小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案

汪瑜 郝中洋 刘成

小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案

汪瑜 郝中洋 刘成

（北京空间机电研究所，北京 100094）

卫星质量决定发射成本，卫星质量越大发射成本越高，同时结合低制造成本需求，小型化遥感产品的研制变得越来越迫切。作为遥感相机的组成部分，制冷控制器也同样面临着减重降本的小型化压力。文章从制冷控制器驱动电路着手，设计两线制正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）驱动优化方案，硬件上相较于传统的四线制驱动，采用SPWM信号复用方法，将四套信号处理电路缩减至两套，节约了一半的电路设计，起到了减重降本作用；软件上在四线制SPWM波形输出的基础上做设计优化，输出同等驱动分辨率的两线制SPWM信号，即满足硬件电路设计需求，又保证了制冷控制器的控温精度。该方案通过原理分析、仿真验证、实物测试、效果对比，结果表明该方案在保证控温性能不变的同时，优化设计、减重降本，是一种可行的小型化设计方法。

制冷控制器 小型化 低成本 驱动电路 软硬件优化 遥感相机

0 引言

过去几十年内，大容量、多功能、长寿命、高性能的大型卫星一直是航天领域的主流产品，然而大型卫星无法避免设计成本高、质量体积大、发射费用贵等问题。体积小、质量小、高性能的卫星，既可以降低设计制造成本，又可以利用轻型火箭或是一箭多星发射以降低发射成本。因此性能高效、减重降本、方便灵活的小型化遥感卫星成为了研究热点[1-3]。

近几年，国外不断发展高性价比卫星，从结构轻量化、电路集成化、模块通用化等方面着手发展小型化低成本卫星。美国光谱航天公司创新制造的100 kg级小型卫星，在轨运行高效；英国萨瑞大学开发的50 kg级微小卫星通用化平台已在世界范围内广泛应用；日本宇宙开发事业团正在利用电子设备高度集成组件技术制造50 kg级立方体卫星。

国内航天领域针对小型化、轻型化卫星也在积极进行技术转型，从电源升级、结构与热控分系统简化、电路集成与产品化等多个方面为卫星“减肥”，同时保证在轨功能性能优异。未来，设备芯片化也将是小型化卫星热点研究方向。

目前，卫星内部单机仍存在设计粗犷、电路冗余度高的问题，电路简化是小型化设计的最快速途径。本文从遥感相机制冷控制器驱动电路优化入手，设计低质量、低成本、“含金量”不减的小型化控制器。基于高轨磁隔离的驱动设计方案与制冷软件通用化设计等研究[4-6]，设计了驱动信号复用新思路以实现驱动电路简化[7]，同时软件优化形成两线制驱动信号输出，在保证制冷控制器高精度控温性能不变的前提下，实现了遥感相机控制器减重降本的创新目标。

1 制冷控制器驱动优化方案

制冷控制的驱动优化从两方面入手，硬件简化与软件配合优化。当前制冷控制器大多采用四线制驱动方案，涉及到四路正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）信号，每条信号对应一套信号处理电路，总共需要四套相同的处理电路[8]，该方案的优势在于功耗小，适合于驱动大功率制冷机，但存在电路冗余度高的问题。基于产品减重降本的需要以及小功率制冷机的使用率骤升，硬件简化设计实现SPWM信号复用，形成两线制驱动方案，该方案实现信号处理电路减半，缺点是功耗相对较大，但能够完全满足小功率制冷机需求。配合硬件电路简化，软件在四线制基础上做配合优化，保证驱动分辨率不变，最终控温精度没有损失。

1.1 硬件电路简化方案

制冷控制器驱动制冷机负载是基于H桥电路[9]。H桥是一个比较简单的电路，它包含四个独立控制的同种类开关元器件，如金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS-FET），通常用于驱动电流较大的负载[10-11]，目前大部分制冷驱动输出采用四线制H桥驱动方法[12]，如图1所示。

图1中的两组MOSFET（MOS1，MOS4）和（MOS2，MOS3）以正弦调制波正负半轴为界限完成轮流导通，在调制波正半轴实现MOS1、MOS4导通的电流正向驱动以及MOS2、MOS4导通的电荷泄放；在调制波负半轴实现MOS2、MOS3导通的电流逆向驱动以及MOS2、MOS4导通的电荷泄放。以此方式实现电机电流方向的逆变，实现对制冷机的交流控制[13]。

图1 四线制H桥驱动方式

对于制冷控制器来说，从控制板主控芯片输出的SPWM信号到驱动板控制MOS管的开关，驱动电路做了一系列的信号处理。首先为适应高轨道需求，对制冷机的驱动信号做磁隔离处理[14]，满足抗辐射需求，所以控制板输出四路驱动信号的窄脉冲形式[15-16]，经过磁隔离电路输入到驱动板，驱动板上的窄脉冲恢复电路完成脉冲信号到电平信号的转变，然后经过SPWM信号逻辑保护电路以避免SPWM信号异常时出现功率H桥单侧桥臂直通的现象。最后恢复后的经逻辑保护的SPWM驱动信号输出到H桥，完成对制冷机的驱动[17]。

从硬件上来说，四线制H桥驱动需要四套相同的处理电路（磁隔离电路、窄脉冲恢复电路、SPWM信号逻辑保护电路），设计冗余。以信号复用为切入点优化设计，提出两线制H桥驱动电路，那么就只需要两套相同的处理电路，降低了制作成本，也给布局布线、制板、单机质量减轻了压力。H桥输入的信号发生了变化，由四线制的四路SPWM信号优化到两路信号复用，如图2所示。

图2 四线制与两线制SPWM信号处理

图2（b）显示两线制驱动的SPWM信号复用，完成了信号处理电路套数减半，实现了硬件电路的简化设计。

1.2 软件驱动信号改进方案

为配合硬件驱动电路的简化设计，软件需做相应改进，将输出四路驱动信号优化为两路信号，促成方案可行。

数字化制冷SPWM驱动信号的生成由载波生成器、调制波生成器、比较器、窄脉冲生成（磁隔离电路专用）完成，通过比较器得出SPWM波形，比较公式如表1、2所示。四线制驱动输出四路SPWM信号，驱动H桥中制冷机负载。两线制SPWM驱动的设计，只需要输出两路SPWM信号并在H桥中复用，就可以完成制冷机负载的电流逆变驱动。

表1 四线制SPWM信号生成

Tab.1 Four-wire SPWM signal generation formula table

表2 两线制SPWM信号生成

Tab.2 Two-wire SPWM signal generation formula table

由于制冷控制器的整体控温性能要求，输出电压的分辨率必须保持不变，这是软件优化的首要问题[20-21]。为保证输出电压分辨率保持不变，本文设计牺牲载波频率保证驱动分辨率的实现方案[22]。相较于四线制驱动，两线制驱动将载波幅值增加至原来的两倍，那么频率即降低至原来的一半，同时正弦调制波频率保持不变，调制波全周期增加一个原载波幅值，最大幅值可至原载波幅值的两倍，这样保证了单机对于输出电压分辨率不变的实际要求。

主控芯片生成四线制驱动信号，电机驱动功率大小由SPWM的占空比决定[18-19]，当占空比为零时，电机驱动功率为零。两线制驱动则不同，电机驱动功率大小仍是由SPWM的占空比决定，当占空比为50%时，电机驱动功率才为零。两种制式驱动波形的生成如图3所示。

配合硬件简化方案，两线制驱动设计SPWM信号复用，即输出两路信号即可。图3显示，以20 MHz的主时钟频率为例，四线制驱动载波频率为40 kHz，在确保负载适用的前提下两线制驱动载波频率牺牲到了20 kHz，保证了两种制式的电压驱动分辨率没有发生变化，制冷控制器的控温精度不会下降。

图3 四线制与两线波形生成对比图

2 优化设计实现与实际效果

2.1 驱动电路硬件优化设计

驱动电路板工作在+12 V电源下，实际工作电流小于30 mA，功能包括制冷压缩机负载和驱动电路主备交叉的切换控制、制冷机驱动电压和驱动电流检测、接收SPWM控制信号驱动H桥，输出标准的正弦波功率驱动信号。本文两线制驱动优化的部分是接收SPWM控制信号驱动H桥，输出标准的正弦波功率驱动信号两个功能模块，该部分的电路设计如图4所示。

图4 SPWM信号处理

图4显示，两个需优化的功能模块包括三部分电路，分别是SPWM控制信号接口电路、SPWM信号恢复与逻辑保护电路。

SPWM磁隔离部分电路（接口电路）[23]是为了适应高轨运行的航天器，功率驱动电路需采取隔离措施接收控制板传来的SPWM信号。选用M-MB2A/K型窄脉冲变压器实现信号的隔离传输。

SPWM信号恢复电路为配合磁隔离驱动的窄脉冲设计和H桥驱动的要求，需设计SPWM信号恢复电路，采用CD40106芯片和复位置位（Reset-Set，RS）触发器将两组窄脉冲恢复成输出给H桥的SPWM电平信号。

SPWM信号逻辑保护电路为了避免SPWM信号异常时出现H桥单侧桥臂直通的风险，桥臂控制信号SPWM1和SPWM2在接入H桥驱动前，还采取了保护逻辑设计措施，该逻辑采用CD4081芯片，可以使得SPWM1和SPWM2信号不会同时为高，从硬件上彻底规避H桥单侧桥臂直通烧毁的风险。

也就是说，四线制的SPWM驱动需要四套以上电路的组合，而两线制的只需要两套，做了减半优化，起到了降低设计、制作成本和控制器减重的效果。

2.2 驱动信号软件优化设计

主控芯片采用反熔丝FPGA器件A54SX72A-1CQ208B，主时钟频率20 MHz，使用VHDL硬件描述语言完成信号的优化设计。

2.2.1 四线制驱动信号生成

采用等腰三角形为载波，如式（1）所示，生成方法如图5。

式中 为时钟周期，为载波频率。

以查找表的形式生成调制波，首先生成标准正弦波，其次将标准正弦波与设定的幅值实时相乘，最终形成调制波信号。

步骤一：采用查找表[5-6]的方式生成标准全正向正弦波，由标志位Sinpn_o来标识正弦波的正负半轴，当Sinpn_o为高电平时代表正弦波正半轴波形；Sinpn_o为低电平时则代表正弦波负半轴波形，以此来确定H桥的正向驱动或是反向驱动。

步骤二：实时地将标准正弦波与其他模块输入的设定幅值进行相乘，得到不同幅值的调制波。调制波的幅值最大值须与载波的幅值一致，也就是当调制波幅值为250时，此时的SPWM占空比接近为100%。具体原理如图5所示。

图5中调制波幅值最大可至250，调制波的采样时间由时钟下的计数器值确定，其计算方法如式（2）

最后通过比较器，按照表1，最终生成四线制SPWM波形。

2.2.2 两线制驱动信号生成

调制波生成在四线制的基础上，完成全周期叠加固定值的操作，该固定值为原载波幅值250，以此完成调制波的静态偏置，实现调制波幅值为零时正向驱动与反向驱动时间比为1:1（50%占空比）的两线制驱动要求。两种驱动制式生成的SPWM波形如图6所示。

图6显示了两种制式下的SPWM波形生成方式，通过比较器，按照表1，生成四线制SPWM波形；按照表2，最终生成两线制SPWM波形。

两线制驱动信号的生成仿真结果如图7所示。

图7 两线制SPMW信号仿真图

2.3 实际电路驱动效果与控温精度

本文的驱动优化方案由实际驱动电路进行确认验证，驱动电路板接收来自控制板的不同制式SPWM驱动波形，通过信号处理后驱动制冷机，对比最终控温性能并得出结论。四线制驱动实测波形如图8所示。

图8 四线制驱动信号示波器图形

电机两侧测试点的波形分别为两个“馒头波”，最终驱动信号合成后形成为正弦波。“馒头波”的波形缺点，由于驱动分辨率和器件切换的影响，最终的正弦波在相位转换的瞬间会形成波形畸变，随着驱动功率的增大，畸变减小。优势在于相较于两线制驱动，功耗较小，适用于大功率负载。

两线制驱动波形实测如图9所示。

图9 两线制驱动信号示波器图形

电机两侧测试点的波形分别为两个正弦波，最终驱动信号合成后形成为正弦波。该正弦波在相位转换的瞬间无波形畸变，驱动效果好。劣势在于相较于四线制驱动，功耗较大，适用于小功率负载。

两种不同驱动制式下的控温精度对比如图10所示，两种驱动方式的控温精度都在±2LSB，1个LSB表示1个温度数据码值。

图10 两种驱动方式的控温精度对比

通过两种制式的驱动波形实测与控温精度分析，两线制驱动优化在保证了控温精度的基础上完成了硬件电路小型化处理。两种制式的选择取决于使用时的权衡考虑，对于小型化制冷控制器和小功率负载来说，在高控温性能和减重降本需求下，两线制驱动优化方案为首选。

3 结束语

随着小型化遥感产品的需求越来越迫切，作为遥感相机一部分的制冷控制器也同样面临着减重降本的压力。本文从制冷控制器驱动电路小型化入手，基于硬件去冗余度原则，设计电路复用简化和软件信号优化，在不影响控制器功能性能的基础上实现低成本两线制SPWM驱动方案。此方案降低了制冷控制器硬件电路设计、制造成本，满足了单机减重降本的要求；同时通过控制器调试结果可看出，驱动方式的优化能够保证电路驱动输出分辨率不变，并不影响高控温精度的实现。

该方案已通过仿真验证、实际电路实现，实验结果证明其可行，可适用于小型化需求、成本可控、高性能要求、小功率负载的星载温度控制器。未来在保证功能的前提下，通过时钟提速，可以提升同等频率的载波幅值，从而提高驱动输出电压分辨率，继而进一步低成本地优化控制器的控温精度。

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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年获得北京交通大学电子与通信工程硕士学位，高级工程师。主要研究方向为遥感相机制冷控制器软件设计。E-mail：18811446997@sina.cn。

2022-07-21

中国空间技术研究院杰出青年人才基金（B2YG1446）

汪瑜,郝中洋,刘成. 小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案[J]. 航天返回与遥感, 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)

（编辑：庞冰）