田 園，李寅龍，謝妮慧，史翠紅，翟耘萱，劉 成

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

空間制冷控制系統(tǒng)一般由制冷機(jī)、測(cè)溫裝置、控制器等組成，通過(guò)控制器控制制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的輸出頻率可使系統(tǒng)提供符合要求的溫度環(huán)境。在紅外光學(xué)遙感領(lǐng)域，配有大功率空間低溫斯特林制冷機(jī)的空間制冷控制系統(tǒng)[1-4]的應(yīng)用日趨普遍：系統(tǒng)可為紅外探測(cè)器和其他光電器件等被控對(duì)象提供可靠冷源，降低被控對(duì)象的工作溫度，減少熱噪聲，屏蔽和排除視場(chǎng)外的熱干擾，從而保證被控對(duì)象的工作穩(wěn)定和可靠性。同時(shí)，受到制冷機(jī)大功率驅(qū)動(dòng)的影響，空間制冷控制系統(tǒng)的工況也變得更加復(fù)雜。目前針對(duì)空間制冷控制系統(tǒng)在軌期間的制冷控制已多有研究：為了應(yīng)對(duì)大功率斯特林制冷機(jī)產(chǎn)生不平穩(wěn)大超調(diào)的啟動(dòng)電流，李文然提出一種具有啟動(dòng)電流反饋功能的緩啟動(dòng)方式，可使啟動(dòng)電流均勻平穩(wěn)無(wú)超調(diào)，啟動(dòng)電流峰值抑制約50%[5]；陳國(guó)邦等提出在使用大功率斯特林制冷機(jī)的制冷控制系統(tǒng)中采用光耦隔離的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[6]，但是在高軌道環(huán)境下的光輻照條件不太理想，一部分載流子使用期縮短引起光通量變小，從而導(dǎo)致光電耦合器件的發(fā)光源性能明顯下降，也進(jìn)一步影響了光電轉(zhuǎn)換效率；Mungan[7]采用有符號(hào)的全周期正弦波作為調(diào)制波生成SPWM（正弦脈寬調(diào)制）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該方法需要將完整正弦波的離散化采樣點(diǎn)存儲(chǔ)到片外的EEPROM 中，使用時(shí)通過(guò)設(shè)定的存儲(chǔ)器地址讀取需要的正弦值，因此FPGA 資源占用率高且對(duì)于驅(qū)動(dòng)電壓輸出頻率的設(shè)計(jì)仍采用傳統(tǒng)方式；TAI[8]在線性斯特林制冷機(jī)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)SPWM 波生成方法、逆變電路中MCU 時(shí)鐘頻率及濾波電路中截止頻率、電容和電感等多個(gè)參數(shù)的分析，得到了開關(guān)數(shù)和頻率精度之間的關(guān)系。截至目前，以上及相關(guān)研究都是建立在制冷機(jī)在軌期間以固定頻率輸出驅(qū)動(dòng)電壓的基礎(chǔ)上，而該傳統(tǒng)模式已無(wú)法滿足復(fù)雜工況下的制冷需求，因此迫切需要設(shè)計(jì)一種在軌實(shí)時(shí)變換制冷控制器驅(qū)動(dòng)電壓輸出頻率的方案。

針對(duì)某型號(hào)任務(wù)空間大功率斯特林制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌變頻以及頻率精度需滿足0.1 Hz 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本文提出控制器FPGA 的選取和軟件設(shè)計(jì)方案，將在軌變頻的目標(biāo)功能分解為自動(dòng)變頻和指令變頻兩種工作模式，并實(shí)現(xiàn)兩種模式的交互，最后對(duì)該方案進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 控制器FPGA 工作原理

空間制冷控制器FPGA 的軟件主要由制冷工作模式模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和遙控遙測(cè)模塊3 部分構(gòu)成，其工作原理如圖1 所示。

圖1 空間制冷控制器FPGA 軟件工作原理Fig.1 Working principle of FPGA software of space refrigeration controller

制冷工作模式模塊有上電緩啟、溫度閉環(huán)和電壓開環(huán)3 種工作模式。上電緩啟即按照一定緩啟方式讓驅(qū)動(dòng)電壓從0 緩慢增大到目標(biāo)值。溫度閉環(huán)是以特定溫度作為目標(biāo)值，AD 采集的實(shí)時(shí)溫度作為反饋值，做PID 閉環(huán)控制。將工作模式切換到溫度閉環(huán)的方式有2 種：在上電緩啟過(guò)程中，當(dāng)反饋溫度進(jìn)入精測(cè)區(qū)時(shí)，工作模式自動(dòng)切換到溫度閉環(huán)；或者通過(guò)發(fā)送指令直接進(jìn)入溫度閉環(huán)工作模式。電壓開環(huán)是通過(guò)發(fā)送指令使工作模式模塊一直以某一固定電壓值輸出，直到工作模式被切換或電壓開環(huán)的目標(biāo)值被改變。以上3 種工作模式都會(huì)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓給驅(qū)動(dòng)模塊。

驅(qū)動(dòng)模塊將驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成4 路SPWM 波輸出給H 橋的4 個(gè)橋臂，通過(guò)控制這4 個(gè)橋臂的通斷即可實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。該轉(zhuǎn)換過(guò)程為：基于查找表（LUT）法生成1/4 周期復(fù)用的正弦調(diào)制波，將等腰三角波作為載波與其進(jìn)行比較，在2 個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻，通過(guò)控制4 路SPWM 波的高/低電平實(shí)現(xiàn)對(duì)H 橋4 個(gè)橋臂的通斷控制。

遙控遙測(cè)模塊是實(shí)現(xiàn)FPGA 與綜合電子通信的模塊。FPGA 一方面接收由綜合電子通過(guò)CAN總線下發(fā)的工作模式、正弦調(diào)制波頻率、遙測(cè)輪詢等遙控指令，并對(duì)指令進(jìn)行解析和執(zhí)行；另一方面，F(xiàn)PGA 也會(huì)通過(guò)CAN 總線把表征制冷控制器工作狀態(tài)的遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給綜合電子。

空間大功率斯特林空間制冷系統(tǒng)在軌運(yùn)行期間，若可以通過(guò)發(fā)送遙控指令的方式對(duì)輸出SPWM波的頻率進(jìn)行變頻設(shè)置，則可以改變制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，從而滿足更為復(fù)雜工況下的制冷需求。

2 FPGA 的選用

制冷控制器在軌中長(zhǎng)時(shí)間加電運(yùn)行，受空間環(huán)境高能帶電粒子輻射的影響，基于SRAM 技術(shù)的FPGA 的LUT 存儲(chǔ)單元可能會(huì)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）而導(dǎo)致邏輯功能紊亂。為此，國(guó)外從20 世紀(jì)70 年代末就展開了大量相關(guān)研究，其中：Srinivas 等對(duì)SRAM 型FPGA 的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)提出一種基于FPGA 布局布線的可靠性設(shè)計(jì)方法[9]；Hall 等進(jìn)一步研究了FPGA 的局部重配置技術(shù)[10]；Vijay 等提出了宇航級(jí)反熔絲型FPGA 的加固設(shè)計(jì)措施，如設(shè)計(jì)采用多重冗余可靠性手段，將時(shí)序觸發(fā)替換為組合觸發(fā)等[11]。相比基于鎖存器原理的SRAM 型FPGA，反熔絲型FPGA 由于其存儲(chǔ)原理完全不同而很難發(fā)生通過(guò)簡(jiǎn)單的電離輻射改寫邏輯單元的情況，從而具有較好的抗單粒子鎖定和翻轉(zhuǎn)的能力。此外，應(yīng)用三模冗余、時(shí)間冗余，以及錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固方法，也可解決電子元器件發(fā)生SEU 的問(wèn)題。

基于以上考慮，最終選用ACTEL 公司的反熔絲型FPGA（A54SX72A-1CQ208B）。然而其并非對(duì)SEU 免疫，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在SEU 敏感部位。為此，在FPGA 軟件中設(shè)定了對(duì)工作模式數(shù)據(jù)及溫度目標(biāo)值進(jìn)行三模冗余處理，以進(jìn)一步提高制冷系統(tǒng)的可靠性。

3 指令變頻和自動(dòng)變頻的FPGA 實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要，基于FPGA 的工作原理，設(shè)計(jì)采用發(fā)送遙控指令的方式實(shí)現(xiàn)空間制冷控制器在軌變換SPWM 波頻率的功能，并將其分解為自動(dòng)變頻和指令變頻2 種工作模式。設(shè)計(jì)思路為：基于沖量等效原理，在正弦調(diào)制波和三角載波的自然交點(diǎn)時(shí)刻，通過(guò)比較2 種波的數(shù)值大小，控制H 橋4 個(gè)橋臂的通斷，生成SPWM 波；然后應(yīng)用迭代除法分別實(shí)現(xiàn)頻率精度1 Hz 和0.1 Hz 的指令變頻，通過(guò)狀態(tài)機(jī)2 種狀態(tài)交替轉(zhuǎn)移的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻。

指令變頻模式和自動(dòng)變頻模式都是以發(fā)送遙控指令給FPGA 的方式實(shí)現(xiàn)，二者的區(qū)別在于通過(guò)指令發(fā)送的關(guān)鍵信息不同：指令變頻模式下，發(fā)送的是模式標(biāo)記和指令碼值；自動(dòng)變頻模式下，發(fā)送的是模式標(biāo)記，自動(dòng)變頻區(qū)間上、下限，以及步長(zhǎng)。這些關(guān)鍵信息都作為輸入信號(hào)給到變頻模塊，表征當(dāng)前頻率的遙測(cè)數(shù)據(jù)作為輸出信號(hào)被最終顯示在單檢臺(tái)上。變頻模塊的輸入輸出接口如表1 所示，其中，所有接口的類型都是Std-logic。

表1 變頻模塊輸入輸出信號(hào)接口Table 1 Input and output signal interfaces of frequency conversion modules

本文中FPGA 軟件所采用的時(shí)鐘周期為20 MHz（50 ns），正弦調(diào)制波采用查找表法和1/4 正弦周期復(fù)用的方式生成[12-14]，且每1/4 周期的點(diǎn)數(shù)為25 個(gè)，基于以上參數(shù)設(shè)置SPWM 波的頻率為

式中：A為頻率常數(shù)，它與頻率是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系（如表2 所示）；25×4 為一個(gè)完整正弦周期的點(diǎn)數(shù)。

表2 頻率和頻率常數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between frequency and frequency constant

3.1 指令變頻的FPGA 實(shí)現(xiàn)

指令變頻模式下，通過(guò)遙控指令發(fā)送模式標(biāo)記和頻率數(shù)值給FPGA，以便其按照該頻率輸出SPWM 波。

當(dāng)正弦調(diào)制波的頻率精度為1 Hz 時(shí)，設(shè)C為頻率基數(shù)，M為指令碼值，則A和C之間的關(guān)系為

通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)腃值，可使M與頻率數(shù)值相等，例如：要將SPWM 波輸出頻率設(shè)置為80 Hz，則需在上位機(jī)發(fā)送碼值為80 的指令字。這樣的設(shè)計(jì)所見即所得，可以極大簡(jiǎn)化實(shí)際操作?；谠撛O(shè)計(jì)思路，將式(2)的M替換為當(dāng)前頻率Fre，即A=C/Fre，代入式(1)，可得 SPWM 波當(dāng)前頻率Fre 和對(duì)應(yīng)的頻率基數(shù)C之間的關(guān)系

可計(jì)算得出C=200000。該數(shù)值的大小與FPGA 時(shí)鐘周期和正弦調(diào)制波1/4 周期的點(diǎn)數(shù)相關(guān)。

當(dāng)正弦調(diào)制波的頻率精度為0.1 Hz 時(shí)，將式(2)代入式(1)得

根據(jù)式(1)，當(dāng)Fre 為75 Hz 時(shí)，頻率常數(shù)A為2666。當(dāng)選取頻率基數(shù)C為26660 時(shí)，根據(jù)式(4)可得M和Fre 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3 所示，可知：頻率的精度約為7.51 Hz，遠(yuǎn)大于要求的頻率精度0.1 Hz。因此，當(dāng)C=26660 時(shí)，不能滿足精度要求，需繼續(xù)增加頻率基數(shù)位數(shù)。

表3 頻率基數(shù)為26 660 時(shí)，指令碼值和頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Correspondence between instruction code values and frequencies when the frequency base is 26 660

選取頻率基數(shù)C為266600，此時(shí)M與Fre 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4 所示，可知：頻率的精度約為0.79 Hz，仍大于要求的頻率精度0.1 Hz。因此，當(dāng)C=266600時(shí)，不能滿足精度要求，仍需要繼續(xù)增加頻率基數(shù)位數(shù)。

表4 頻率基數(shù)為266 600 時(shí)，指令碼值和頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 4 Correspondence between instruction code values and frequencies when the frequency base is 266 600

選取頻率基數(shù)C為2666000，此時(shí)M與Fre的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5 所示，可知：頻率的精度在0.07～0.09 Hz 之間，小于要求的頻率精度0.1 Hz，可以滿足精度要求。

表5 頻率基數(shù)為2 666 000 時(shí)，指令碼值和頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 5 Correspondence between instruction code values and frequencies when the frequency base is 2 666 000

正弦調(diào)制波是由1/4 周期曲線復(fù)用得到的，本文中正弦調(diào)制波的1/4 周期點(diǎn)數(shù)為25，其分布如圖2 所示，其中，兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為C/M個(gè)時(shí)鐘周期。由表5 可知，當(dāng)C=2 666 000、M=1000 時(shí)，正弦調(diào)制波的頻率為75 Hz，可以滿足精度要求。

圖2 正弦調(diào)制波1/4 周期點(diǎn)數(shù)分布Fig.2 Quarter-period point distribution of sinusoidal modulation wave

在指令變頻模式的FPGA 軟件程序的設(shè)計(jì)上所采用的方法是：用頻率基數(shù)C（2 666 000）循環(huán)減指令碼值M（1000），直到當(dāng)C＜M時(shí)，將C的值賦為0；當(dāng)C的值為0 時(shí)，又被重新賦值為2 666 000，C的值從2666000 到0 的時(shí)間正好為2666 個(gè)時(shí)鐘周期，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔即時(shí)；將兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔擴(kuò)充為25 個(gè)點(diǎn)即1/4 周期正弦調(diào)制波的時(shí)間是50×10-9×2666×25 ns，進(jìn)一步擴(kuò)充為一個(gè)完整正弦調(diào)制波周期的時(shí)間為50×10-9×2666×25×4 ns，從而得到了該正弦調(diào)制波的頻率為75 Hz。

3.2 自動(dòng)變頻的FPGA 實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)變頻模式下，通過(guò)遙控指令發(fā)送模式標(biāo)記，自動(dòng)變頻區(qū)間上、下限，以及步長(zhǎng)等關(guān)鍵信息給FPGA，使其輸出SPWM 波的頻率在一定區(qū)間范圍內(nèi)往復(fù)變化，且每檔頻率持續(xù)時(shí)間可設(shè)。

頻率常數(shù)A在變頻區(qū)間范圍內(nèi)往復(fù)變化，步長(zhǎng)和每檔頻率持續(xù)時(shí)間均可設(shè)置。例如：設(shè)自動(dòng)變頻區(qū)間的上限為85 Hz，下限為75 Hz，精度為0.1 Hz，每檔頻率持續(xù)時(shí)間為15 min，根據(jù)式(1)，則對(duì)應(yīng)到A的變頻區(qū)間為[2354, 2666]。自動(dòng)變頻模式下，部分頻率常數(shù)A和頻率Fre 以及遙測(cè)碼值M的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6 所示，可知：當(dāng)步長(zhǎng)為±3 時(shí)，可滿足頻率精度為0.1 Hz 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表6 自動(dòng)變頻模式下頻率常數(shù)與頻率、遙測(cè)碼值的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 6 Correspondence between frequency constants and frequency and telemetry code values in automatic frequency conversion mode

自動(dòng)變頻模式在FPGA 軟件程序的設(shè)計(jì)上采用的方法是：通過(guò)狀態(tài)機(jī)的兩個(gè)狀態(tài)phase0 和phase1 的交替轉(zhuǎn)移，完成頻率常數(shù)A在變頻區(qū)間[2354, 2666]上的往復(fù)變化。A的上電初始值是2354，狀態(tài)機(jī)的初始態(tài)是phase0，在phase0 狀態(tài)下，A以每15 min 增加3 的速度從2354 增至2666；狀態(tài)機(jī)在收到“頻率常數(shù)A≥2666”輸入事件時(shí)，達(dá)到狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到phase1 狀態(tài)，并執(zhí)行頻率常數(shù)A=2663 的動(dòng)作；在phase1 狀態(tài)下，A以每15 min 減小3 的速度從2663 減至2354；狀態(tài)機(jī)在收到“頻率常數(shù)A≤2354”輸入事件時(shí)，達(dá)到狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到phase0 狀態(tài)，并執(zhí)行頻率常數(shù)A=2357 的動(dòng)作。自動(dòng)模式下狀態(tài)機(jī)的工作原理如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)變頻模式下狀態(tài)機(jī)工作原理Fig.3 Working principle of state machine in automatic frequency conversion mode

將上述程序設(shè)計(jì)用VHDL 編碼實(shí)現(xiàn)，使用ModelSim 軟件仿真得到頻率常數(shù)A在變頻區(qū)間[2354, 2666]的往復(fù)變化（如圖4 所示）。通過(guò)A的循環(huán)變化，實(shí)現(xiàn)了SPWM 波的頻率在上限85 Hz 和下限75 Hz 之間的往復(fù)變化。

圖4 頻率常數(shù)A 在變頻區(qū)間[2354, 2666]上往復(fù)變化仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of frequency constant A reciprocating in the frequency conversion interval of[2354, 2666]

3.3 兩種模式之間交互的FPGA 實(shí)現(xiàn)

制冷控制器上電之后默認(rèn)為自動(dòng)變頻工作模式，可通過(guò)發(fā)送遙控指令設(shè)置為指令變頻工作模式。交互部分的設(shè)計(jì)[15-18]遵循以下原則：從指令模式切換到自動(dòng)模式時(shí)，為了消除因?yàn)轭l率突變而引發(fā)制冷機(jī)的撞缸風(fēng)險(xiǎn)，需要將指令模式下的頻率常數(shù)賦值給自動(dòng)模式下的頻率常數(shù)，并將指令模式下的頻率常數(shù)置0；此時(shí)，頻率常數(shù)如果大于自動(dòng)變頻區(qū)間的上限則會(huì)執(zhí)行依次-3（步長(zhǎng)可調(diào)），直至小于或者等于自動(dòng)變頻區(qū)間的下限，之后在自動(dòng)變頻區(qū)間的上下限間往復(fù)變化；頻率常數(shù)如果小于自動(dòng)變頻區(qū)間的下限則會(huì)執(zhí)行依次+3（步長(zhǎng)可調(diào)），直至大于或者等于自動(dòng)變頻區(qū)間的上限，之后在自動(dòng)變頻區(qū)間的上下限間往復(fù)變化。兩種模式之間交互部分的流程設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 兩種模式間的交互設(shè)計(jì)示意Fig.5 Schematic diagram of the interaction design between two modes

在自動(dòng)變頻模式下，將指令變頻的頻率基數(shù)等關(guān)鍵信號(hào)賦上初始值，以確保自動(dòng)變頻模式切換到指令變頻模式時(shí)各寄存器的狀態(tài)保持正常。在指令變頻模式下，不必將自動(dòng)變頻的頻率常數(shù)恢復(fù)初始值，當(dāng)切換到自動(dòng)變頻模式時(shí)，直接輸出當(dāng)前頻率常數(shù)對(duì)應(yīng)SPWM 波的頻率即可。

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果

通過(guò)FPGA 仿真軟件ModelSim，將激勵(lì)文件的時(shí)鐘周期設(shè)置為20 MHz，正弦調(diào)制波采用查找表法和1/4 正弦周期復(fù)用的方式生成，且每1/4 周期的點(diǎn)數(shù)設(shè)置為25；在激勵(lì)文件中以發(fā)送遙控指令的方式設(shè)置模式標(biāo)記，自動(dòng)變頻區(qū)間上、下限，以及步長(zhǎng)等關(guān)鍵信息給FPGA，將自動(dòng)變頻模式的變頻區(qū)間下限設(shè)置為50 Hz，上限設(shè)置為80 Hz。自動(dòng)變頻區(qū)間下限的仿真結(jié)果如圖6 所示，上限的仿真結(jié)果如圖7 所示?？梢?，F(xiàn)PGA 軟件通過(guò)接收遙控指令，實(shí)現(xiàn)了50 Hz 到80 Hz 自動(dòng)變頻SPWM 波的輸出。

圖6 自動(dòng)變頻區(qū)間下限50 Hz 的SPWM 波仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of 50 Hz SPWM wave as lower limit of automatic frequency conversion interval

圖7 自動(dòng)變頻區(qū)間上限80 Hz 的SPWM 波仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of 80 Hz SPWM wave as upper limit of automatic frequency conversion interval

同時(shí)，通過(guò)在激勵(lì)文件中發(fā)送遙控指令的方式設(shè)置模式標(biāo)記和頻率數(shù)值給FPGA，使得FPGA 輸出頻率為85 Hz 的SPWM 波，其仿真結(jié)果如圖8所示，可見：FPGA 軟件通過(guò)接收遙控指令，實(shí)現(xiàn)了在指令變頻模式下輸出相應(yīng)頻率SPWM 波的功能。

圖8 指令變頻輸出85 Hz 的SPWM 波仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of 85 Hz SPWM wave with command frequency conversion output

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在空間低溫制冷系統(tǒng)聯(lián)試的驗(yàn)證平臺(tái)，由衛(wèi)星為制冷控制器提供一次供電，由管理控制器通過(guò)二級(jí)CAN 總線向制冷控制器發(fā)送遙控指令，設(shè)置工作模式為自動(dòng)變頻模式，變頻區(qū)間下限設(shè)置為50 Hz，上限設(shè)置為80 Hz。經(jīng)測(cè)試，80 Hz 的SPWM 波形如圖9 所示，可見其與圖7 中的仿真結(jié)果一致。

ΔX=12.514 ms 1/ΔX=79.91 Hz

通過(guò)遙控指令設(shè)置工作模式為指令變頻模式，頻率設(shè)置為50 Hz，經(jīng)測(cè)試，輸出的SPWM 波形如圖10 所示，可見其與圖6 的仿真結(jié)果一致。

圖10 指令變頻50 Hz 的SPWM 波測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of 50 Hz SPWM wave with command frequency conversion

圖10 中生成的SPWM 波為無(wú)符號(hào)正弦波，其正半周期為正向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，負(fù)半周期為反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與仿真圖形的結(jié)果相符。無(wú)符號(hào)SPWM 波經(jīng)硬件進(jìn)行擬合后為最終生成的SPWM 波，頻率為50 Hz。

試驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)變頻模式和指令變頻模式之間的交互切換功能?；?.3 節(jié)的交互設(shè)計(jì)，當(dāng)由指令變頻模式切換至自動(dòng)變頻模式時(shí)，輸出頻率從當(dāng)前指令模式下的頻率開始緩變至自動(dòng)變頻區(qū)間，之后在自動(dòng)變頻區(qū)間的上下限之間往復(fù)變化；當(dāng)由自動(dòng)變頻模式切換至指令變頻模式時(shí)，輸出頻率由當(dāng)前自動(dòng)變頻模式下的頻率值，緩變至指令變頻模式下的目標(biāo)值?；谀Ｊ浇换r(shí)的頻率緩變?cè)O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在模式切換時(shí)未發(fā)生因?yàn)轭l率突變而導(dǎo)致的制冷機(jī)撞缸現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)空間制冷控制系統(tǒng)在軌運(yùn)行期間，控制器輸出SPWM 波的頻率固定不變，無(wú)法滿足大功率制冷機(jī)復(fù)雜工況下制冷需求的問(wèn)題，提出在軌變頻設(shè)計(jì)方案，即通過(guò)發(fā)送遙控指令對(duì)制冷控制器進(jìn)行設(shè)置，使其輸出的SPWM 波實(shí)現(xiàn)在軌變頻。首先根據(jù)實(shí)際需要，采用反熔絲型FPGA 并進(jìn)行了三模冗余處理；繼而設(shè)計(jì)了自動(dòng)變頻和指令變頻兩種工作模式并實(shí)現(xiàn)了兩種模式的交互；最后通過(guò)仿真和系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的正確性和可行性。本文中的設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于多個(gè)在軌紅外光學(xué)相機(jī)的制冷控制器中，該變頻策略得到了在軌驗(yàn)證。