制冷控制軟件通用化關鍵技術研究

謝妮慧 汪瑜 劉志宏

制冷控制軟件通用化關鍵技術研究

謝妮慧 汪瑜 劉志宏

（北京空間機電研究所，北京 100094）

制冷控制器是用來驅動和控制機械制冷機的電子學產品，通過控制機械制冷機來保障探測器的工作溫度，使探測器獲得穩定可靠的探測性能。隨著紅外探測技術以及低溫光學技術的持續發展，制冷控制器的需求逐年增多，另外伴隨著制冷技術的日趨成熟，制冷控制器的組成及功能需求相對固定，性能需求逐步收斂。在這一背景下進行制冷控制軟件的通用化研究工作很有必要。通過對機械制冷機類型及其特點、制冷控制器的組成及工作原理以及制冷控制系統的功能需求進行分析，并對現有制冷控制軟件通信協議、總線接口等技術狀態進行梳理，給出了通用化制冷控制軟件的軟件架構、模塊劃分。為適應不同用戶需求，同時建立了軟件可復用構件庫，考慮了不同類型制冷機對控制軟件的需求的差異性設計。利用通用化軟件架構實現了4臺制冷控制器軟件的研制，軟件功能和性能均滿足用戶需求，提高了研制效率，減少了研制成本，證明了軟件通用化研制模式的可行性。

機械制冷機 制冷控制器 制冷控制軟件 通用化 光學遙感器

0 引言

紅外光學遙感設備是遙感衛星上的關鍵儀器，用于實現地球資源普查、環境監測、海洋資源調查、氣象分析、天文觀測等工作[1]。紅外光學遙感設備中的核心部件——紅外探測元件大多采用HgCdTe、InSb、PtSi等紅外光子型半導體材料，這些紅外半導體材料具有禁帶寬度窄、紅外光量子能量小，且在較高溫度下會產生固有熱激發，導致大的暗電流和噪聲等問題[2-3]?？臻g制冷控制系統能為紅外探測器和其他光電器件提供可靠冷源，降低探測器的工作溫度，減少本底熱噪聲、屏蔽和排除視場外的熱干擾，從而提高探測精度和靈敏度，使探測器獲得穩定可靠的探測性能[4]。

隨著紅外探測技術及低溫光學的持續發展，與紅外探測器配套的制冷控制類產品的需求逐年增多[5-6]，同時伴隨著制冷技術的日趨成熟，制冷控制類產品尤其是功能需求相對固定，性能需求逐步收斂。在這一背景下進行制冷控制軟件的通用化研究工作很有必要。固化產品設計基線，逐步提升產品的成熟度，不但能夠提升產品開發與研制效率，減少重復開發，降低研制成本，還能形成產品質量（quality）持續改進的良性循環[7-8]。

1 通用化分析

1.1 必要性

以往各型號中使用的空間制冷控制系統雖然功能、實現方式大同小異，但是通用化程度低，導致軟件的研制存在重復開發、研制周期長、耗費費人力物力等問題。隨著我國遙感技術和深空探測技術的不斷發展，制冷控制系統的研制任務數量呈指數式增長，任務多、多型號并行研制、研制周期短、質量要求高是近年來宇航型號任務的顯著特點[9]。除此之外，制冷機不斷朝著大功率、大冷量方向發展，制冷對象從單一的焦面到更多低溫光學、中繼光學等設備，制冷控制器的技術指標也在不斷提高[10-11]，制冷控制軟件要適應新形勢進行技術創新。

綜上所述，進行制冷控制器及其軟件的通用化、產品化的研制都是非常有必要的。若采用制冷控制軟件通用化設計方法，固定軟件的基礎框架，建立可構件可復用構件庫，可以減少軟件的重復開發，增強軟件的通用性，使其能夠適應不同型號任務的研制需求。一方面，有利于分離軟件技術創新與產品研制；另一方面，能夠減少人力資源的浪費，保證型號的研制周期[12]。

1.2 可行性

歸納總結已交付型號以及在研型號中的制冷控制系統，發現其功能、系統組成基本相同：

第一，制冷控制系統的組成基本相同。制冷控制系統一般包括機械制冷機、制冷控制器硬件及其軟件，且制冷控制系統的被控對象——壓縮機一般特性基本相同。

第二，制冷控制器的硬件電路設計逐步固定。一般包括制冷驅動電路、邏輯控制電路、濾波電路、接口電路等，采用的溫度數據采集芯片及其電路設計一樣。

第三，軟件的工作流程（或工況）一樣?？刂破魃想婇_始進行緩啟動（保證要求的溫度變化率或電壓變化率），到達目標溫度點附近之后，進行精確的閉環控溫，最終將探測器的溫度控制在目標溫度點附近。

第四，制冷控制器的工作模式基本一樣。制冷控制器通過驅動制冷機的壓縮機活塞進行往復運動，從而產生制冷量制冷，通常包括電壓開環、電壓閉環、溫度閉環和制冷關機等工作模式。

第五，采用的數字控制器算法一樣。目前型號均采用增量式PID（比例—積分—微分）控制器，且均能滿足控溫精度指標要求，不同制冷控制系統的差別僅為PID控制器的控制參數不一樣。

由此可見，制冷控制器及其軟件可以實現通用化設計。

2 通用化思路

2.1 狀態梳理

（1）制冷機類型及其工作原理

機械制冷機由于其制冷量大、制冷溫度低、效率高、體積小等特點被廣泛應用于空間紅外探測器和低溫光學系統的制冷控制中[13]。斯特林制冷機和脈管式制冷機是空間低溫制冷機中應用最廣泛的兩種機械制冷機。斯特林制冷機通過氣體制冷工質在壓縮機和膨脹機（也稱冷指、冷端）中進行逆向斯特林循環來實現制冷。脈管式制冷機相對于斯特林制冷機而言主要區別在于其冷指部分沒有類似膨脹機的運動部件，而是利用高壓氣體在脈管空腔中的絕熱放氣膨脹過程獲得制冷效應，回熱器用于積累循環中所得的冷量，并傳遞給下一次循環的入流氣體，以提高制冷效率[14-15]。與斯特林制冷機相比，脈管式制冷機低溫部分沒有運動部件，因而具有結構簡單、尺寸緊湊、可靠性高和運行壽命長等優點，逐漸被廣泛應用[16]。

無論斯特林制冷機還是脈管式制冷機，其工作原理是一致的，均通過制冷控制器的功率輸出驅動壓縮機進行往復運動，從而產生冷量達到制冷的作用，因此對于制冷控制軟件而言，可不區分斯特林制冷機和脈管式制冷機，主要是以在某一電功率下提供多少冷量為衡量標準。

（2）制冷控制器組成及工作原理

制冷機控制器是用來驅動和控制機械式制冷機的電子學單機產品。制冷控制器本質上是一臺具有自主控溫功能的將直流變交流的變換器[17]，它將衛星直流母線電壓逆變為特定頻率的正弦波交流電壓來驅動制冷壓縮機工作從而產生冷量進行制冷，并根據采集到的溫度與設定目標控溫點的偏差，實時調節輸出正弦波電壓的幅值來驅動制冷機實現自主閉環控溫的目的，典型制冷控制系統各功能模塊組成如圖1所示。圖中SPWM即正弦脈寬調制。

圖1 制冷機控制器各功能模塊組成圖

制冷控制器的結構決定了軟件的整體架構，控制器總體結構固定，因此制冷控制軟件的架構固定。由于控制器組成、內外部接口包括功率輸出接口、總線遙控遙測接口、測溫信號采集接口等相對固定，因此制冷控制軟件的輸入輸出硬件接口也固定。另外，控制器根據工作原理劃分為各個功能相互獨立的電路模塊，使得制冷控制軟件也可設計為功能獨立的軟件模塊。

（3）制冷控制系統功能需求

為了使所設計的通用化制冷控制器及其軟件能夠同時滿足多個型號的需求，對比分析了3臺制冷控制器及其軟件結構，3臺制冷控制器涵蓋了所有的技術狀態，對制冷機類型、制冷控制器的差異性分析如表1所示。同時3臺制冷控制器及軟件在功能需求、協議與軟件相關的硬件接口類別和數量上又是一致的，制冷控制軟件技術狀態如表2所示。

表1 三臺制冷控制器差異性

Tab.1 Differences between three controllers

注：①AD為模數轉換。

表2 制冷控制軟件技術狀態

Tab.2 Similarities between three controllers

對于制冷控制器及其軟件而言，可以不區分兩種制冷機類型，主要衡量標準為制冷控制器的輸出功率能力。制冷機功率的需求與焦面熱負載的熱容直接相關，還與探測器焦面尺寸、漏熱、熱端工作溫度相關。目前，隨著紅外焦平面熱耗提高，制冷機功率需求已從100W發展到250W。雖然不同制冷機的功率需求不盡相同，但是制冷控制器對制冷機的輸出功率是能夠覆蓋最大250W功率輸出，并向低功率覆蓋，滿足現有制冷機對驅動功率的需求。

制冷控制器的SPWM驅動電路有兩種結構。一種為不帶信號隔離與恢復功能的SWPM驅動電路，制冷控制軟件直接輸出4路SPWM信號控制H橋驅動電路的4個MOS管。另一種為帶信號隔離與恢復功能的SWPM驅動電路，制冷控制軟件輸出2路窄脈沖信號SPWM+和SPWM-，兩路窄脈沖信號經過一個SPWM信號恢復與邏輯保護電路之后生成一路SPWM波，輸出到H橋驅動電路的某個MOS管實現制冷機壓縮機的驅動。

測溫AD芯片的選擇由測溫精度決定，量化位數越多，測溫精度越高，針對不同的測溫精度要求，目前制冷控制器電路中存在兩種測溫AD芯片。對于制冷控制軟件而言，數據采集模塊（AD芯片的讀寫操作）被封裝成了一個獨立的功能完整的軟件模塊。芯片管腳決定了模塊的輸入，讀寫時序決定了模塊的內部邏輯結構，不同AD芯片的讀寫時序及管腳數量是不一樣的，但是輸出都是一樣的，即表示溫度的數據。制冷控制軟件的整體架構不變，根據實際的情況選用不同的數據采集模塊。

制冷控制器通過內部總線接口接收綜合電子的遙控指令并響應指令。因為不同的應用需求，目前內部總線接口包括RS-422總線接口、CAN總線接口和RS-485總線接口。RS-422總線為異步串行總線，是一種點對多的全雙工通信接口。RS-485采用半雙工工作方式，網絡拓撲結構簡單，最多支持32個節點；CAN總線的信號傳輸采用短幀結構，每幀的有效數據為8個字節，最高通信速率在40m內可達1Mbps。雖然每種總線物理層和數據層的協議各不一樣，操作方式也各不一樣，但是同數據采集模塊的設計一樣，對于軟件來說總線通訊功能也可以封裝成獨立的軟件模塊，模塊的輸入、接口雖不一樣，但是輸出一致，均為控制參數、工作模式等數據，因此制冷控制軟件的整體架構依然不變。

2.2 制冷控制軟件總體方案設計

（1）軟件架構設計

傳統的機械制冷控制系統一般采用以單片機或數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等微處理器為核心的數字控制系統，流程控制、算法都通過軟件編程實現，這類軟件存在中斷嵌套、程序跑飛等問題，速度和可靠性有一定局限性。另外，這類控制系統往往還存在外圍電路多、集成度低等問題[18-19]。與單片機或者DSP相比，FPGA是通過硬件來實現控制算法，且為并行處理邏輯，因此運算速度快、可靠性高；除此之外，FPGA還具有體積小、集成度高、功耗低、設計電路靈活等特點。因此本文所討論的通用化制冷控制器采用的是以FPGA為控制核心的制冷控制系統[20-21]。

機械制冷機制冷控制系統結構如圖2所示。工作原理為：利用恒流源為紅外探測器上的測溫二極管提供一個恒定電流，測溫二極管的阻值隨著溫度的變化而發生變化，測溫二極管兩端的電壓也隨之改變，采集測溫二極管兩端的電壓作為溫度反饋值（反映溫度的物理量經過模數轉換之后的數字量）。為避免制冷機在啟動期間撞缸，制冷機控制電路輸出功率在加電初期逐漸增加到其最大值，制冷機制冷到設定溫度點附近時，比較每一時刻的溫度反饋值()與目標溫度值()，得到誤差值()，通過PID控制算法計算得到電機控制電壓，調節SPWM波控制驅動電路的逆變電路，改變輸出功率值，驅動制冷壓縮機電機的運動，實現高精度控溫的目的。

圖2 制冷控制系統結構

（2）模塊化設計及可復用構件庫的建立

采用模塊化設計思想進行通用化制冷控制軟件的研制。結合硬件的組成特點，按照功能對軟件總體結構進行劃分，將軟件中功能獨立、完整、可以被明確辨識的構成成份提取出來，設計成可復用軟件構件模塊，供各個型號制冷控制軟件復用。接口的設計很重要，為了能適應不同型號的需求，涉及到參數配置的，將參數直接設為接口或常量，提高構件的通用化。例如溫度數據采集模塊、SPWM波驅動模塊、PID控制模塊、工作模式切換模塊、遙控指令解析模塊、總線通信模塊、遙測數據打包模塊、時鐘分頻模塊等。

通過對制冷控制軟件進行任務需求分析，發現制冷控制軟件實現的主要功能包括初始化總線控制器、解析遙控指令、響應遙控指令及執行各種工作模式的切換、輸出SPWM波、實現制冷控制系統的閉環控溫等。因此，根據需求設計了4種構件庫。

1）總線通訊構件庫：CAN總線通訊構件、485總線通訊構件、三線通訊構件、總線控制器初始化構件、總線數據接收構件、總線數據發送構件、指令解析構件、遙測數據打包構件。

2）SPWM波驅動構件庫：正弦波生成構件、三角載波生成構件、死區實踐生成構件、SPWM波輸出構件。

3）PID控制器構件庫：增量式PID控制器構件、乘法器構件、輸出控制量限幅構件。

4）溫度數據采集構件庫：AD數據采集構件、測溫元件切換構件等。

基于模塊化和可復用構件庫的制冷控制軟件設計方法，結合型號任務的具體需求，根據實際需求選用軟件構件，通過參數配置和構件組裝的方式來實現制冷控制軟件的研制。

（3）利用搭積木方式來構件制冷控制軟件

根據型號任務的實際需求篩選、組合軟件模塊，在頂層模塊中對各個模塊進行元件例化，各個模塊之間通過接口進行數據的交互，模塊調用關系和數據流如圖3所示。測溫二極管兩端的電壓值隨著溫度的變化而發生變化，電壓值經過AD模塊之后變成數字量，便于計算。綜合電子與制冷控制器之間采用CAN總線進行通信，總線通信模塊用于實現總線控制器芯片的初始化、數據的接收和發送操作。指令解析模塊將接收的數據進行解析，獲取工作模式、控制參數、控溫二極管的選擇等信息。指令信息（工作模式、控制參數等）和反饋數據（測溫數據）都準備好之后，送入當前要執行的工作模式的入口，產生輸出電壓，再將電壓轉換成SPWM波，用于控制H橋驅動電路中MOS管的關斷，從而實現制冷機電機的驅動。除此之外，制冷控制軟件中還包括一些輔助功能的模塊，異步復位同步釋放模塊，用于提高復位信號的可靠性；時鐘分頻模塊，用于產生各個模塊需要的不同時鐘信號；乘法器模塊，用于所有模塊中乘法運算；死區生成模塊，用于生成SPWM波之間的死區時間，且死區時間根據實際需要可設置。

圖3 數據流框圖

（4）制冷控制軟件需求差異性設計

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制。目前國內外空間制冷機控溫系統的控制算法仍然停留在傳統PID控制算法上。相比于絕對式PID控制算法，增量式PID控制算法具有較小的運算量及較少的資源占用率，因此通用化制冷控制軟件采用了增量式PID控制算法。由于制冷機及其控制系統為機、電、熱、控一體化系統，其數學模型十分復雜，目前還未能確定，即使是同類型同廠家研制的制冷機，對應控溫系統最佳控溫性能下的PID控制器的控制參數也會不一樣，一般都通過現場調試來確定。因此，控溫參數不能通用化，針對不同的制冷機，需要對參數進行微調。

制冷壓縮機電機的驅動效率直接影響著制冷機的制冷效率，而驅動效率主要由驅動電機工作的正弦波交流電壓的頻率決定。由于每臺制冷機工作的交流電頻率都不一樣，一般在40Hz~60Hz范圍內變化，因此制冷機的驅動頻率不能通用化。在制冷控制軟件中必須將制冷機的工作頻率設為可設置參數，通過改變正弦波的頻率來提高制冷效率，同時也能降低單機的功耗。

在不同型號以及不同的相機分系統中，每臺制冷控制器對應的站地址、優先級各不一樣，制冷控制器與管理控制器單機之間的通信波特率也會不一樣，總線協議的內容包括數據包標識、站地址標識、指令標識也不相同，因此總線通信模塊中的配置不能通用化，指令解析模塊中的某些參數也不能通用化?？偩€通信的設置均通過配置總線控制器中的寄存器值來實現，因此可以將寄存器的值定義為常量，在進行制冷控制軟件設計時根據用戶的具體需求更改模塊中的常量和參數。

每臺制冷控制器的應用環境和工作的軌道各不一樣，制冷控制器所要服務的對象也各不相同，包括紅外探測器、中繼光學設備或其他低溫光學設備等，不同設備對目標溫度的要求也都不一樣，一般為70K~100K。由上分析可知，制冷控制軟件中用作閉環計算的溫度目標值不能進行通用化設計。同樣可以將目標溫度的AD值設置為常量，根據實際需求修改常量。

除了上述制冷控制軟件差異性設計外，不同型號對制冷控制器輸出驅動電壓的變化率有特定的要求。制冷控制器上電之后運行初期，為了防止制冷機出現撞缸的現象，要求電壓在一定時間內以固定的電壓變化率增加到某一電壓值。因此，這些參數均不能進行通用化設計，將此類參數均定義為常量，進行軟件設計時，根據實際需求更改為滿足需求的參數值。

3 通用化研制模式的實踐

為了驗證制冷控制軟件通用化研制模式的可行性，在4臺制冷控制器軟件的研制中采用了軟件通用化研制模式。在8個月的時間內實現了4套制冷控制軟件的研制和驗收交付工作。以往1套制冷控制軟件研制周期從需求分析、設計、調試，到驗收交付至少需要一年的時間，如今4套制冷控制軟件從需求分析到交付僅用了一年不到的時間，且各項性能指標均優于設計要求。除此之外，軟件通用化之后，新型號的制冷軟件在第三方評測階段僅需要做回歸測試，極大的縮減了軟件產品研制成本。軟件通用化設計縮短了研制周期，取得了良好的效果，其可行性得到了很好的驗證。

圖4記錄了4臺制冷控制器上電后軟件的運行情況。上電后，采集并存儲溫度反饋值，采樣頻率為1Hz，圖4中橫坐標為時間，縱坐標為測溫二極管兩端的電壓經過模數轉換之后的數字信號。圖4中上面的圖顯示了制冷控制系統從常溫環境開始的制冷效果，其中制冷控制器3和制冷控制器4有兩個控溫點；圖4中下面的圖顯示了溫度穩定后的溫度誤差曲線，控溫精度在正負10個數字量范圍（對應±0.05K的控溫精度），控溫精度高。從曲線圖可以看出，制冷初期，控溫曲線平滑、無超調、無振蕩，系統響應快，切換控溫點之后，系統的制冷過程仍然沒有出現超調和振蕩，并且很快又穩定在新的目標溫度上。由此證明采用通用化研制模式設計的制冷控制軟件實現了要求的功能和性能，可行性強。

（a）制冷控制器1 （b）制冷控制器2 （c）制冷控制器3 （d）制冷控制器4

（a）Refrigeration controller 1 （b）Refrigeration controller 2 （c）Refrigeration controller 3 （d）Refrigeration controller 4

圖4 溫度曲線和溫度誤差曲線

Fig.4 The curves of temperature and error

4 結束語

本文分析了制冷控制系統產品研制所面臨的問題，闡述了制冷控制軟件通用化研究的必要性和可行性。通過總結機械制冷機類型及各自特點、制冷控制器組成及工作原理，梳理總線協議、總線接口、功能需求等技術狀態，給出了通用化制冷控制軟件的軟件架構、模塊劃分。為適應不同用戶需求，建立了軟件可復用構件庫，考慮了不同類型制冷機對控制軟件的需求設計的差異性。利用通用化軟件架構實現了4臺制冷控制器軟件的研制，軟件功能和性能均滿足用戶需求，且大幅度縮短了研制周期、提高了研制效率、減少了研制成本，證明了軟件通用化研制模式的可行性。盡管如此，在制冷控制軟件的通用化、產品化研制過程中還有很多不足。通過測試發現，軟件的工作流程可進一步簡化，軟件的工作模式仍可精煉。除此之外，采用產品化研制模式之后，制冷控制軟件的研制重點從設計轉到了測試，因此有必要對制冷控制軟件的測試方法、測試設備的操作和常見問題進行總結。

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Research on the Universalization Technologies of the Refrigeration Controller Software

XIE Nihui WANG Yu LIU Zhihong

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

The refrigeration controller is an electronic product used to drive and control the mechanical cryocooler. By controlling the mechanical cryocooler to reduce the working temperature of the detector, the detector can achieve stable and reliable detection performance. With continuous development of the infrared detection technology and the low temperature optics, the demand for refrigeration controllers increases year by year. In addition, with the increasing maturity of the refrigeration technology, the composition and the function requirements of the refrigeration controller are relatively fixed, and the performance requirements gradually converge. Under this background, it is necessary to study the universalization of the refrigeration control software. By analyzing the types and characteristics of the mechanical cryocooler, the composition and working principle of the refrigeration controller and the functional requirements of the refrigeration control system, and then sorting out the technical status of the existing refrigeration control software products, the software architecture and module division of the general refrigeration control system are given. In order to meet the needs of different users, a software reusable component library is established, and the different design requirements of control system for different types of refrigerating machines are considered. Four sets of refrigeration controller softwares are developed for a certain satellite by using the generalized software architecture, and the software functions and performance meet the user's demand, with the development efficiency improved and the cost reduced. The practice proves the feasibility of the generalized software development model.

mechanical cryocooler;refrigeration controller; software; universalization; optical remote sensor

TP311.3

A

1009-8518(2021)01-0115-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.014

謝妮慧，女，1986年生，2012年獲北京航空航天大學控制科學與工程專業碩士學位，高級工程師。研究方向為遙感相機機構運動控制、制冷控制等。E-mail：524857918@qq.com。

2019-12-30

謝妮慧, 汪瑜, 劉志宏. 制冷控制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)

（編輯：龐冰）