小型化遙感相機制冷控制器的驅動優化方案

汪瑜 郝中洋 劉成

小型化遙感相機制冷控制器的驅動優化方案

汪瑜 郝中洋 劉成

（北京空間機電研究所，北京 100094）

衛星質量決定發射成本，衛星質量越大發射成本越高，同時結合低制造成本需求，小型化遙感產品的研制變得越來越迫切。作為遙感相機的組成部分，制冷控制器也同樣面臨著減重降本的小型化壓力。文章從制冷控制器驅動電路著手，設計兩線制正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）驅動優化方案，硬件上相較于傳統的四線制驅動，采用SPWM信號復用方法，將四套信號處理電路縮減至兩套，節約了一半的電路設計，起到了減重降本作用；軟件上在四線制SPWM波形輸出的基礎上做設計優化，輸出同等驅動分辨率的兩線制SPWM信號，即滿足硬件電路設計需求，又保證了制冷控制器的控溫精度。該方案通過原理分析、仿真驗證、實物測試、效果對比，結果表明該方案在保證控溫性能不變的同時，優化設計、減重降本，是一種可行的小型化設計方法。

制冷控制器 小型化 低成本 驅動電路 軟硬件優化 遙感相機

0 引言

過去幾十年內，大容量、多功能、長壽命、高性能的大型衛星一直是航天領域的主流產品，然而大型衛星無法避免設計成本高、質量體積大、發射費用貴等問題。體積小、質量小、高性能的衛星，既可以降低設計制造成本，又可以利用輕型火箭或是一箭多星發射以降低發射成本。因此性能高效、減重降本、方便靈活的小型化遙感衛星成為了研究熱點[1-3]。

近幾年，國外不斷發展高性價比衛星，從結構輕量化、電路集成化、模塊通用化等方面著手發展小型化低成本衛星。美國光譜航天公司創新制造的100 kg級小型衛星，在軌運行高效；英國薩瑞大學開發的50 kg級微小衛星通用化平臺已在世界范圍內廣泛應用；日本宇宙開發事業團正在利用電子設備高度集成組件技術制造50 kg級立方體衛星。

國內航天領域針對小型化、輕型化衛星也在積極進行技術轉型，從電源升級、結構與熱控分系統簡化、電路集成與產品化等多個方面為衛星“減肥”，同時保證在軌功能性能優異。未來，設備芯片化也將是小型化衛星熱點研究方向。

目前，衛星內部單機仍存在設計粗獷、電路冗余度高的問題，電路簡化是小型化設計的最快速途徑。本文從遙感相機制冷控制器驅動電路優化入手，設計低質量、低成本、“含金量”不減的小型化控制器。基于高軌磁隔離的驅動設計方案與制冷軟件通用化設計等研究[4-6]，設計了驅動信號復用新思路以實現驅動電路簡化[7]，同時軟件優化形成兩線制驅動信號輸出，在保證制冷控制器高精度控溫性能不變的前提下，實現了遙感相機控制器減重降本的創新目標。

1 制冷控制器驅動優化方案

制冷控制的驅動優化從兩方面入手，硬件簡化與軟件配合優化。當前制冷控制器大多采用四線制驅動方案，涉及到四路正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）信號，每條信號對應一套信號處理電路，總共需要四套相同的處理電路[8]，該方案的優勢在于功耗小，適合于驅動大功率制冷機，但存在電路冗余度高的問題。基于產品減重降本的需要以及小功率制冷機的使用率驟升，硬件簡化設計實現SPWM信號復用，形成兩線制驅動方案，該方案實現信號處理電路減半，缺點是功耗相對較大，但能夠完全滿足小功率制冷機需求。配合硬件電路簡化，軟件在四線制基礎上做配合優化，保證驅動分辨率不變，最終控溫精度沒有損失。

1.1 硬件電路簡化方案

制冷控制器驅動制冷機負載是基于H橋電路[9]。H橋是一個比較簡單的電路，它包含四個獨立控制的同種類開關元器件，如金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS-FET），通常用于驅動電流較大的負載[10-11]，目前大部分制冷驅動輸出采用四線制H橋驅動方法[12]，如圖1所示。

圖1中的兩組MOSFET（MOS1，MOS4）和（MOS2，MOS3）以正弦調制波正負半軸為界限完成輪流導通，在調制波正半軸實現MOS1、MOS4導通的電流正向驅動以及MOS2、MOS4導通的電荷泄放；在調制波負半軸實現MOS2、MOS3導通的電流逆向驅動以及MOS2、MOS4導通的電荷泄放。以此方式實現電機電流方向的逆變，實現對制冷機的交流控制[13]。

圖1 四線制H橋驅動方式

對于制冷控制器來說，從控制板主控芯片輸出的SPWM信號到驅動板控制MOS管的開關，驅動電路做了一系列的信號處理。首先為適應高軌道需求，對制冷機的驅動信號做磁隔離處理[14]，滿足抗輻射需求，所以控制板輸出四路驅動信號的窄脈沖形式[15-16]，經過磁隔離電路輸入到驅動板，驅動板上的窄脈沖恢復電路完成脈沖信號到電平信號的轉變，然后經過SPWM信號邏輯保護電路以避免SPWM信號異常時出現功率H橋單側橋臂直通的現象。最后恢復后的經邏輯保護的SPWM驅動信號輸出到H橋，完成對制冷機的驅動[17]。

從硬件上來說，四線制H橋驅動需要四套相同的處理電路（磁隔離電路、窄脈沖恢復電路、SPWM信號邏輯保護電路），設計冗余。以信號復用為切入點優化設計，提出兩線制H橋驅動電路，那么就只需要兩套相同的處理電路，降低了制作成本，也給布局布線、制板、單機質量減輕了壓力。H橋輸入的信號發生了變化，由四線制的四路SPWM信號優化到兩路信號復用，如圖2所示。

圖2 四線制與兩線制SPWM信號處理

圖2（b）顯示兩線制驅動的SPWM信號復用，完成了信號處理電路套數減半，實現了硬件電路的簡化設計。

1.2 軟件驅動信號改進方案

為配合硬件驅動電路的簡化設計，軟件需做相應改進，將輸出四路驅動信號優化為兩路信號，促成方案可行。

數字化制冷SPWM驅動信號的生成由載波生成器、調制波生成器、比較器、窄脈沖生成（磁隔離電路專用）完成，通過比較器得出SPWM波形，比較公式如表1、2所示。四線制驅動輸出四路SPWM信號，驅動H橋中制冷機負載。兩線制SPWM驅動的設計，只需要輸出兩路SPWM信號并在H橋中復用，就可以完成制冷機負載的電流逆變驅動。

表1 四線制SPWM信號生成

Tab.1 Four-wire SPWM signal generation formula table

表2 兩線制SPWM信號生成

Tab.2 Two-wire SPWM signal generation formula table

由于制冷控制器的整體控溫性能要求，輸出電壓的分辨率必須保持不變，這是軟件優化的首要問題[20-21]。為保證輸出電壓分辨率保持不變，本文設計犧牲載波頻率保證驅動分辨率的實現方案[22]。相較于四線制驅動，兩線制驅動將載波幅值增加至原來的兩倍，那么頻率即降低至原來的一半，同時正弦調制波頻率保持不變，調制波全周期增加一個原載波幅值，最大幅值可至原載波幅值的兩倍，這樣保證了單機對于輸出電壓分辨率不變的實際要求。

主控芯片生成四線制驅動信號，電機驅動功率大小由SPWM的占空比決定[18-19]，當占空比為零時，電機驅動功率為零。兩線制驅動則不同，電機驅動功率大小仍是由SPWM的占空比決定，當占空比為50%時，電機驅動功率才為零。兩種制式驅動波形的生成如圖3所示。

配合硬件簡化方案，兩線制驅動設計SPWM信號復用，即輸出兩路信號即可。圖3顯示，以20 MHz的主時鐘頻率為例，四線制驅動載波頻率為40 kHz，在確保負載適用的前提下兩線制驅動載波頻率犧牲到了20 kHz，保證了兩種制式的電壓驅動分辨率沒有發生變化，制冷控制器的控溫精度不會下降。

圖3 四線制與兩線波形生成對比圖

2 優化設計實現與實際效果

2.1 驅動電路硬件優化設計

驅動電路板工作在+12 V電源下，實際工作電流小于30 mA，功能包括制冷壓縮機負載和驅動電路主備交叉的切換控制、制冷機驅動電壓和驅動電流檢測、接收SPWM控制信號驅動H橋，輸出標準的正弦波功率驅動信號。本文兩線制驅動優化的部分是接收SPWM控制信號驅動H橋，輸出標準的正弦波功率驅動信號兩個功能模塊，該部分的電路設計如圖4所示。

圖4 SPWM信號處理

圖4顯示，兩個需優化的功能模塊包括三部分電路，分別是SPWM控制信號接口電路、SPWM信號恢復與邏輯保護電路。

SPWM磁隔離部分電路（接口電路）[23]是為了適應高軌運行的航天器，功率驅動電路需采取隔離措施接收控制板傳來的SPWM信號。選用M-MB2A/K型窄脈沖變壓器實現信號的隔離傳輸。

SPWM信號恢復電路為配合磁隔離驅動的窄脈沖設計和H橋驅動的要求，需設計SPWM信號恢復電路，采用CD40106芯片和復位置位（Reset-Set，RS）觸發器將兩組窄脈沖恢復成輸出給H橋的SPWM電平信號。

SPWM信號邏輯保護電路為了避免SPWM信號異常時出現H橋單側橋臂直通的風險，橋臂控制信號SPWM1和SPWM2在接入H橋驅動前，還采取了保護邏輯設計措施，該邏輯采用CD4081芯片，可以使得SPWM1和SPWM2信號不會同時為高，從硬件上徹底規避H橋單側橋臂直通燒毀的風險。

也就是說，四線制的SPWM驅動需要四套以上電路的組合，而兩線制的只需要兩套，做了減半優化，起到了降低設計、制作成本和控制器減重的效果。

2.2 驅動信號軟件優化設計

主控芯片采用反熔絲FPGA器件A54SX72A-1CQ208B，主時鐘頻率20 MHz，使用VHDL硬件描述語言完成信號的優化設計。

2.2.1 四線制驅動信號生成

采用等腰三角形為載波，如式（1）所示，生成方法如圖5。

式中 為時鐘周期，為載波頻率。

以查找表的形式生成調制波，首先生成標準正弦波，其次將標準正弦波與設定的幅值實時相乘，最終形成調制波信號。

步驟一：采用查找表[5-6]的方式生成標準全正向正弦波，由標志位Sinpn_o來標識正弦波的正負半軸，當Sinpn_o為高電平時代表正弦波正半軸波形；Sinpn_o為低電平時則代表正弦波負半軸波形，以此來確定H橋的正向驅動或是反向驅動。

步驟二：實時地將標準正弦波與其他模塊輸入的設定幅值進行相乘，得到不同幅值的調制波。調制波的幅值最大值須與載波的幅值一致，也就是當調制波幅值為250時，此時的SPWM占空比接近為100%。具體原理如圖5所示。

圖5中調制波幅值最大可至250，調制波的采樣時間由時鐘下的計數器值確定，其計算方法如式（2）

最后通過比較器，按照表1，最終生成四線制SPWM波形。

2.2.2 兩線制驅動信號生成

調制波生成在四線制的基礎上，完成全周期疊加固定值的操作，該固定值為原載波幅值250，以此完成調制波的靜態偏置，實現調制波幅值為零時正向驅動與反向驅動時間比為1:1（50%占空比）的兩線制驅動要求。兩種驅動制式生成的SPWM波形如圖6所示。

圖6顯示了兩種制式下的SPWM波形生成方式，通過比較器，按照表1，生成四線制SPWM波形；按照表2，最終生成兩線制SPWM波形。

兩線制驅動信號的生成仿真結果如圖7所示。

圖7 兩線制SPMW信號仿真圖

2.3 實際電路驅動效果與控溫精度

本文的驅動優化方案由實際驅動電路進行確認驗證，驅動電路板接收來自控制板的不同制式SPWM驅動波形，通過信號處理后驅動制冷機，對比最終控溫性能并得出結論。四線制驅動實測波形如圖8所示。

圖8 四線制驅動信號示波器圖形

電機兩側測試點的波形分別為兩個“饅頭波”，最終驅動信號合成后形成為正弦波。“饅頭波”的波形缺點，由于驅動分辨率和器件切換的影響，最終的正弦波在相位轉換的瞬間會形成波形畸變，隨著驅動功率的增大，畸變減小。優勢在于相較于兩線制驅動，功耗較小，適用于大功率負載。

兩線制驅動波形實測如圖9所示。

圖9 兩線制驅動信號示波器圖形

電機兩側測試點的波形分別為兩個正弦波，最終驅動信號合成后形成為正弦波。該正弦波在相位轉換的瞬間無波形畸變，驅動效果好。劣勢在于相較于四線制驅動，功耗較大，適用于小功率負載。

兩種不同驅動制式下的控溫精度對比如圖10所示，兩種驅動方式的控溫精度都在±2LSB，1個LSB表示1個溫度數據碼值。

圖10 兩種驅動方式的控溫精度對比

通過兩種制式的驅動波形實測與控溫精度分析，兩線制驅動優化在保證了控溫精度的基礎上完成了硬件電路小型化處理。兩種制式的選擇取決于使用時的權衡考慮，對于小型化制冷控制器和小功率負載來說，在高控溫性能和減重降本需求下，兩線制驅動優化方案為首選。

3 結束語

隨著小型化遙感產品的需求越來越迫切，作為遙感相機一部分的制冷控制器也同樣面臨著減重降本的壓力。本文從制冷控制器驅動電路小型化入手，基于硬件去冗余度原則，設計電路復用簡化和軟件信號優化，在不影響控制器功能性能的基礎上實現低成本兩線制SPWM驅動方案。此方案降低了制冷控制器硬件電路設計、制造成本，滿足了單機減重降本的要求；同時通過控制器調試結果可看出，驅動方式的優化能夠保證電路驅動輸出分辨率不變，并不影響高控溫精度的實現。

該方案已通過仿真驗證、實際電路實現，實驗結果證明其可行，可適用于小型化需求、成本可控、高性能要求、小功率負載的星載溫度控制器。未來在保證功能的前提下，通過時鐘提速，可以提升同等頻率的載波幅值，從而提高驅動輸出電壓分辨率，繼而進一步低成本地優化控制器的控溫精度。

[1] 謝妮慧, 汪瑜, 劉志宏. 制冷軟件通用化關鍵技術研究[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 115-124. XIE Nihui, WANG Yu, LIU Zhihong. Research on the Universalization Technologies of the Refrigeration Controller Software[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 115-124. (in Chinese)

[2] 耿振華, 久元溦, 汪瑜, 等. 一種高精度輸出可調型恒流源驅動電路的設計[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(3): 86-92. GENG Zhenhua, JIU Yuanwei, WANG Yu, et al. Design of a High Precision Drive Circuit with Adjustable Output and Constant Current[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(3): 86-92. (in Chinese)

[3] 王陽, 孟慶亮, 郭楠. 多模式控溫在航天光學遙感器上的應用[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(3): 79-85. WANG Yang, MENG Qingliang, GUO Nan. Application of a Multimode Thermal Control Method on Space Optical Remote Sensors[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(3): 79-85. (in Chinese)

[4] 汪瑜, 耿振華. 高軌遙感相機中焦面制冷機的功率驅動方案設計[J]. 微電機, 2019, 52(12): 90-95. WANG Yu, GENG Zhenhua. Design of Power Drive Scheme for Focal Surface Refrigerator in High-orbit Remote Sensing Camera[J]. Micromotors, 2019.52(12)：90-95. (in Chinese)

[5] 黃金亮. PWM 變流器中MOSFET 器件的電磁隔離驅動技術研究[D]. 西安: 西安理工大學, 2016. HUANG Jinliang. Research on Electromagnetic Isolation Driving Technology of MOSFET Devices in PWM Converters[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2016. (in Chinese)

[6] 鄭鵬. 星載脈沖管制冷機電控系統設計[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011. ZHENG Peng. Design of Electronic Control System for Spaceborne Pulse Tube Refrigerator[D]. Xi'an: Xidian University, 2011. (in Chinese)

[7] 常霞, 張鵬, 李愷, 等. 一種輕小型遙感相機高精度主動熱控設計[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(7): 224-227. CHANG Xia, ZHANG Peng, LI Kai, et al. Design of High Precision Control of Space Camera Temperature Controlling[J]. Computer Measurement & Control, 2014, 22(7): 224-227. (in Chinese)

[8] 李旋球, 陳堅, 趙勇, 等. 一款磁隔離DC/DC變換器反饋環路設計[J].電力電子技術, 2014, 48(8): 74-76. LI Xuanqiu, CHEN Jian, ZHAO Yong, et al. A Magnetic Isolation DC/DC Converter Feedback Loop Design[J]. Power Electronics, 2014, 48(8): 74-76. (in Chinese)

[9] 王蕓, 石志成, 趙筱琳, 等. 光電耦合器件在低地球軌道航天器中的運用評估[J]. 航天器環境工程, 2015, 32(5): 543-548. WANG Yun, SHI Zhicheng, ZHAO Xiaolin, et al. Evaluation of Radiation Performance of Optocouplers Used in LEO Spacecrafts[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(5): 543-548. (in Chinese)

[10] 王豪. 一種面向航天應用的高可靠FPGA設計架構研究[J]. 航天控制, 2015, 33(6): 64-69. WANG Hao. Research of a FPGA Architecture with High Reliability Used for Aerospace[J]. Aerospace Control, 2015, 33(6): 64-69. (in Chinese)

[11] 王豪. 一種高可靠宇航控制器設計及可靠性評估[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(6): 298-301. WANG Hao. Design and Reliability Evaluation of Controller with High Reliability Used for Aerospace[J]. Computer Measurement & Control, 2016, 24(6): 298-301. (in Chinese)

[12] CHEATHAM J A, EMMERT J M, BAUMGART S. A Survey Offault Tolerant Methodologies for FPGAs[J]. ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems, 2006, 11(2): 501-533.

[13] 劉振來, 何湘寧. 壓控器件的磁隔離驅動電路設計[J]. 電訊技術, 2006,46(6): 207-209. LIU Zhenlai, HE Xiangning. Design of Magnetic Insulation Drive Circuit for Voltage Controlled Devices[J]. Telecommunication Engineering, 2006,46(6): 207-209. (in Chinese)

[14] 彭銳, 蔡小五, 劉海南, 等. 一種用于磁隔離驅動電路的編解碼方案設計[J]. 微電子學與計算機, 2018,35(9): 48-52. PENG Rui, CAI Xiaowu, LIU Hainan, et al. Design of an Codec Scheme for Magnetic Isolation Drive Circuit[J]. Microelectronics & Computer, 2018, 35(9): 48-52. (in Chinese)

[15] 羅海坤, 王永慶, 吳嗣亮. 基于壓縮查找表的高精度正弦信號生成算法[J]. 系統工程與電子技術, 2012, 34(2): 249-252. LUO Haikun, WANG Yongqing, WU Siliang. High-precision Sine Signal Generation Based on Compressed Look-up Table[J]. Systems Engineering and Electronic, 2012, 34(2): 249-252. (in Chinese)

[16] 文波, 孟令軍, 張曉春, 等. 基于增量式PID 算法的水溫自動控制器設計[J]. 儀表技術與傳感器, 2015, 12: 113-116. WEN Bo, MENG Lingjun, ZHANG Xiaochun, et al. Design of Water Temperature Automatic Controller Based on Incremental PID Algorithm[J]. Instrument Technique and Sensor, 2015, 12: 113-116. (in Chinese)

[17] 黃勇強, 吳建華, 熊振華, 等. 基于繼電反饋的伺服系統PID參數整定研究[J]. 機械制造, 2008, 46(12): 4-7. HUANG Yongqiang, WU Jianhua, XIONG Zhenhua, et al. Research on PID Controller Tuning of Servo System Based on Relay Feedback[J]. Machinery, 2008, 46(12): 4-7. (in Chinese)

[18] 崔海霞, 潘旭華, 毛瑩. 熱動力溫控系統建模與仿真研究[J]. 計算機仿真, 2014, 31(7): 379-382. CUI Haixia, PAN Xuhua, MAO Ying. Modeling and Simulation for Thermodynamic Temperature Control System[J]. Computer Simulation, 2014, 31(7): 379-382. (in Chinese)

[19] PANDA R C, VIJAYAN V, SUJATHA V. Parameter Estimation of Integrating and Time Delay Processed Using Single Relay Feedback test[J]. ISA Transactions, 2011, 50(4): 529-537.

[20] 劉海, 王儲東. 基于飽和繼電反饋的模型參數辨識及PID控制器參數自整定[J]. 計算機與應用化學, 2012, 29(9): 1107-1110.LIU Hai, WANG Chudong. Model Parameter Identification and Parameter Self-tunning of PID Controller Based on Saturation Relay Feedback[J] Computers and Applied Chemistry, 2012, 29(9): 1107-1110. (in Chinese)

[21] JEONGUK B, JIETAE L, JIN-SU K. Relay Feedback Identification for Processes Under Drift and Noisy Environments[J]. AIChE Journal, 2011, 57(7): 1809-1816.

[22] MILAN H. Shifting Method for Relay Feedback Identification and Control of Delayed Systems[J]. WSEAS Transactions on Systems, 2012, 15: 39-48.

[23] 路美娜, 陳迪虎, 李志偉, 等. 基于FPGA的星載HgCdTe探測器溫控系統設計[J]. 大氣與環境光學學報, 2019, 14(2): 89-96.LU Meina, CHEN Dihu, LI Zhiwei, et al. Design of Temperature Control System for Spaceborne HgCdTe Detector Based on FPGA[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2019, 14(2): 89-96. (in Chinese)

Driving Optimization Scheme of Miniaturization Remote Sensing Camera Refrigeration Controller

WANG Yu HAO Zhongyang LIU Cheng

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The weight of the satellite determines the launch cost. The heavier the satellite, the higher the launch cost. At the same time, combined with its own low manufacturing cost requirements, the development of miniaturizationremote sensing products has become more and more urgent. As a component of remote sensing camera, refrigeration controllers are also facing the pressure of miniaturization to reduce weight and cost. Starting from the driving circuit of refrigeration controller, this paper designs a two-wire Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) drive optimization scheme. In hardware, compared with the traditional four-wire drive, the SPWM signal multiplexing method is adopted to reduce the four sets of signal processing circuits to two sets. Half of the circuit design, played the role of reducing weight and cost. On the basis of the four-wire SPWM waveform output, the software is designed and optimized to output the two-wire SPWM signal with the same driving resolution, which not only meets the requirements of the hardware circuit design, but also ensures the temperature control accuracy of the refrigeration controller. Through principle analysis, simulation verification, real test and effect comparison, the results show that the scheme is a feasible miniaturization design method, which can optimize the design and reduce the weight and cost while keeping the temperature control performance unchanged.

refrigeration controller; miniaturization; low cost; drive circuit; hardware and software optimization; remote sensing camera

V444.3

A

1009-8518(2023)03-0041-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.005

汪瑜，女，1989年生，2014年獲得北京交通大學電子與通信工程碩士學位，高級工程師。主要研究方向為遙感相機制冷控制器軟件設計。E-mail：18811446997@sina.cn。

2022-07-21

中國空間技術研究院杰出青年人才基金（B2YG1446）

汪瑜,郝中洋,劉成. 小型化遙感相機制冷控制器的驅動優化方案[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(3): 41-50.

WANG Yu, HAO Zhongyang, LIU Cheng. Driving Optimization Scheme of Miniaturization Remote Sensing Camera Refrigeration Controller[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 41-50. (in Chinese)

（編輯：龐冰）