小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案.pdf
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1、第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 41 收稿日期:2022-07-21 基金项目:中国空间技术研究院杰出青年人才基金(B2YG1446)引用格式: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 Control
2、lerJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):41-50.(in Chinese)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)摘 要 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
3、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,优化了设计,是一种可行的小型化设计方法。关键词 制冷控制器 小型化 低成本 驱动电路 软硬件优化 遥感相机 中图分类号:V444.3 文献标志码:A 文章编号:1009-8518(2023)03-0041-10 DOI:10.3969/j.issn.1009
4、-8518.2023.03.005 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)Abstract The weight of the satellite determines the launch cost.The heavier the satell
5、ite,the higher the launch cost.At the same time,combined with its own low manufacturing cost requirements,the development of miniaturization remote sensing products has become more and more urgent.As a component of remote sensing camera,refrigeration controllers are also facing the pressure of minia
6、turization 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 t
7、o 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
8、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 me
9、thod,which can optimize the design and reduce the weight and cost while keeping the temperature 42 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 control performance unchanged.Keywords refrigeration controller;miniaturization;low cost;drive circuit;hardware and software optimization;remote sensing camera 0 引言 过去几十年内,大容
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。第 3 期 汪瑜 等:小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案 43 图 1 四线制 H 桥驱动方式 Fig.1 Four-wire H-bridge driving principle 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
15、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
16、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。(a)四线制 SPWM 信号处理(a)Four-wire SPWM signal processing (b)两线制 SPWM 信号处理(b)Two-wire SPWM signal processing 图 2 四线制与两线制 SPWM 信号处理 Fig.2 Four-wire and Two-wire SPWM signal processing 44 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 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
17、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 和表 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 ge
18、neration formula table H 桥驱动方向 调制波正半轴,H 桥正向驱动 调制波负半轴,H 桥反向驱动 SPWM信号生成公式 1,tri()sin()SPWM10,tri()sin()nnnn=SPWM10=SPWM2NOT(SPWM1)=SPWM21=SPWM30=1,tri()sin()SPWM30,tri()sin()nnnn=SPWM41=SPWM4NOT(SPWM3)=表 2 两线制 SPWM 信号生成 Tab.2 Two-wire SPWM signal generation formula table H桥驱动方向 调制波正半轴,H桥正向驱动 调制波负半轴,H桥
19、反向驱动 SPWM信号生成公式 1,tri()sin()SPWM10,tri()sin()nnnn=0,tri()sin()SPWM11,tri()sin()nnnn=SPWM2NOT(SPWM1)=SPWM2NOT(SPWM1)=表中 SPWM1SPWM4 为输入给 MOS 管的信号,sin()n 为离散化调制波信号,tri(n)为离散化载波信号,n 为信号在离散序列中出现的整数值序号,NOT 为信号取反处理。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18-19。为保证输出电压分辨率保持不变,本文设计了牺牲载波频率保证驱动分辨率的实现方案20。相较
20、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21-22,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,
21、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。第3期 汪瑜 等:小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案 45 图3 四线制与两线波形生成对比图 Fig.3 Comparison of four-wire and two-wire waveform generation 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
22、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 Fig.4 SPWM signal cancel 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
23、 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
24、的只需要两套,做了减半优化,46 航 天 返 回 与 遥 感 2023年第44卷 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。以计数器的方式产生等腰三角波,作为载波信号,设定的幅值 250。在时钟下,输出从 0 加到 250,再从 250 降到 0,如此循环形成载波信号。所选用的主时钟频率为 20 MHz(50 ns)T=时钟,形成一个完整的三角波需要
25、500 次加减计数,所以等腰三角波的频率trif是40 kHz。tri1500fT=时钟(1)式中 T时钟为时钟周期;trif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
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