導(dǎo)引頭伺服控制器國產(chǎn)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證*

吳建剛 高玉文 劉璐雅 馬俊安

（四川航天燎原科技有限公司科研事業(yè)部 成都 610100）

1 引言

我國航天型號關(guān)鍵元器件自主保障的形勢已十分嚴(yán)峻。我國航天的飛速發(fā)展使得關(guān)鍵元器件依賴進(jìn)口與國外對元器件嚴(yán)格控制之間的矛盾更為突出［1］。隨著國際環(huán)境的緊張，歐美等國對我國實(shí)施關(guān)鍵元器件的禁運(yùn)，嚴(yán)重影響了航天工程的進(jìn)度，并在戰(zhàn)時可能成為制約我軍戰(zhàn)斗力的決定性因素［2］。電子元器件是武器裝備研制、生產(chǎn)和使用的戰(zhàn)略物質(zhì)基礎(chǔ)，因此電子元器件國產(chǎn)化意義重大［3］。

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)武器的核心，負(fù)責(zé)跟蹤目標(biāo)并輸出制導(dǎo)信號，并控制導(dǎo)彈命中目標(biāo)，是制導(dǎo)控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的分系統(tǒng)［4］。其中，伺服系統(tǒng)是導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)捕獲、跟蹤的重要分機(jī)，是實(shí)現(xiàn)彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭國產(chǎn)化和低成本化的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)［5～7］設(shè)計(jì)的DSP+FPGA架構(gòu)的伺服控制器，但架構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，電源種類多，國產(chǎn)化替代難度大成本高。文獻(xiàn)［8～9］設(shè)計(jì)了單DSP小型化控制器，但僅限于一維伺服系統(tǒng)，無法擴(kuò)展到導(dǎo)引頭二維伺服系統(tǒng)且所選器件均為進(jìn)口器件。

目前，尚未有公開文獻(xiàn)介紹用于導(dǎo)引頭的集成化全國產(chǎn)伺服控制驅(qū)動器（以下簡稱“控制驅(qū)動器”）的設(shè)計(jì)方案，所以，本文主要介紹用于導(dǎo)引頭全國產(chǎn)伺服控制器的集成化設(shè)計(jì)方案并闡述了子系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證的必要性及驗(yàn)證情況。

2 全國產(chǎn)集成化伺服控制器控制架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動器的小型化、全國產(chǎn)和低成本，采用基于SCI外設(shè)擴(kuò)展的單DSP控制架構(gòu)。新架構(gòu)下，集成化控制驅(qū)動器組成框圖如圖1，主要包括供電模塊、DSP模塊、光耦隔離模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊。該控制架構(gòu)充分利用了DSP豐富的中斷資源和外設(shè)SCI串口資源，與上位機(jī)、角度傳感器和角速度傳感器之間均采用RS422差分串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，精簡了FPGA及外圍配置電路。

圖1 全國產(chǎn)控制驅(qū)動器組成框圖

工作原理為控制驅(qū)動器接收到上位機(jī)下發(fā)的指令后，進(jìn)入相應(yīng)的控制流程，經(jīng)過DSP運(yùn)算后輸出控制信號到電機(jī)驅(qū)動模塊，經(jīng)放大后驅(qū)動電機(jī)帶動負(fù)載按要求轉(zhuǎn)動，角度和角速度傳感器分別實(shí)時反饋角度和角速度信號到DSP，參與系統(tǒng)閉環(huán)控制。

3 控制驅(qū)動器國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

由于電阻、電容、電感以及接口芯片等國產(chǎn)器件均已成熟，所以，本文主要介紹控制驅(qū)動器的供電模塊、DSP模塊、光耦隔離模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊的核心器件的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。

3.1 供電模塊

28V單電源輸入后分兩路傳輸，一路經(jīng)濾波后直接為電機(jī)驅(qū)動芯片供電，一路經(jīng)DC-DC模塊隔離降壓后傳輸至后級低壓電源轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換后為DSP、晶振、接口芯片等負(fù)載供電。電源轉(zhuǎn)換芯片選用國產(chǎn)JCER4644B，可同時支持4路電壓輸出，該芯片主要參數(shù)見表1，電路圖如圖2。

圖2 電源轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)用電路

表1 JCER4644B主要參數(shù)表

3.2 DSP模塊

DSP選用國產(chǎn)LSC335，該器件是32位浮點(diǎn)控制處理器，芯片主要參數(shù)見表2，用到的主要功能包括PWM、SCI、ADC和中斷資源，對外連接包括光耦模塊、上位機(jī)、方位角度傳感器、俯仰角度傳感器、速度傳感器和電流采樣模塊等，原理框圖如圖3。為了實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動器的小型化和低成本，采用了基于SCI外設(shè)擴(kuò)展的單DSP控制架構(gòu)［10］，精簡了FPGA及外圍電路。

圖3 DSP應(yīng)用電路原理框圖

表2 LSC335參數(shù)表

3.3 光耦模塊

光耦模塊主要用于將低電壓控制信號與高電壓強(qiáng)電流信號從電氣上隔離，光耦選用國產(chǎn)GH0631J，主要參數(shù)見表3，電路圖如圖4。

表3 GH0631J主要參數(shù)表

圖4 光耦隔離電路

3.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊以電機(jī)驅(qū)動芯片F(xiàn)X8841為主體開展設(shè)計(jì)。FX8841是新一代電機(jī)邏輯驅(qū)動芯片，效率高達(dá)97%，內(nèi)部包括MOS管構(gòu)成的H橋及其邏輯控制電路，輸入信號兼容TTL和CMOS，內(nèi)嵌過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，可驅(qū)動兩個直流電機(jī)，主要參數(shù)見表4。由于該芯片具有效率高、封裝小和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，使其在小型化導(dǎo)引頭伺服控制領(lǐng)域更具應(yīng)用優(yōu)勢，非常適合小型化導(dǎo)引頭二維控制驅(qū)動器應(yīng)用，應(yīng)用電路如圖5。

表4 FX8841主要參數(shù)表

圖5 電機(jī)驅(qū)動模塊電路

4 應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 子系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證的必要性

應(yīng)用驗(yàn)證是對元器件在型號工程應(yīng)用前開展的一系列的試驗(yàn)、評估和綜合評價(jià)等工作［11］。元器件采用分級驗(yàn)證已達(dá)成共識［12～14］，即器件級、組件級（子系統(tǒng)級）、系統(tǒng)級。隨著國家在芯片國產(chǎn)化研制方面政策扶持力度的加大，國內(nèi)涌現(xiàn)出了一大批芯片研制廠商，芯片的國產(chǎn)化研制已從最初的部分高端卡脖子芯片向全產(chǎn)業(yè)鏈延生，使得近兩年國產(chǎn)化芯片產(chǎn)出種類和數(shù)量成倍增長。而專業(yè)的第三方鑒定單位極少，驗(yàn)證訂單早已飽和，為了提高芯片應(yīng)用進(jìn)程，部分芯片研制單位在開展新研器件應(yīng)用驗(yàn)證工作時，僅完成要求的例行試驗(yàn)，未對新研器件開展典型覆蓋性應(yīng)用驗(yàn)證，導(dǎo)致器件在型號應(yīng)用過程中陸續(xù)暴露各種缺陷。所以，本文提出，在采取分層級驗(yàn)證的框架下，在器件級驗(yàn)證中后期，組件級或子系統(tǒng)級的應(yīng)用驗(yàn)證應(yīng)提前介入，協(xié)同開展國產(chǎn)化器件的驗(yàn)證工作。一方面可以覆蓋芯片實(shí)際的使用環(huán)境，另一方面可以加快國產(chǎn)化元器件的應(yīng)用進(jìn)程。

4.2 子系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證情況

以上提供的全國產(chǎn)集成控制驅(qū)動器在子系統(tǒng)級已進(jìn)行了三輪驗(yàn)證測試，包括子系統(tǒng)級環(huán)境試驗(yàn)。驗(yàn)證過程發(fā)現(xiàn)并反饋DSP廠家包括低溫偶發(fā)引導(dǎo)不起、不同軟件版本和不同仿真器的燒寫問題以及低溫串口波特率設(shè)計(jì)缺陷等問題。廠家針對反饋的問題及時優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)雙方的協(xié)作驗(yàn)證，經(jīng)一年多時間，芯片已趨于穩(wěn)定。其它國產(chǎn)器在驗(yàn)證過程中尚未出現(xiàn)問題。

驗(yàn)證過程中搭建的測試系統(tǒng)示意圖如圖6所示，包括上位機(jī)、集成控制驅(qū)動器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是成熟測試工裝，上位機(jī)為我所成熟軟件，具有數(shù)據(jù)存儲功能，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出用于分析。

圖6 測試系統(tǒng)示意圖

按要求完成了多組溫循試驗(yàn)（高溫+60℃，低溫-40℃），試驗(yàn)過程按要求進(jìn)行測試，高低溫環(huán)境下，各流程正常工作，數(shù)據(jù)平滑連續(xù)無畸點(diǎn)。高低溫部分?jǐn)?shù)據(jù)截圖如圖7～8所示。測試數(shù)據(jù)表明，該控制驅(qū)動器工作穩(wěn)定可靠，適用于導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)工作環(huán)境。

圖7 高溫裝訂流程數(shù)據(jù)曲線

圖8 低溫裝訂流程數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)開發(fā)了一款用于導(dǎo)引頭的全國產(chǎn)化控制驅(qū)動器，介紹了全國產(chǎn)化導(dǎo)引頭控制驅(qū)動器的控制架構(gòu)，核心元器件的國產(chǎn)化替代選型以及硬件電路設(shè)計(jì)。闡述了子系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證的必要性，通過子系統(tǒng)級和元器件級的協(xié)同驗(yàn)證，提高了元器件的試驗(yàn)覆蓋性，加快了國產(chǎn)元器件的工程化應(yīng)用進(jìn)程，對后續(xù)型號導(dǎo)引頭產(chǎn)品全國產(chǎn)化控制驅(qū)動器的研制應(yīng)用提供了有效的技術(shù)途徑。