王首浩，仲 悦，郑起佳，陈克勤，郭燕红

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引 言

伺服控制驱动器是机电伺服系统的核心部件，是闭环控制和功率驱动两大功能的集合体，主要功能是通过数字总线接收位置指令，采集系统各传感器的反馈信息，执行数字闭环计算，输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation Wave，PWM）信号，通过绝缘栅双极晶体管（Ⅰnsulate Gate Bipolar Transistor，ⅠGBT）或智能功率模块（Ⅰntelligent Power Module，ⅠPM）等功率模块驱动永磁同步电机旋转，带动功率电传伺服作动器进行直线动作。

功率电传伺服作动器可分为机电作动器（Electro Mechanical Actuator，EMA）和电静液伺服作动器（Electro Hydrostatic Actuator，EHA），在高可靠飞行器应用中，EHA具有重载能力强、能够实现三冗余或四冗余伺服系统并实现两度故障隔离的优点，可以极大地提高系统可靠性，是新一代运载火箭高可靠伺服系统的优选方案［1-2］。

但与传统的伺服控制驱动产品相比，多冗余EHA系统给伺服控制驱动平台提出了更高的要求，主要有两方面：控制电机最高转速由传统产品的约6 000 转/分提高到万转/分以上；在满足小型化的基础之上，形成多余度健康管理、故障诊断的智能伺服系统。进一步将新型产品需求与传统产品进行对比，主要表现在以下几个方面：

a）传统产品处理器主频不超过120 MHz，没有硬件加速的并行能力；为实现更高的转速控制，新产品需要更高的处理器主频和硬件加速能力，以满足更短的控制周期和更多的控制对象。

b）传统产品一般采用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）+现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）+总线控制器的系统架构［3］，集成度较低，随着技术的发展，计算能力、逻辑资源、存储容量和总线接口技术已较为落后；未来新型伺服控制驱动平台在系统架构高度集成的前提下，计算、逻辑、存储、接口等资源更加丰富。

c）传统产品一般是单余度控制，或通过简单的硬件复制实现冗余，不能充分地交互系统信息；新型多冗余产品，余度间各类状态信息具备共享渠道，使系统具备健康管理的能力，可实现智能化的余度控制策略。

d）传统产品均为单核处理器，主要实现机电闭环的单一功能，难以兼顾多总线、多任务处理的需求；新型产品具备多核处理能力，兼顾多任务处理和实时控制系统需求。

本文依据三冗余EHA 伺服系统任务需求和伺服控制驱动技术集成一体化、信息共享化、余度智能化和多种总线接口的发展趋势，研制并实现了基于全可编程片上系统（All Programmable System on Chip，APSoC）以及双核技术的智能化伺服控制驱动平台。

1 系统需求分析

三冗余EHA伺服系统组成如图1所示。伺服控制驱动器能够实现数据收发、数字闭环控制、电机驱动控制和为伺服机构各传感器供电等功能。伺服机构通过电机控制定量泵的转向和转速实现输出流量的方向和大小可调，同时控制作动器内部集成位移传感器，实现反馈闭环控制。

图1 三余度伺服控制驱动器功能Fig.1 Functional block of three redundancy servo control driver

伺服控制驱动器通过3 路独立的422 总线和以太网与控制系统进行指令接收和遥测数据返回，同时采集位移信号、旋变信号及相电流信号等，实现位置、速度、电流的三闭环计算，输出占空比变化的PWM信号，控制功率电路输出电机三相电流，实现伺服电机的高动态、高精度控制；采集电机泵两腔压力、作动器两腔压力、油箱压力和各处温度号等，为健康管理功能提供基础数据库平台，实现工作状态监测、故障诊断和余度控制功能。

伺服控制驱动器采用三余度设计，包含3个子模块，分别控制三余度伺服电机泵的一个伺服电机。3个子模块通过内部数据共享总线交互状态信息，对总线指令进行表决，每个子模块同时对3个子模块的反馈状态进行监测，经综合表决后输出控制信号，实现智能冗余。

2 产品设计

系统需求明确后进行产品的详细设计，由于三冗余伺服控制驱动器的3个子模块硬件相同，所以首先说明子模块功能组成，其次对比传统平台详细介绍运行在子模块中高度集成的系统架构设计，再对系统架构的组成单元——ⅠP核设计进行说明，最后介绍3个子模块互连的信息共享方式、健康管理网络和系统冗余策略，实现按实时性分级处理的多任务系统。

2.1 子模块设计

子模块的功能组成如图2所示。每个子模块包含电源变换电路、APSoC 核心处理电路、总线通信电路、A/D 转换电路、R/D 转换电路、信号调理电路、传感器接口电路、过流保护电路、功率驱动电路、吸收电路、相电流采集电路和电磁阀接口电路等。

2.2 控制架构设计

在目前机电伺服系统的应用中，控制驱动器的核心架构多采用DSP+FPGA+总线控制器架构，DSP 用于闭环及磁场导向控制（Field Oriented Control，FOC）算法实现，FPGA用于逻辑译码、PWM扩展和死区控制，一般只采用1种总线通信方式。

本文所述产品的控制核心采用APSoC 元件单芯片方案，内部包含处理系统（Processing System，PS）和可编程逻辑（Programmable Logic，PL）两部分：PS 由两个Cortex-A9 的ARM 硬核core0 和core1 组成，包括应用处理单元、高速缓存、RAM、存储器接口和各类外设资源；PL 由可编程逻辑块、块RAM、DSP、可编程ⅠO、串行收发器和模数转换器组成。PS与PL 之间通过AXⅠ总线实现高速互联［4］，PS 主频超过667 MHz，远高于目前使用的DSP 主频120 MHz，使用DDR3 存储器运行程序和工作过程中的各类数据，大容量存储器为测试细节高度还原提供平台，采用nor flash存储程序文件用于上电启动加载。

控制架构如图3 所示，为多总线应用方案，422总线接收控制指令、返回关键参数的遥测信息，以太网返回伺服系统的全部状态量信息，3 个子模块之间通过二级总线实现数据信息共享，实现健康管理和余度表决判断功能。

图3 控制架构Fig.3 Block of control architecture

系统处理的任务比较多，特别是以太网需要定时传输大量数据信息，如果按照传统的单核设计模式放在PWM 控制周期内执行，会造成中断溢出或超时处理，如果将数据分多组分时传输则会影响软件可靠性和移植效率，所以采用多核控制技术，在core0 中处理伺服系统三闭环和与控制系统的总线传输，在不影响PWM 控制周期余量的前提下分配实时性要求较高的二级总线、健康管理和冗余表决等任务，在core1中处理实时性要求不高但数据量特别大的以太网传输任务，双核之间通过共享内存进行数据交互。外围器件的时序和逻辑控制均由PL 端并行执行，发挥硬件加速优势。

2.3 ⅠP核硬件加速设计

基于嵌入式软件的闭环设计，在一个PWM 周期内，顺序执行位置采集、角度采集、电流采集、算法、PWM 占空比输出。随着控制电机数量的增加，顺序执行环节所消耗的时间也成倍增加。随着PWM控制频率的提高，嵌入式软件中断执行时间的余量越来越小，最终将会溢出，导致任务不能全部完成。

ⅠP核是并行控制架构的组成单元，采用硬件并行加速技术，将A/D转换器控制、R/D转换器控制、位置传感器解码、空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）计算、PWM 输出等功能封装为硬件ⅠP核，所有的控制环节可以同时启动，多电机的计算环节也可以同时进行，多对象控制基本不增加处理时间，仅增加需要读取寄存器数据的时间，发挥硬件加速能力，最大程度地实现并行控制。

ⅠP核设计封装如图4所示。以旋变解码控制ⅠP核和电流环算法ⅠP核设计为例，ⅠP核控制接口用于启动状态机转换和输出工作状态，数据接口用于PS 通过AXⅠ总线寻址读取转换数据。算法类ⅠP核采用高层次综合工具开发，采用硬件的思想、软件的手段，高效开发硬件平台算法［5］。

图4 ⅠP核设计封装Fig.4 ⅠP core package

2.4 健康管理与冗余方案设计

在航天领域，在满足小型化的基础之上，开展多余度健康诊断型大功率电传伺服系统是一项重要的课题［6］。

健康管理是未来伺服系统特别是余度控制系统向智能化方向发展不可缺少的环节。目前的伺服系统中，一般会将较为关键的状态信息通过遥测总线上传到测控系统中，由人工对数据或曲线进行判断，这些状态信息一般不参与闭环控制，或是对某一关键的单点环节进行智能判断和补偿［7］。本文设计的系统（如图5 所示）由电源电压、母线电压、电源模块温度、驱动模块温度、油温、过流保护、油箱压力等组成了健康监测网络。同时由二级总线共享的其他2个子模块的信息构成了子模块1的信息库，为健康管理提供依据。健康管理任务将输出管理意见，余度策略任务汇总本模块产生的意见和模块2、模块3 输入的意见逻辑，通过综合分析判断逻辑和多数表决电路，控制启控阀与隔离阀的通断，同时向模块2、模块3 输出模块1 对其他2 个子模块的管理意见，实现对故障模块的切除，最终达到系统余度控制的目的。

图5 健康管理与余度控制方案Fig.5 Strategy of health management and redundancy control

冗余策略基于对信息的共享，如图6 所示。3 个子模块之间通过二级总线互通信息，APSoC总线资源丰富，可采取PS部分的CAN总线，优点是总线传输机制不需要通过编写协议控制，缺点是速率较慢，适用于信息量少或更新频率低的方案。也可以采用PL部分的高速GTX 收发器，采取分布式环形拓扑通信协议［8］的方案，以满足高频率大数据量信息交互需求。

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

2.5 多任务分级处理

伺服系统是典型的强实时性控制系统，特别是机电伺服系统中，电流环控制周期不超过100 μs，对过流保护功能的要求甚至是无延时立即执行，但是在多任务系统中，并不是所有任务的实时性都很高。以10 kHz 控制频率为例，多任务处理实时控制系统，按照任务响应的实时性需求划分为级别如表1所示。

a）1级任务为过流保护，防止功率器件因过流烧坏，要求无软件延迟立即执行，只能在PL 端以硬件逻辑形式实现，检测到过流信号时立即关断PWM 模块ⅠP输出，并向PS输出状态监测信号；

b）2级任务围绕电流闭环开展，由PL端的PWM模块ⅠP 定时触发PS 端的外部中断和PL 端A/D 转换ⅠP、R/D 转换ⅠP、SSⅠ解码ⅠP 的启动信号，PS 端在中断函数中解析422总线角度指令，读取U、V相电流、角度信息，执行电流环计算，计算结果输出控制PWM模块ⅠP的占空比；

c）3 级任务为PS 读取位置和速度信息，执行速度环和位置环计算，同时通过二级总线共享指令、位置等速变量，用于位置和指令多数表决；

d）4 级任务为PS 端向422 总线返回速变遥测量信息；

e）5 级任务是PS 端通过二级总线共享各子模块的电压、温度、压力等缓变量信息，并进行健康管理和余度策略，由PL端进行余度逻辑综合；

f）6级任务由core0更新共享内存，由core1将共享内存中的信息通过以太网返回测量系统，包括3个子模块的采集和状态信息。

3 样机研制与试验验证

3.1 样机研制

三冗余伺服控制驱动器样机由壳体、连接器、电源板组件、控制板组件和驱动板组件组成，实物及结构设计如图7所示，样机顶层为控制板，自左向右布置3套独立的控制电路模块，每个电路模块占12 cm×6 cm板面，方便实现与伺服机构体成一体化和多余度模块化互连设计。

图7 控制驱动器样机实物与三维图Fig.7 Prototype of the control driver

3.2 系统验证

样机实物中，子模块之间通过双冗余CAN 总线互联，共享指令、线位移等信息，通过算法表决后进行位置、速度和电流三闭环计算。与三冗余EHA 伺服机构进行系统联调验证，性能指标满足要求，位移反馈顺滑无抖动，电机泵安静无异响。图8中系统测试曲线表明，3 套独立控制的电机泵转速曲线和力矩曲线重合，余度间同步性良好，3个电机泵出力均匀，相互之间无力干扰；经电机泵独立测试，空载转速可达10 000 r/min，带载3 000 r/min，可提供13 MPa 的压力。

图8 三余度转速和力矩波形Fig.8 Speed and torque waveform of three motors

3.3 测量信息全还原

传统的控制驱动器，一般只采用1553 B 或CAN通信总线，最高速率不超过4 Mbit/s［9］，测试设备总线数据频率在200～1 000 Hz，而控制驱动器电流环周期超过10 kHz，导致测试数据波形失真，同时由于总线带宽有限，许多状态信息和计算环节的重要信息难以输出，系统难以进行更深入的性能分析工作。

样机采用大容量高速存储器和百兆以太网技术，将每一帧电流环数据遥测输出，通过绘图与控制总线输出数据结果比对，可以清晰地还原伺服系统和电机工作过程中的细节信息，波形细节对比如图9 所示。图9a 为测试设备通过422 总线每5 ms 一帧接收的U、V相电流测量数据波形，可以清晰地看出台阶等波形失真情况。图9b 为以太网0.1 ms 一帧的测量数据曲线，可以看出U、V 相电流波形光滑连续，完全还原了测量细节信息。图9c展示了电机工作过程中，控制板输出三相PWM信号占空比的包络变化趋势。图9d则是展开后显示出3条曲线的相位关系，完全满足设计和仿真情况，测量细节全还原技术为系统性能调节和故障定位等工作带来了高效与便捷。

图9 波形细节对比Fig.9 Waveform detail comparison

4 结束语

本文针对箭上三冗余EHA 伺服系统应用需求，结合伺服控制驱动技术高集成、模块化、智能化的发展趋势，基于全可编程片上系统，在单芯片中实现伺服系统控制架构，采用双核技术和ⅠP核集成技术充分发挥硬件加速能力，建立了基于二级总线信息共享的健康管理网络，为多余度智能伺服控制搭建了平台。经过与三冗余伺服机构联调验证，满足高速机电系统同步性和实时性需求，满足多总线多任务的复杂处理需求，并通过以太网传输还原了全部测量细节信息。本文所研制的平台适用未来运载火箭多余度EHA 伺服系统控制，同时也可以推广应用于单余度机电集成一体化智能伺服机构、多轴同步控制伺服系统和多总线伺服系统等场景。