(jù)波形，可以清晰地看出臺階等波形失真情況。圖9b 為以太網(wǎng)0.1 ms 一幀的測量數(shù)據(jù)曲線，可以看出U、V 相電流波形光滑連續(xù)，完全還原了測量細(xì)節(jié)信息。圖9c展示了電機(jī)工作過程中，控制板輸出三相PWM信號占空比的包絡(luò)變化趨勢。圖9d則是展開后顯示出3條曲線的相位關(guān)系，完全滿足設(shè)計和仿真情況，測量細(xì)節(jié)全還原技術(shù)為系統(tǒng)性能調(diào)節(jié)和故障定位等工作帶來了高效與便捷。

圖9 波形細(xì)節(jié)對比Fig.9 Waveform detail comparison

4 結(jié)束語

本文針對箭上三冗余EHA 伺服系統(tǒng)應(yīng)用需求，結(jié)合伺服控制驅(qū)動技術(shù)高集成、模塊化、智能化的發(fā)展趨勢，基于全可編程片上系統(tǒng)，在單芯片中實現(xiàn)伺服系統(tǒng)控制架構(gòu)，采用雙核技術(shù)和ⅠP核集成技術(shù)充分發(fā)揮硬件加速能力，建立了基于二級總線信息共享的健康管理網(wǎng)絡(luò)，為多余度智能伺服控制搭建了平臺。經(jīng)過與三冗余伺服機(jī)構(gòu)聯(lián)調(diào)驗證，滿足高速機(jī)電系統(tǒng)同步性和實時性需求，滿足多總線多任務(wù)的復(fù)雜處理需求，并通過以太網(wǎng)傳輸還原了全部測量細(xì)節(jié)信息。本文所研制的平臺適用未來運載火箭多余度EHA 伺服系統(tǒng)控制，同時也可以推廣應(yīng)用于單余度機(jī)電集成一體化智能伺服機(jī)構(gòu)、多軸同步控制伺服系統(tǒng)和多總線伺服系統(tǒng)等場景。