謝妮慧 汪瑜 劉志宏

制冷控制軟件通用化關(guān)鍵技術(shù)研究

謝妮慧 汪瑜 劉志宏

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

制冷控制器是用來驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)械制冷機(jī)的電子學(xué)產(chǎn)品，通過控制機(jī)械制冷機(jī)來保障探測(cè)器的工作溫度，使探測(cè)器獲得穩(wěn)定可靠的探測(cè)性能。隨著紅外探測(cè)技術(shù)以及低溫光學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，制冷控制器的需求逐年增多，另外伴隨著制冷技術(shù)的日趨成熟，制冷控制器的組成及功能需求相對(duì)固定，性能需求逐步收斂。在這一背景下進(jìn)行制冷控制軟件的通用化研究工作很有必要。通過對(duì)機(jī)械制冷機(jī)類型及其特點(diǎn)、制冷控制器的組成及工作原理以及制冷控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)有制冷控制軟件通信協(xié)議、總線接口等技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行梳理，給出了通用化制冷控制軟件的軟件架構(gòu)、模塊劃分。為適應(yīng)不同用戶需求，同時(shí)建立了軟件可復(fù)用構(gòu)件庫(kù)，考慮了不同類型制冷機(jī)對(duì)控制軟件的需求的差異性設(shè)計(jì)。利用通用化軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)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(jī)械制冷機(jī) 制冷控制器 制冷控制軟件 通用化 光學(xué)遙感器

0 引言

紅外光學(xué)遙感設(shè)備是遙感衛(wèi)星上的關(guān)鍵儀器，用于實(shí)現(xiàn)地球資源普查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源調(diào)查、氣象分析、天文觀測(cè)等工作[1]。紅外光學(xué)遙感設(shè)備中的核心部件——紅外探測(cè)元件大多采用HgCdTe、InSb、PtSi等紅外光子型半導(dǎo)體材料，這些紅外半導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生固有熱激發(fā)，導(dǎo)致大的暗電流和噪聲等問題[2-3]?？臻g制冷控制系統(tǒng)能為紅外探測(cè)器和其他光電器件提供可靠冷源，降低探測(cè)器的工作溫度，減少本底熱噪聲、屏蔽和排除視場(chǎng)外的熱干擾，從而提高探測(cè)精度和靈敏度，使探測(cè)器獲得穩(wěn)定可靠的探測(cè)性能[4]。

隨著紅外探測(cè)技術(shù)及低溫光學(xué)的持續(xù)發(fā)展，與紅外探測(cè)器配套的制冷控制類產(chǎn)品的需求逐年增多[5-6]，同時(shí)伴隨著制冷技術(shù)的日趨成熟，制冷控制類產(chǎn)品尤其是功能需求相對(duì)固定，性能需求逐步收斂。在這一背景下進(jìn)行制冷控制軟件的通用化研究工作很有必要。固化產(chǎn)品設(shè)計(jì)基線，逐步提升產(chǎn)品的成熟度，不但能夠提升產(chǎn)品開發(fā)與研制效率，減少重復(fù)開發(fā)，降低研制成本，還能形成產(chǎn)品質(zhì)量（quality）持續(xù)改進(jìn)的良性循環(huán)[7-8]。

1 通用化分析

1.1 必要性

以往各型號(hào)中使用的空間制冷控制系統(tǒng)雖然功能、實(shí)現(xiàn)方式大同小異，但是通用化程度低，導(dǎo)致軟件的研制存在重復(fù)開發(fā)、研制周期長(zhǎng)、耗費(fèi)費(fèi)人力物力等問題。隨著我國(guó)遙感技術(shù)和深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，制冷控制系統(tǒng)的研制任務(wù)數(shù)量呈指數(shù)式增長(zhǎng)，任務(wù)多、多型號(hào)并行研制、研制周期短、質(zhì)量要求高是近年來宇航型號(hào)任務(wù)的顯著特點(diǎn)[9]。除此之外，制冷機(jī)不斷朝著大功率、大冷量方向發(fā)展，制冷對(duì)象從單一的焦面到更多低溫光學(xué)、中繼光學(xué)等設(shè)備，制冷控制器的技術(shù)指標(biāo)也在不斷提高[10-11]，制冷控制軟件要適應(yīng)新形勢(shì)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

綜上所述，進(jìn)行制冷控制器及其軟件的通用化、產(chǎn)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(shè)計(jì)方法，固定軟件的基礎(chǔ)框架，建立可構(gòu)件可復(fù)用構(gòu)件庫(kù)，可以減少軟件的重復(fù)開發(fā)，增強(qiáng)軟件的通用性，使其能夠適應(yīng)不同型號(hào)任務(wù)的研制需求。一方面，有利于分離軟件技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品研制；另一方面，能夠減少人力資源的浪費(fèi)，保證型號(hào)的研制周期[12]。

1.2 可行性

歸納總結(jié)已交付型號(hào)以及在研型號(hào)中的制冷控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其功能、系統(tǒng)組成基本相同：

第一，制冷控制系統(tǒng)的組成基本相同。制冷控制系統(tǒng)一般包括機(jī)械制冷機(jī)、制冷控制器硬件及其軟件，且制冷控制系統(tǒng)的被控對(duì)象——壓縮機(jī)一般特性基本相同。

第二，制冷控制器的硬件電路設(shè)計(jì)逐步固定。一般包括制冷驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路、濾波電路、接口電路等，采用的溫度數(shù)據(jù)采集芯片及其電路設(shè)計(jì)一樣。

第三，軟件的工作流程（或工況）一樣。控制器上電開始進(jìn)行緩啟動(dòng)（保證要求的溫度變化率或電壓變化率），到達(dá)目標(biāo)溫度點(diǎn)附近之后，進(jìn)行精確的閉環(huán)控溫，最終將探測(cè)器的溫度控制在目標(biāo)溫度點(diǎn)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(qū)動(dòng)制冷機(jī)的壓縮機(jī)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生制冷量制冷，通常包括電壓開環(huán)、電壓閉環(huán)、溫度閉環(huán)和制冷關(guān)機(jī)等工作模式。

第五，采用的數(shù)字控制器算法一樣。目前型號(hào)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(biāo)要求，不同制冷控制系統(tǒng)的差別僅為PID控制器的控制參數(shù)不一樣。

由此可見，制冷控制器及其軟件可以實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)。

2 通用化思路

2.1 狀態(tài)梳理

（1）制冷機(jī)類型及其工作原理

機(jī)械制冷機(jī)由于其制冷量大、制冷溫度低、效率高、體積小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于空間紅外探測(cè)器和低溫光學(xué)系統(tǒng)的制冷控制中[13]。斯特林制冷機(jī)和脈管式制冷機(jī)是空間低溫制冷機(jī)中應(yīng)用最廣泛的兩種機(jī)械制冷機(jī)。斯特林制冷機(jī)通過氣體制冷工質(zhì)在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)（也稱冷指、冷端）中進(jìn)行逆向斯特林循環(huán)來實(shí)現(xiàn)制冷。脈管式制冷機(jī)相對(duì)于斯特林制冷機(jī)而言主要區(qū)別在于其冷指部分沒有類似膨脹機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(yīng)，回?zé)崞饔糜诜e累循環(huán)中所得的冷量，并傳遞給下一次循環(huán)的入流氣體，以提高制冷效率[14-15]。與斯特林制冷機(jī)相比，脈管式制冷機(jī)低溫部分沒有運(yùn)動(dòng)部件，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、可靠性高和運(yùn)行壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用[16]。

無論斯特林制冷機(jī)還是脈管式制冷機(jī)，其工作原理是一致的，均通過制冷控制器的功率輸出驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生冷量達(dá)到制冷的作用，因此對(duì)于制冷控制軟件而言，可不區(qū)分斯特林制冷機(jī)和脈管式制冷機(jī)，主要是以在某一電功率下提供多少冷量為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）制冷控制器組成及工作原理

制冷機(jī)控制器是用來驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)械式制冷機(jī)的電子學(xué)單機(jī)產(chǎn)品。制冷控制器本質(zhì)上是一臺(tái)具有自主控溫功能的將直流變交流的變換器[17]，它將衛(wèi)星直流母線電壓逆變?yōu)樘囟l率的正弦波交流電壓來驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)工作從而產(chǎn)生冷量進(jìn)行制冷，并根據(jù)采集到的溫度與設(shè)定目標(biāo)控溫點(diǎn)的偏差，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出正弦波電壓的幅值來驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)自主閉環(huán)控溫的目的，典型制冷控制系統(tǒng)各功能模塊組成如圖1所示。圖中SPWM即正弦脈寬調(diào)制。

圖1 制冷機(jī)控制器各功能模塊組成圖

制冷控制器的結(jié)構(gòu)決定了軟件的整體架構(gòu)，控制器總體結(jié)構(gòu)固定，因此制冷控制軟件的架構(gòu)固定。由于控制器組成、內(nèi)外部接口包括功率輸出接口、總線遙控遙測(cè)接口、測(cè)溫信號(hào)采集接口等相對(duì)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(jù)工作原理劃分為各個(gè)功能相互獨(dú)立的電路模塊，使得制冷控制軟件也可設(shè)計(jì)為功能獨(dú)立的軟件模塊。

（3）制冷控制系統(tǒng)功能需求

為了使所設(shè)計(jì)的通用化制冷控制器及其軟件能夠同時(shí)滿足多個(gè)型號(hào)的需求，對(duì)比分析了3臺(tái)制冷控制器及其軟件結(jié)構(gòu)，3臺(tái)制冷控制器涵蓋了所有的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)制冷機(jī)類型、制冷控制器的差異性分析如表1所示。同時(shí)3臺(tái)制冷控制器及軟件在功能需求、協(xié)議與軟件相關(guān)的硬件接口類別和數(shù)量上又是一致的，制冷控制軟件技術(shù)狀態(tài)如表2所示。

表1 三臺(tái)制冷控制器差異性

Tab.1 Differences between three controllers

注：①AD為模數(shù)轉(zhuǎn)換。

表2 制冷控制軟件技術(shù)狀態(tài)

Tab.2 Similarities between three controllers

對(duì)于制冷控制器及其軟件而言，可以不區(qū)分兩種制冷機(jī)類型，主要衡量標(biāo)準(zhǔn)為制冷控制器的輸出功率能力。制冷機(jī)功率的需求與焦面熱負(fù)載的熱容直接相關(guān)，還與探測(cè)器焦面尺寸、漏熱、熱端工作溫度相關(guān)。目前，隨著紅外焦平面熱耗提高，制冷機(jī)功率需求已從100W發(fā)展到250W。雖然不同制冷機(jī)的功率需求不盡相同，但是制冷控制器對(duì)制冷機(jī)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(xiàn)有制冷機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求。

制冷控制器的SPWM驅(qū)動(dòng)電路有兩種結(jié)構(gòu)。一種為不帶信號(hào)隔離與恢復(fù)功能的SWPM驅(qū)動(dòng)電路，制冷控制軟件直接輸出4路SPWM信號(hào)控制H橋驅(qū)動(dòng)電路的4個(gè)MOS管。另一種為帶信號(hào)隔離與恢復(fù)功能的SWPM驅(qū)動(dòng)電路，制冷控制軟件輸出2路窄脈沖信號(hào)SPWM+和SPWM-，兩路窄脈沖信號(hào)經(jīng)過一個(gè)SPWM信號(hào)恢復(fù)與邏輯保護(hù)電路之后生成一路SPWM波，輸出到H橋驅(qū)動(dòng)電路的某個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

測(cè)溫AD芯片的選擇由測(cè)溫精度決定，量化位數(shù)越多，測(cè)溫精度越高，針對(duì)不同的測(cè)溫精度要求，目前制冷控制器電路中存在兩種測(cè)溫AD芯片。對(duì)于制冷控制軟件而言，數(shù)據(jù)采集模塊（AD芯片的讀寫操作）被封裝成了一個(gè)獨(dú)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(shí)序決定了模塊的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，不同AD芯片的讀寫時(shí)序及管腳數(shù)量是不一樣的，但是輸出都是一樣的，即表示溫度的數(shù)據(jù)。制冷控制軟件的整體架構(gòu)不變，根據(jù)實(shí)際的情況選用不同的數(shù)據(jù)采集模塊。

制冷控制器通過內(nèi)部總線接口接收綜合電子的遙控指令并響應(yīng)指令。因?yàn)椴煌膽?yīng)用需求，目前內(nèi)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(diǎn)對(duì)多的全雙工通信接口。RS-485采用半雙工工作方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最多支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)；CAN總線的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀的有效數(shù)據(jù)為8個(gè)字節(jié)，最高通信速率在40m內(nèi)可達(dá)1Mbps。雖然每種總線物理層和數(shù)據(jù)層的協(xié)議各不一樣，操作方式也各不一樣，但是同數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)一樣，對(duì)于軟件來說總線通訊功能也可以封裝成獨(dú)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(shù)、工作模式等數(shù)據(jù)，因此制冷控制軟件的整體架構(gòu)依然不變。

2.2 制冷控制軟件總體方案設(shè)計(jì)

（1）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械制冷控制系統(tǒng)一般采用以單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）等微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，流程控制、算法都通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，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(tǒng)往往還存在外圍電路多、集成度低等問題[18-19]。與單片機(jī)或者DSP相比，F(xiàn)PGA是通過硬件來實(shí)現(xiàn)控制算法，且為并行處理邏輯，因此運(yùn)算速度快、可靠性高；除此之外，F(xiàn)PGA還具有體積小、集成度高、功耗低、設(shè)計(jì)電路靈活等特點(diǎn)。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(tǒng)[20-21]。

機(jī)械制冷機(jī)制冷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作原理為：利用恒流源為紅外探測(cè)器上的測(cè)溫二極管提供一個(gè)恒定電流，測(cè)溫二極管的阻值隨著溫度的變化而發(fā)生變化，測(cè)溫二極管兩端的電壓也隨之改變，采集測(cè)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(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量）。為避免制冷機(jī)在啟動(dòng)期間撞缸，制冷機(jī)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(jī)制冷到設(shè)定溫度點(diǎn)附近時(shí)，比較每一時(shí)刻的溫度反饋值()與目標(biāo)溫度值()，得到誤差值()，通過PID控制算法計(jì)算得到電機(jī)控制電壓，調(diào)節(jié)SPWM波控制驅(qū)動(dòng)電路的逆變電路，改變輸出功率值，驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度控溫的目的。

圖2 制冷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）模塊化設(shè)計(jì)及可復(fù)用構(gòu)件庫(kù)的建立

采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行通用化制冷控制軟件的研制。結(jié)合硬件的組成特點(diǎn)，按照功能對(duì)軟件總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，將軟件中功能獨(dú)立、完整、可以被明確辨識(shí)的構(gòu)成成份提取出來，設(shè)計(jì)成可復(fù)用軟件構(gòu)件模塊，供各個(gè)型號(hào)制冷控制軟件復(fù)用。接口的設(shè)計(jì)很重要，為了能適應(yīng)不同型號(hào)的需求，涉及到參數(shù)配置的，將參數(shù)直接設(shè)為接口或常量，提高構(gòu)件的通用化。例如溫度數(shù)據(jù)采集模塊、SPWM波驅(qū)動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)打包模塊、時(shí)鐘分頻模塊等。

通過對(duì)制冷控制軟件進(jìn)行任務(wù)需求分析，發(fā)現(xiàn)制冷控制軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括初始化總線控制器、解析遙控指令、響應(yīng)遙控指令及執(zhí)行各種工作模式的切換、輸出SPWM波、實(shí)現(xiàn)制冷控制系統(tǒng)的閉環(huán)控溫等。因此，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了4種構(gòu)件庫(kù)。

1）總線通訊構(gòu)件庫(kù)：CAN總線通訊構(gòu)件、485總線通訊構(gòu)件、三線通訊構(gòu)件、總線控制器初始化構(gòu)件、總線數(shù)據(jù)接收構(gòu)件、總線數(shù)據(jù)發(fā)送構(gòu)件、指令解析構(gòu)件、遙測(cè)數(shù)據(jù)打包構(gòu)件。

2）SPWM波驅(qū)動(dòng)構(gòu)件庫(kù)：正弦波生成構(gòu)件、三角載波生成構(gòu)件、死區(qū)實(shí)踐生成構(gòu)件、SPWM波輸出構(gòu)件。

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

4）溫度數(shù)據(jù)采集構(gòu)件庫(kù)：AD數(shù)據(jù)采集構(gòu)件、測(cè)溫元件切換構(gòu)件等。

基于模塊化和可復(fù)用構(gòu)件庫(kù)的制冷控制軟件設(shè)計(jì)方法，結(jié)合型號(hào)任務(wù)的具體需求，根據(jù)實(shí)際需求選用軟件構(gòu)件，通過參數(shù)配置和構(gòu)件組裝的方式來實(shí)現(xiàn)制冷控制軟件的研制。

（3）利用搭積木方式來構(gòu)件制冷控制軟件

根據(jù)型號(hào)任務(wù)的實(shí)際需求篩選、組合軟件模塊，在頂層模塊中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行元件例化，各個(gè)模塊之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，模塊調(diào)用關(guān)系和數(shù)據(jù)流如圖3所示。測(cè)溫二極管兩端的電壓值隨著溫度的變化而發(fā)生變化，電壓值經(jīng)過AD模塊之后變成數(shù)字量，便于計(jì)算。綜合電子與制冷控制器之間采用CAN總線進(jìn)行通信，總線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)總線控制器芯片的初始化、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送操作。指令解析模塊將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取工作模式、控制參數(shù)、控溫二極管的選擇等信息。指令信息（工作模式、控制參數(shù)等）和反饋數(shù)據(jù)（測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)）都準(zhǔn)備好之后，送入當(dāng)前要執(zhí)行的工作模式的入口，產(chǎn)生輸出電壓，再將電壓轉(zhuǎn)換成SPWM波，用于控制H橋驅(qū)動(dòng)電路中MOS管的關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。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(fù)位同步釋放模塊，用于提高復(fù)位信號(hào)的可靠性；時(shí)鐘分頻模塊，用于產(chǎn)生各個(gè)模塊需要的不同時(shí)鐘信號(hào)；乘法器模塊，用于所有模塊中乘法運(yùn)算；死區(qū)生成模塊，用于生成SPWM波之間的死區(qū)時(shí)間，且死區(qū)時(shí)間根據(jù)實(shí)際需要可設(shè)置。

圖3 數(shù)據(jù)流框圖

（4）制冷控制軟件需求差異性設(shè)計(jì)

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。目前國(guó)內(nèi)外空間制冷機(jī)控溫系統(tǒng)的控制算法仍然停留在傳統(tǒng)PID控制算法上。相比于絕對(duì)式PID控制算法，增量式PID控制算法具有較小的運(yùn)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(jī)及其控制系統(tǒng)為機(jī)、電、熱、控一體化系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，目前還未能確定，即使是同類型同廠家研制的制冷機(jī)，對(duì)應(yīng)控溫系統(tǒng)最佳控溫性能下的PID控制器的控制參數(shù)也會(huì)不一樣，一般都通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定。因此，控溫參數(shù)不能通用化，針對(duì)不同的制冷機(jī)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

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

在不同型號(hào)以及不同的相機(jī)分系統(tǒng)中，每臺(tái)制冷控制器對(duì)應(yīng)的站地址、優(yōu)先級(jí)各不一樣，制冷控制器與管理控制器單機(jī)之間的通信波特率也會(huì)不一樣，總線協(xié)議的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)、站地址標(biāo)識(shí)、指令標(biāo)識(shí)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(shù)也不能通用化。總線通信的設(shè)置均通過配置總線控制器中的寄存器值來實(shí)現(xiàn)，因此可以將寄存器的值定義為常量，在進(jìn)行制冷控制軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)用戶的具體需求更改模塊中的常量和參數(shù)。

每臺(tái)制冷控制器的應(yīng)用環(huán)境和工作的軌道各不一樣，制冷控制器所要服務(wù)的對(duì)象也各不相同，包括紅外探測(cè)器、中繼光學(xué)設(shè)備或其他低溫光學(xué)設(shè)備等，不同設(shè)備對(duì)目標(biāo)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(huán)計(jì)算的溫度目標(biāo)值不能進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)。同樣可以將目標(biāo)溫度的AD值設(shè)置為常量，根據(jù)實(shí)際需求修改常量。

除了上述制冷控制軟件差異性設(shè)計(jì)外，不同型號(hào)對(duì)制冷控制器輸出驅(qū)動(dòng)電壓的變化率有特定的要求。制冷控制器上電之后運(yùn)行初期，為了防止制冷機(jī)出現(xiàn)撞缸的現(xiàn)象，要求電壓在一定時(shí)間內(nèi)以固定的電壓變化率增加到某一電壓值。因此，這些參數(shù)均不能進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，將此類參數(shù)均定義為常量，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求更改為滿足需求的參數(shù)值。

3 通用化研制模式的實(shí)踐

為了驗(yàn)證制冷控制軟件通用化研制模式的可行性，在4臺(tái)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(gè)月的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4套制冷控制軟件的研制和驗(yàn)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(shè)計(jì)、調(diào)試，到驗(yàn)收交付至少需要一年的時(shí)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(shí)間，且各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。除此之外，軟件通用化之后，新型號(hào)的制冷軟件在第三方評(píng)測(cè)階段僅需要做回歸測(cè)試，極大的縮減了軟件產(chǎn)品研制成本。軟件通用化設(shè)計(jì)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(yàn)證。

圖4記錄了4臺(tái)制冷控制器上電后軟件的運(yùn)行情況。上電后，采集并存儲(chǔ)溫度反饋值，采樣頻率為1Hz，圖4中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為測(cè)溫二極管兩端的電壓經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)。圖4中上面的圖顯示了制冷控制系統(tǒng)從常溫環(huán)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(gè)控溫點(diǎn)；圖4中下面的圖顯示了溫度穩(wěn)定后的溫度誤差曲線，控溫精度在正負(fù)10個(gè)數(shù)字量范圍（對(duì)應(yīng)±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(diào)、無振蕩，系統(tǒng)響應(yīng)快，切換控溫點(diǎn)之后，系統(tǒng)的制冷過程仍然沒有出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，并且很快又穩(wěn)定在新的目標(biāo)溫度上。由此證明采用通用化研制模式設(shè)計(jì)的制冷控制軟件實(shí)現(xiàn)了要求的功能和性能，可行性強(qiáng)。

（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(jié)束語

本文分析了制冷控制系統(tǒng)產(chǎn)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(jié)機(jī)械制冷機(jī)類型及各自特點(diǎn)、制冷控制器組成及工作原理，梳理總線協(xié)議、總線接口、功能需求等技術(shù)狀態(tài)，給出了通用化制冷控制軟件的軟件架構(gòu)、模塊劃分。為適應(yīng)不同用戶需求，建立了軟件可復(fù)用構(gòu)件庫(kù)，考慮了不同類型制冷機(jī)對(duì)控制軟件的需求設(shè)計(jì)的差異性。利用通用化軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)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(chǎn)品化研制過程中還有很多不足。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，軟件的工作流程可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，軟件的工作模式仍可精煉。除此之外，采用產(chǎn)品化研制模式之后，制冷控制軟件的研制重點(diǎn)從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到了測(cè)試，因此有必要對(duì)制冷控制軟件的測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備的操作和常見問題進(jìn)行總結(jié)。

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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(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感相機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)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）