制冷控制软件通用化关键技术研究

谢妮慧 汪瑜 刘志宏

制冷控制软件通用化关键技术研究

谢妮慧 汪瑜 刘志宏

（北京空间机电研究所，北京 100094）

制冷控制器是用来驱动和控制机械制冷机的电子学产品，通过控制机械制冷机来保障探测器的工作温度，使探测器获得稳定可靠的探测性能。随着红外探测技术以及低温光学技术的持续发展，制冷控制器的需求逐年增多，另外伴随着制冷技术的日趋成熟，制冷控制器的组成及功能需求相对固定，性能需求逐步收敛。在这一背景下进行制冷控制软件的通用化研究工作很有必要。通过对机械制冷机类型及其特点、制冷控制器的组成及工作原理以及制冷控制系统的功能需求进行分析，并对现有制冷控制软件通信协议、总线接口等技术状态进行梳理，给出了通用化制冷控制软件的软件架构、模块划分。为适应不同用户需求，同时建立了软件可复用构件库，考虑了不同类型制冷机对控制软件的需求的差异性设计。利用通用化软件架构实现了4台制冷控制器软件的研制，软件功能和性能均满足用户需求，提高了研制效率，减少了研制成本，证明了软件通用化研制模式的可行性。

机械制冷机 制冷控制器 制冷控制软件 通用化 光学遥感器

0 引言

红外光学遥感设备是遥感卫星上的关键仪器，用于实现地球资源普查、环境监测、海洋资源调查、气象分析、天文观测等工作[1]。红外光学遥感设备中的核心部件——红外探测元件大多采用HgCdTe、InSb、PtSi等红外光子型半导体材料，这些红外半导体材料具有禁带宽度窄、红外光量子能量小，且在较高温度下会产生固有热激发，导致大的暗电流和噪声等问题[2-3]。空间制冷控制系统能为红外探测器和其他光电器件提供可靠冷源，降低探测器的工作温度，减少本底热噪声、屏蔽和排除视场外的热干扰，从而提高探测精度和灵敏度，使探测器获得稳定可靠的探测性能[4]。

随着红外探测技术及低温光学的持续发展，与红外探测器配套的制冷控制类产品的需求逐年增多[5-6]，同时伴随着制冷技术的日趋成熟，制冷控制类产品尤其是功能需求相对固定，性能需求逐步收敛。在这一背景下进行制冷控制软件的通用化研究工作很有必要。固化产品设计基线，逐步提升产品的成熟度，不但能够提升产品开发与研制效率，减少重复开发，降低研制成本，还能形成产品质量（quality）持续改进的良性循环[7-8]。

1 通用化分析

1.1 必要性

以往各型号中使用的空间制冷控制系统虽然功能、实现方式大同小异，但是通用化程度低，导致软件的研制存在重复开发、研制周期长、耗费费人力物力等问题。随着我国遥感技术和深空探测技术的不断发展，制冷控制系统的研制任务数量呈指数式增长，任务多、多型号并行研制、研制周期短、质量要求高是近年来宇航型号任务的显著特点[9]。除此之外，制冷机不断朝着大功率、大冷量方向发展，制冷对象从单一的焦面到更多低温光学、中继光学等设备，制冷控制器的技术指标也在不断提高[10-11]，制冷控制软件要适应新形势进行技术创新。

综上所述，进行制冷控制器及其软件的通用化、产品化的研制都是非常有必要的。若采用制冷控制软件通用化设计方法，固定软件的基础框架，建立可构件可复用构件库，可以减少软件的重复开发，增强软件的通用性，使其能够适应不同型号任务的研制需求。一方面，有利于分离软件技术创新与产品研制；另一方面，能够减少人力资源的浪费，保证型号的研制周期[12]。

1.2 可行性

归纳总结已交付型号以及在研型号中的制冷控制系统，发现其功能、系统组成基本相同：

第一，制冷控制系统的组成基本相同。制冷控制系统一般包括机械制冷机、制冷控制器硬件及其软件，且制冷控制系统的被控对象——压缩机一般特性基本相同。

第二，制冷控制器的硬件电路设计逐步固定。一般包括制冷驱动电路、逻辑控制电路、滤波电路、接口电路等，采用的温度数据采集芯片及其电路设计一样。

第三，软件的工作流程（或工况）一样。控制器上电开始进行缓启动（保证要求的温度变化率或电压变化率），到达目标温度点附近之后，进行精确的闭环控温，最终将探测器的温度控制在目标温度点附近。

第四，制冷控制器的工作模式基本一样。制冷控制器通过驱动制冷机的压缩机活塞进行往复运动，从而产生制冷量制冷，通常包括电压开环、电压闭环、温度闭环和制冷关机等工作模式。

第五，采用的数字控制器算法一样。目前型号均采用增量式PID（比例—积分—微分）控制器，且均能满足控温精度指标要求，不同制冷控制系统的差别仅为PID控制器的控制参数不一样。

由此可见，制冷控制器及其软件可以实现通用化设计。

2 通用化思路

2.1 状态梳理

（1）制冷机类型及其工作原理

机械制冷机由于其制冷量大、制冷温度低、效率高、体积小等特点被广泛应用于空间红外探测器和低温光学系统的制冷控制中[13]。斯特林制冷机和脉管式制冷机是空间低温制冷机中应用最广泛的两种机械制冷机。斯特林制冷机通过气体制冷工质在压缩机和膨胀机（也称冷指、冷端）中进行逆向斯特林循环来实现制冷。脉管式制冷机相对于斯特林制冷机而言主要区别在于其冷指部分没有类似膨胀机的运动部件，而是利用高压气体在脉管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效应，回热器用于积累循环中所得的冷量，并传递给下一次循环的入流气体，以提高制冷效率[14-15]。与斯特林制冷机相比，脉管式制冷机低温部分没有运动部件，因而具有结构简单、尺寸紧凑、可靠性高和运行寿命长等优点，逐渐被广泛应用[16]。

无论斯特林制冷机还是脉管式制冷机，其工作原理是一致的，均通过制冷控制器的功率输出驱动压缩机进行往复运动，从而产生冷量达到制冷的作用，因此对于制冷控制软件而言，可不区分斯特林制冷机和脉管式制冷机，主要是以在某一电功率下提供多少冷量为衡量标准。

（2）制冷控制器组成及工作原理

制冷机控制器是用来驱动和控制机械式制冷机的电子学单机产品。制冷控制器本质上是一台具有自主控温功能的将直流变交流的变换器[17]，它将卫星直流母线电压逆变为特定频率的正弦波交流电压来驱动制冷压缩机工作从而产生冷量进行制冷，并根据采集到的温度与设定目标控温点的偏差，实时调节输出正弦波电压的幅值来驱动制冷机实现自主闭环控温的目的，典型制冷控制系统各功能模块组成如图1所示。图中SPWM即正弦脉宽调制。

图1 制冷机控制器各功能模块组成图

制冷控制器的结构决定了软件的整体架构，控制器总体结构固定，因此制冷控制软件的架构固定。由于控制器组成、内外部接口包括功率输出接口、总线遥控遥测接口、测温信号采集接口等相对固定，因此制冷控制软件的输入输出硬件接口也固定。另外，控制器根据工作原理划分为各个功能相互独立的电路模块，使得制冷控制软件也可设计为功能独立的软件模块。

（3）制冷控制系统功能需求

为了使所设计的通用化制冷控制器及其软件能够同时满足多个型号的需求，对比分析了3台制冷控制器及其软件结构，3台制冷控制器涵盖了所有的技术状态，对制冷机类型、制冷控制器的差异性分析如表1所示。同时3台制冷控制器及软件在功能需求、协议与软件相关的硬件接口类别和数量上又是一致的，制冷控制软件技术状态如表2所示。

表1 三台制冷控制器差异性

Tab.1 Differences between three controllers

注：①AD为模数转换。

表2 制冷控制软件技术状态

Tab.2 Similarities between three controllers

对于制冷控制器及其软件而言，可以不区分两种制冷机类型，主要衡量标准为制冷控制器的输出功率能力。制冷机功率的需求与焦面热负载的热容直接相关，还与探测器焦面尺寸、漏热、热端工作温度相关。目前，随着红外焦平面热耗提高，制冷机功率需求已从100W发展到250W。虽然不同制冷机的功率需求不尽相同，但是制冷控制器对制冷机的输出功率是能够覆盖最大250W功率输出，并向低功率覆盖，满足现有制冷机对驱动功率的需求。

制冷控制器的SPWM驱动电路有两种结构。一种为不带信号隔离与恢复功能的SWPM驱动电路，制冷控制软件直接输出4路SPWM信号控制H桥驱动电路的4个MOS管。另一种为带信号隔离与恢复功能的SWPM驱动电路，制冷控制软件输出2路窄脉冲信号SPWM+和SPWM-，两路窄脉冲信号经过一个SPWM信号恢复与逻辑保护电路之后生成一路SPWM波，输出到H桥驱动电路的某个MOS管实现制冷机压缩机的驱动。

测温AD芯片的选择由测温精度决定，量化位数越多，测温精度越高，针对不同的测温精度要求，目前制冷控制器电路中存在两种测温AD芯片。对于制冷控制软件而言，数据采集模块（AD芯片的读写操作）被封装成了一个独立的功能完整的软件模块。芯片管脚决定了模块的输入，读写时序决定了模块的内部逻辑结构，不同AD芯片的读写时序及管脚数量是不一样的，但是输出都是一样的，即表示温度的数据。制冷控制软件的整体架构不变，根据实际的情况选用不同的数据采集模块。

制冷控制器通过内部总线接口接收综合电子的遥控指令并响应指令。因为不同的应用需求，目前内部总线接口包括RS-422总线接口、CAN总线接口和RS-485总线接口。RS-422总线为异步串行总线，是一种点对多的全双工通信接口。RS-485采用半双工工作方式，网络拓扑结构简单，最多支持32个节点；CAN总线的信号传输采用短帧结构，每帧的有效数据为8个字节，最高通信速率在40m内可达1Mbps。虽然每种总线物理层和数据层的协议各不一样，操作方式也各不一样，但是同数据采集模块的设计一样，对于软件来说总线通讯功能也可以封装成独立的软件模块，模块的输入、接口虽不一样，但是输出一致，均为控制参数、工作模式等数据，因此制冷控制软件的整体架构依然不变。

2.2 制冷控制软件总体方案设计

（1）软件架构设计

传统的机械制冷控制系统一般采用以单片机或数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）等微处理器为核心的数字控制系统，流程控制、算法都通过软件编程实现，这类软件存在中断嵌套、程序跑飞等问题，速度和可靠性有一定局限性。另外，这类控制系统往往还存在外围电路多、集成度低等问题[18-19]。与单片机或者DSP相比，FPGA是通过硬件来实现控制算法，且为并行处理逻辑，因此运算速度快、可靠性高；除此之外，FPGA还具有体积小、集成度高、功耗低、设计电路灵活等特点。因此本文所讨论的通用化制冷控制器采用的是以FPGA为控制核心的制冷控制系统[20-21]。

机械制冷机制冷控制系统结构如图2所示。工作原理为：利用恒流源为红外探测器上的测温二极管提供一个恒定电流，测温二极管的阻值随着温度的变化而发生变化，测温二极管两端的电压也随之改变，采集测温二极管两端的电压作为温度反馈值（反映温度的物理量经过模数转换之后的数字量）。为避免制冷机在启动期间撞缸，制冷机控制电路输出功率在加电初期逐渐增加到其最大值，制冷机制冷到设定温度点附近时，比较每一时刻的温度反馈值()与目标温度值()，得到误差值()，通过PID控制算法计算得到电机控制电压，调节SPWM波控制驱动电路的逆变电路，改变输出功率值，驱动制冷压缩机电机的运动，实现高精度控温的目的。

图2 制冷控制系统结构

（2）模块化设计及可复用构件库的建立

采用模块化设计思想进行通用化制冷控制软件的研制。结合硬件的组成特点，按照功能对软件总体结构进行划分，将软件中功能独立、完整、可以被明确辨识的构成成份提取出来，设计成可复用软件构件模块，供各个型号制冷控制软件复用。接口的设计很重要，为了能适应不同型号的需求，涉及到参数配置的，将参数直接设为接口或常量，提高构件的通用化。例如温度数据采集模块、SPWM波驱动模块、PID控制模块、工作模式切换模块、遥控指令解析模块、总线通信模块、遥测数据打包模块、时钟分频模块等。

通过对制冷控制软件进行任务需求分析，发现制冷控制软件实现的主要功能包括初始化总线控制器、解析遥控指令、响应遥控指令及执行各种工作模式的切换、输出SPWM波、实现制冷控制系统的闭环控温等。因此，根据需求设计了4种构件库。

1）总线通讯构件库：CAN总线通讯构件、485总线通讯构件、三线通讯构件、总线控制器初始化构件、总线数据接收构件、总线数据发送构件、指令解析构件、遥测数据打包构件。

2）SPWM波驱动构件库：正弦波生成构件、三角载波生成构件、死区实践生成构件、SPWM波输出构件。

3）PID控制器构件库：增量式PID控制器构件、乘法器构件、输出控制量限幅构件。

4）温度数据采集构件库：AD数据采集构件、测温元件切换构件等。

基于模块化和可复用构件库的制冷控制软件设计方法，结合型号任务的具体需求，根据实际需求选用软件构件，通过参数配置和构件组装的方式来实现制冷控制软件的研制。

（3）利用搭积木方式来构件制冷控制软件

根据型号任务的实际需求筛选、组合软件模块，在顶层模块中对各个模块进行元件例化，各个模块之间通过接口进行数据的交互，模块调用关系和数据流如图3所示。测温二极管两端的电压值随着温度的变化而发生变化，电压值经过AD模块之后变成数字量，便于计算。综合电子与制冷控制器之间采用CAN总线进行通信，总线通信模块用于实现总线控制器芯片的初始化、数据的接收和发送操作。指令解析模块将接收的数据进行解析，获取工作模式、控制参数、控温二极管的选择等信息。指令信息（工作模式、控制参数等）和反馈数据（测温数据）都准备好之后，送入当前要执行的工作模式的入口，产生输出电压，再将电压转换成SPWM波，用于控制H桥驱动电路中MOS管的关断，从而实现制冷机电机的驱动。除此之外，制冷控制软件中还包括一些辅助功能的模块，异步复位同步释放模块，用于提高复位信号的可靠性；时钟分频模块，用于产生各个模块需要的不同时钟信号；乘法器模块，用于所有模块中乘法运算；死区生成模块，用于生成SPWM波之间的死区时间，且死区时间根据实际需要可设置。

图3 数据流框图

（4）制冷控制软件需求差异性设计

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。目前国内外空间制冷机控温系统的控制算法仍然停留在传统PID控制算法上。相比于绝对式PID控制算法，增量式PID控制算法具有较小的运算量及较少的资源占用率，因此通用化制冷控制软件采用了增量式PID控制算法。由于制冷机及其控制系统为机、电、热、控一体化系统，其数学模型十分复杂，目前还未能确定，即使是同类型同厂家研制的制冷机，对应控温系统最佳控温性能下的PID控制器的控制参数也会不一样，一般都通过现场调试来确定。因此，控温参数不能通用化，针对不同的制冷机，需要对参数进行微调。

制冷压缩机电机的驱动效率直接影响着制冷机的制冷效率，而驱动效率主要由驱动电机工作的正弦波交流电压的频率决定。由于每台制冷机工作的交流电频率都不一样，一般在40Hz~60Hz范围内变化，因此制冷机的驱动频率不能通用化。在制冷控制软件中必须将制冷机的工作频率设为可设置参数，通过改变正弦波的频率来提高制冷效率，同时也能降低单机的功耗。

在不同型号以及不同的相机分系统中，每台制冷控制器对应的站地址、优先级各不一样，制冷控制器与管理控制器单机之间的通信波特率也会不一样，总线协议的内容包括数据包标识、站地址标识、指令标识也不相同，因此总线通信模块中的配置不能通用化，指令解析模块中的某些参数也不能通用化。总线通信的设置均通过配置总线控制器中的寄存器值来实现，因此可以将寄存器的值定义为常量，在进行制冷控制软件设计时根据用户的具体需求更改模块中的常量和参数。

每台制冷控制器的应用环境和工作的轨道各不一样，制冷控制器所要服务的对象也各不相同，包括红外探测器、中继光学设备或其他低温光学设备等，不同设备对目标温度的要求也都不一样，一般为70K~100K。由上分析可知，制冷控制软件中用作闭环计算的温度目标值不能进行通用化设计。同样可以将目标温度的AD值设置为常量，根据实际需求修改常量。

除了上述制冷控制软件差异性设计外，不同型号对制冷控制器输出驱动电压的变化率有特定的要求。制冷控制器上电之后运行初期，为了防止制冷机出现撞缸的现象，要求电压在一定时间内以固定的电压变化率增加到某一电压值。因此，这些参数均不能进行通用化设计，将此类参数均定义为常量，进行软件设计时，根据实际需求更改为满足需求的参数值。

3 通用化研制模式的实践

为了验证制冷控制软件通用化研制模式的可行性，在4台制冷控制器软件的研制中采用了软件通用化研制模式。在8个月的时间内实现了4套制冷控制软件的研制和验收交付工作。以往1套制冷控制软件研制周期从需求分析、设计、调试，到验收交付至少需要一年的时间，如今4套制冷控制软件从需求分析到交付仅用了一年不到的时间，且各项性能指标均优于设计要求。除此之外，软件通用化之后，新型号的制冷软件在第三方评测阶段仅需要做回归测试，极大的缩减了软件产品研制成本。软件通用化设计缩短了研制周期，取得了良好的效果，其可行性得到了很好的验证。

图4记录了4台制冷控制器上电后软件的运行情况。上电后，采集并存储温度反馈值，采样频率为1Hz，图4中横坐标为时间，纵坐标为测温二极管两端的电压经过模数转换之后的数字信号。图4中上面的图显示了制冷控制系统从常温环境开始的制冷效果，其中制冷控制器3和制冷控制器4有两个控温点；图4中下面的图显示了温度稳定后的温度误差曲线，控温精度在正负10个数字量范围（对应±0.05K的控温精度），控温精度高。从曲线图可以看出，制冷初期，控温曲线平滑、无超调、无振荡，系统响应快，切换控温点之后，系统的制冷过程仍然没有出现超调和振荡，并且很快又稳定在新的目标温度上。由此证明采用通用化研制模式设计的制冷控制软件实现了要求的功能和性能，可行性强。

（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

图4 温度曲线和温度误差曲线

Fig.4 The curves of temperature and error

4 结束语

本文分析了制冷控制系统产品研制所面临的问题，阐述了制冷控制软件通用化研究的必要性和可行性。通过总结机械制冷机类型及各自特点、制冷控制器组成及工作原理，梳理总线协议、总线接口、功能需求等技术状态，给出了通用化制冷控制软件的软件架构、模块划分。为适应不同用户需求，建立了软件可复用构件库，考虑了不同类型制冷机对控制软件的需求设计的差异性。利用通用化软件架构实现了4台制冷控制器软件的研制，软件功能和性能均满足用户需求，且大幅度缩短了研制周期、提高了研制效率、减少了研制成本，证明了软件通用化研制模式的可行性。尽管如此，在制冷控制软件的通用化、产品化研制过程中还有很多不足。通过测试发现，软件的工作流程可进一步简化，软件的工作模式仍可精炼。除此之外，采用产品化研制模式之后，制冷控制软件的研制重点从设计转到了测试，因此有必要对制冷控制软件的测试方法、测试设备的操作和常见问题进行总结。

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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

谢妮慧，女，1986年生，2012年获北京航空航天大学控制科学与工程专业硕士学位，高级工程师。研究方向为遥感相机机构运动控制、制冷控制等。E-mail：524857918@qq.com。

2019-12-30

谢妮慧, 汪瑜, 刘志宏. 制冷控制软件通用化关键技术研究[J]. 航天返回与遥感, 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)

（编辑：庞冰）