摘  要：伺服控制片上系统研究的关键问题包括基础算法和控制策略的硬件逻辑模型、位置与速度测量系统的硬件逻辑模型、各种控制接口和协议的硬件逻辑模型、嵌入式微处理器以及系统级集成技术等问题。本文对这些问题进行详细阐述。

　　关键词：伺服控制      片上系统     集成化     基础算法

　　1引言

　　纵观有关文献，国内外关于伺服控制片上系统的研究成果和发表的论文相对较少，绝大部分都集中在一些基本部件的开发上，很少从系统级出发来考虑问题。尤其是军事用途的伺服控制片上系统，这方面的资料基本上是空白的。我国现有的军用伺服装备大部分是模拟电路实现的，体积庞大，性能不高，已经不适应军队数字化作战的发展趋势。军事用途的伺服控制系统要求可靠性高、体积小、抗干扰能力强、具有自主知识产权及可定制等，不可能完全依靠外国的技术，必须自己来进行研究。片上系统技术是解决军用伺服系统特殊要求的一种比较完美的方案，但片上系统的设计思想不同于DSP或单片机，片上系统主要是由逻辑电路实现的，从最底层的加法器、乘法器一直到高级伺服控制算法的实现，都要根据系统需求专门进行设计，因此需要解决的问题不仅仅是伺服控制本身的算法。伺服控制片上系统研究的关键问题包括基础算法和控制策略的硬件逻辑模型、位置与速度测量系统的硬件逻辑模型、各种控制接口和协议的硬件逻辑模型、嵌入式微处理器以及系统级集成技术等，如果这些问题解决了，伺服控制片上系统的设计就可以迎刃而解。另外考虑到卫星姿态控制飞轮系统和巡航导弹舵机系统是军事领域中比较典型的两种伺服控制类型，因此系统级集成就以飞轮的力矩伺服控制芯片及其可重构性、舵机多轴伺服控制片上系统为研究目标，但这些方法同样适用于其它军用伺服系统的设计。

　　2伺服系统集成化芯片设计的基础算法

　　在数字化伺服控制器的系统级芯片设计中，首先要解决的关键技术是如何用硬件逻辑来实现乘法、除法、矢量旋转变换、空间矢量脉宽调制、数字控制等基础算法，然后才能进行更复杂的功能单元设计或系统级集成。

　　2.1乘法和除法运算

　　乘法运算主要有串行移位算法、阵列式算法、Booth算法、Wallace树算法等几种技术[108]，其中最简单的就是串行移位算法了，它仅依靠移位和加减运算来实现各种乘法运算，消耗的硬件资源少，但缺点是速度比较慢，而后三种算法的优点是并行性高、运算速度快，缺点是算法复杂、逻辑资源消耗大。从运动控制片上系统的设计来看，主要考虑的还是逻辑电路的资源，而不是运算速度，这是因为运动控制系统不属于高速设备，其采样频率一般不会超过40kHz，因此串行移位算法应该是一种最合适的选择。其它三种算法主要用于通信或图像处理等高速数字信号处理系统。

　　对于除法运算也有类似的情况，但设计通用的除法器是非常困难的，只能根据具体需求来研究专用的除法器。常用的除法实现算法包括恢复或不恢复迭代算法、SRT算法、Newton-Raphson算法等[108]，从芯片资源来考虑，也是选择速度相对较慢但硬件消耗少的恢复迭代算法。

　　现有的乘法或除法算法尚不能直接用于运动控制设计，因为存在数据格式和接口的差异，所以需要对这些现有的技术进行改进，转变成运动控制所需要的形式。目前还没有见到关于运动控制芯片设计的乘法和除法算法实现的详细介绍，文献[74,89]中介绍的乘法、除法运算只是针对常数，首先将常数转化成2的整数次幂的形式，再利用移位运算处理，显然不具有普适性。

　　2.2坐标旋转变换

　　在交流电机的矢量控制中，坐标旋转变换是最复杂也是最重要的运算之一，其变换方程为：

　　(1)

　　由式(1)可知，完成一次坐标旋转变换需要计算两个三角函数以及四次乘法和两次加减运算。对于三角函数的计算，目前数字伺服系统设计的一般解决方案是利用DSP的高速处理能力计算三角函数的泰勒展开式或查ROM表[89]。

　　正弦函数的泰勒展开式为：

　　(2)

　　从式(2)中可以看出，要求的精度越高，则运算量越大。因此，采用泰勒展开式的方法求取坐标变换的运算量是相当惊人的。

　　对于查表法，如果要求角度分辨率为12位、数据长度为16位，则需要的数据存储量为212×16bit=64kbit，这个存储量也是非常大的，一般的片内存储器难以提供这么大的资源。

　　因此，上述两种方案都不适合于片上系统设计。

　　在数字信号处理领域中有一种称为CORDIC的理论，即COordinate Rotation DIgital Computer，最初是由J. E. Volder提出的，当时主要用于航海方位的计算，后来经过J. S. Walther、X. Hu[109]、Y. Hu[110]等人的开拓性研究，目前已经在图像处理及计算机等领域获得了广泛的应用。该算法最大的特点是仅利用移位和加减迭代运算来完成矢量旋转、三角函数、直角坐标或极坐标变换、双曲函数以及对数函数等超越函数甚至线性函数的计算，最适合于大规模集成电路实现，如VLSI[111]和FPGA[112]。

　　综上所述，将数字信号处理领域中现有的CORDIC算法经过适当的改进后引入运动控制领域，不但可以解决坐标旋转变换的难题，而且对于求解矢量的模和相角也非常合适。

　　2.3数字脉宽调制方法

　　数字脉宽调制技术包括三角载波比较、规则采样SPWM、非规则采样SPWM、SVPWM、随机PWM等多种策略[113]。在这些技术之中，由于SVPWM结构简单、工作特性好，在今天的高性能交流伺服驱动系统中被广泛采纳。与SPWM技术相比，SVPWM的线性调制范围比SPWM高出15%，而且可以实现由线性、过调制到六步模式的连续变化，在直流母线电压利用率等方面有着显著的优点[114]。SVPWM一般是和矢量控制技术结合在一起的，也非常适合于构成专用数字化硬件[74]。

　　因此，探讨如何将SVPWM理论转变成专用的逻辑电路，是伺服控制片上系统设计中一个不可缺少的环节。

　　2.4数字控制算法

　　国内外关于各种数字控制算法的研究，在前面的1、2节中已经分析的很详细了。从片上系统的观点来设计数字控制算法，首先要面对的是控制系统结构和数据格式问题，因此必须从最基本的数学模型开始，选择可靠的控制系统结构，并设计必需的控制参数，以此为基础才能研究出高效的逻辑电路。在工程实践中，目前最常使用的伺服控制算法主要是PID技术和各种滤波器，由于现代控制理论在工程应用上还不太成熟，因此为了可靠性和通用性，在片上系统的设计中一般不采用它。

　　3位置与速度测量系统

　　PMSM系统和BLDCM系统都需要转子磁极的绝对位置信号，所不同的是PMSM系统对位置的要求比BLDCM系统高得多，前者需要连续的位置信息以完成坐标变换，而后者只需要知道六个换相位置就可以了。另外在调速或位置伺服系统中，精确的速度或位置信号更是必不可少的。目前主要的位置传感器有光电编码器、旋转变压器或感应同步器[113]，附表是这三种位置传感器的特点对比。由于位置传感器输出的位置信号经过微分处理后可以得到速度反馈值，因此一般不单独设置速度传感器[115]。虽然无位置传感器是当前学术界研究的热点[116~118]，但理论发展还不完善，尤其是低速情况下存在的问题至今没有好的解决方案，尚难以用于高精度伺服系统中。

　　从附表可以看出，这三种传感器各有优缺点，但没有一种是完美的。光电编码器输出的是脉冲信号，可以直接与数字控制器接口，而且后处理电路比较简单，但遗憾的是不能用于高环境条件下。旋转变压器和感应同步器输出的是模拟信号，一般与轴角变换器(如AD2S80A等)共同构成跟踪型位置与速度测量系统，这就进一步增加了系统的成本和体积。

　　除此之外，在以脉冲方式作为位置输出的系统中，一般使用M/T测速法来获得具体的转速信息，但传统M/T法的测量时间区间依赖于速度采样周期，当检测超低转速时，为了提高分辨率就必须增大其采样周期，这就降低了系统的实时性[119]。

　　综上所述，寻找一种适合于军事用途的体积小、环境适应力强、转速范围宽、精度适中同时又易于构建数字伺服片上系统的新型位置与速度测量解决方案是很有必要的。

　　4嵌入式微处理器

　　在SoC设计中，大部分的复杂功能已经由逻辑电路按并行或串并行相结合的方式实现，但对于诸如键盘、显示器或串行通讯等慢速设备的管理，如果也完全依靠硬绕线逻辑来执行，则会消耗大量的芯片资源，甚至会影响系统的总体运行速度。一个比较好的解决方案是引入嵌入式微处理器，即在芯片中嵌入一个专用的CPU内核，利用软件来完成类似的功能。目前流行的嵌入式微处理器体系结构分为CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)两大类，前者主要以典型的8051或其扩展系列为代表，后者则包括著名的ARM、MIPS16等。由于RISC处理器具有结构规则、硬件相对简单、指令数目少、速度快、易于实现流水操作等优点，在嵌入式系统中已经得到了越来越广泛的应用[120]。虽然RISC体系供应商提供处理器IP内核给第三方，但成本太高，或受知识产权的限制，根本无法获得源代码。

　　因此，对于伺服控制SoC的设计者来说，开发具有自主知识产权的专用嵌入式微处理器体系结构是很有必要的，尤其是基于FPGA的SoC设计，必须根据特定的芯片资源来选择合适的处理器开发方案。

　　5航天飞轮伺服系统的集成化设计及其可重构性问题

　　反作用飞轮是航天空间飞行器姿态控制系统中最核心的元部件之一，在航天级别的伺服控制应用中具有代表性。早期的飞轮力矩伺服系统是由模拟电路实现的[121]，控制性能不高，同时电路板体积和重量也比较大，已经越来越不适应现代航天技术的发展需要了，逐渐会被数字技术所取代。传统的飞轮控制技术存在一些难以克服的问题，如高速制动时的力矩跳动、零动量运行等，至今没有太好的解决方案。另外航天技术最重要的是可靠性，因此对冗余结构及可重构性的研究也是非常必要的。目前国内在全数字化可重构单芯片飞轮系统的研究方面尚是空白，在国外也未发现相关的技术资料。

　　因此，确定航天反作用飞轮作为研究对象之一，应用片上系统设计思想，构建单芯片冗余可重构飞轮伺服控制器，并研究可靠、高效的外围电路，以彻底解决传统技术所无法克服的困难，对于我国航天科技的发展具有重要的意义。

　　6巡航导弹舵机多轴伺服系统的集成化设计问题

　　巡航导弹舵机是武器装备中典型的多轴伺服系统，对体积、重量、环境适应能力、控制性能等都有特殊的要求。目前我国的舵机系统主要采用直流伺服系统，并由模拟电路实现，其多轴设计方案是离散形式的，即每个轴都分配独立的伺服控制系统，使得总体性能较低、难以实现完全的同步控制，而且体积庞大、信号线众多，彼此之间容易相互影响，导致抗干扰性能下降，最终会影响到导弹的命中率，这就无法满足现代武器系统的数字化、集成化和精确化等技术要求。为了解决这些问题，就必须研究高性能、高集成度的多轴伺服系统，最佳的方案是仅采用一套伺服系统来实现多轴的完全同步控制，以便节省大量的硬件资源，降低生产成本、减小体积，并大幅度提高其控制特性和可靠性。要达到这个目的，可以采用先进的片上系统设计思想，即由一个高度集成的数字控制芯片同步实现对所有轴的伺服控制算法。

　　设计系统级多轴伺服控制集成芯片需要解决的关键技术有伺服系统数学模型分析及控制参数设计、各种控制算法的IP核开发、控制时序的规划以及单片系统的集成等。目前关于多轴伺服控制的片上系统研究在国内外均是空白，如果这些研究成果能够得以实用化，就会促进我国各型导弹的更新换代，从而加快实现数字化作战和精确打击的战略目标。

　　7结束语

　　本文就伺服控制片上系统研究的关键问题：基础算法和控制策略的硬件逻辑模型、位置与速度测量系统的硬件逻辑模型、各种控制接口和协议的硬件逻辑模型、嵌入式微处理器以及系统级集成技术等问题进行了阐述，如果这些问题解决了，伺服控制片上系统的设计就可以迎刃而解。

　　作者简介

　　周兆勇（1975-）男 博士，现任职于深圳航天科技创新研究院，主要研究方向为电机驱动控制。

　　参考文献

　　[1]周兆勇，李铁才，高桥敏男，等.基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的FPGA实现[J].中国电机工程学报，2004，24(5): 168-173 (EI).

　　[2]Zhaoyong Zhou, Tiecai Li, Toshio Takahashi, Eddy Ho. FPGA Realization of a High-Performance Servo Controller for PMSM. Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition, APEC'04, Anaheim, USA, 2004: 1604~1609 (EI).

　　[3]Zhaoyong Zhou, Tiecai Li, Toshio Takahashi, Eddy Ho. Design of a Universal Space Vector PWM Controller Based on FPGA. Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition, APEC'04, Anaheim, USA, 2004: 1698~1702 (EI).

　　[4]Zhaoyong Zhou, Guijie Yang, Tiecai Li. Design and Implementation of an FPGA-Based 3-Phase Sinusoidal PWM VVVF Controller. Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition, APEC'04, Anaheim, USA, 2004: 1703-1708 (EI).

　　[5]Zhaoyong Zhou, Zheng Xu, Tiecai Li. FPGA Implementation of a New Hybrid Rotor Position Estimation Scheme Based on Three Symmetrical Locked Hall Effect Position Sensors. The 4th International Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC'04, Xi'an, China, 2004: 1592~1596 (EI).

　　[6]周兆勇，徐征，李铁才，等.基于两相开关霍尔传感器的混合型转子位置预估方案的FPGA实现[J].电工技术学报，2004，19(1): 61-64 (EI page one).