本發(fā)明涉及一種用于星敏感器的精密溫度控制裝置及控制方法，具體是指一種采用反熔絲FPGA實現(xiàn)全部功能的星敏感器精密溫度控制裝置及控制方法，用以實現(xiàn)對星敏感器探測器的精密溫度控制，屬于星敏感器精密溫度控制技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

星敏感器是一種高精度的航天器姿態(tài)測量儀器，主要用于空間飛行器三軸姿態(tài)測量和空間飛行器導航，其精度和工作壽命對航天器的姿態(tài)測量、控制和可靠性起著重要作用?？臻g環(huán)境溫度對星敏感器的光學系統(tǒng)成像質(zhì)量有很大影響。隨著星敏感器探測器工作溫度的升高，其暗電流噪聲水平上升很快，如果星敏感器探測器長期工作在一個較高的溫度下，對星敏感器的測量精度和使用壽命都有不利影響。如果單純依靠整星熱控對星敏感器控溫，代價較大，對整星布局也帶來一定難度，且較難達到控溫精度的要求。因此，高精度、長壽命的星敏感器均配備致冷器，使星敏感器探測器工作在一個較低的溫度，從而提高其光電探測系統(tǒng)的信噪比，以消除暗電流帶來的星點質(zhì)心定位誤差，并延緩壽命末期星敏感器探測器性能的衰減。

半導體致冷具有致冷速度快、溫差范圍大、體積小、可靠性高等優(yōu)點。半導體致冷無需任何致冷劑，可連續(xù)工作。通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的閉環(huán)溫度控制。半導體致冷是目前最適合星敏感器使用的主動致冷技術(shù)。

采用半導體致冷對星敏感器探測器進行主動溫度控制，就是將星敏感器探測器工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在一個較低的溫度上。而采用單一的恒壓源或恒流源的控制方式，通過控制電源的通斷時間來實現(xiàn)對星敏感器探測器的致冷效果，不能實現(xiàn)精確控溫，不僅有額外的功率損耗，也不利于設置半導體致冷器的最佳工作點。

基于上述，目前亟需提出一種星敏感器的精密溫度控制裝置及控制方法，用于對星敏感器探測器進行工作溫度的精確控制，為星敏感器精度提供溫度保證，滿足低功耗和高致冷效率的要求，提高星敏感器的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種星敏感器精密溫度控制裝置及控制方法，采用反熔絲FPGA實現(xiàn)對于星敏感器的工作溫度的精確控制，為星敏感器精度提供溫度保證，滿足低功耗和高致冷效率的要求，提高星敏感器的使用壽命。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種星敏感器精密溫度控制裝置，包含：溫度采集模塊，實時采集并輸出星敏感器探測器的實際工作溫度；電流采集模塊，實時采集并輸出致冷器的實際工作電流，監(jiān)測工作電流是否異常，并輸出電流異常信號；指令模塊，對接收到的指令信號進行解析后輸出；PID控制模塊，分別與溫度采集模塊以及指令模塊連接，接收星敏感器探測器的實際工作溫度和解析后的指令信號，通過反熔絲FPGA進行PID運算并輸出PID控制量；PWM模塊，分別與電流采集模塊、PID控制模塊以及指令模塊連接，接收星敏感器探測器的PID控制量，通過反熔絲FPGA進行PWM運算并輸出相應的脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷，或者根據(jù)接收到的電流異常信號關(guān)閉致冷器，或者根據(jù)接收到的解析后的指令信號控制致冷器的開關(guān)。

所述的指令模塊接收由地面控制中心發(fā)送的指令信號，其解析后得到的指令信號包含：修改星敏感器探測器的理想目標溫度的指令信號，傳輸至PID控制模塊；修改PID控制模塊的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)的指令信號，傳輸至PID控制模塊；以及打開/關(guān)閉致冷器的指令，傳輸至PWM模塊。

所述的PID控制模塊進行的PID運算，具體為：

u(k)＝u(k-1)+K₀e(k)+K₁e(k-1)+K₂e(k-2)；

K₀＝K_p+K_i+K_d；

K₁＝-K_p-2K_d；

K₂＝K_d；

K_i＝K_pT/T_i；

K_d＝K_pT_d/T；

其中，k為采樣序號，T為采樣周期，K_p為比例增益，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為微分時間常數(shù)，且u(k-1)表示前一次PID控制模塊輸出的PID控制量，u(k)表示此次PID控制模塊輸出的PID控制量，e(k)表示星敏感器探測器的實際工作溫度與理想目標溫度之間的偏差值。

所述的電流采集模塊包含：電流采集單元，實時采集致冷器的實際工作電流；第一比較器，與電流采集單元連接，接收采集到的實際工作電流并與電流門限值進行比較，當采集到的實際工作電流高于電流門限值時，將電流異常標志置位后作為電流異常信號傳輸至PWM模塊；否則不對電流異常標志置位。

所述的PWM模塊包含：計數(shù)器，在時鐘信號CLK的控制下循環(huán)輸出遞增或遞減的波形數(shù)據(jù)；調(diào)制信號寄存器，與PID控制模塊連接，對接收到的PID控制量緩存一個時鐘周期后作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)輸出；第二比較器，分別與計數(shù)器以及調(diào)制信號寄存器連接，將計數(shù)器輸出的波形數(shù)據(jù)與調(diào)制信號寄存器輸出的調(diào)制信號數(shù)據(jù)進行比較；當調(diào)制信號數(shù)據(jù)大于波形數(shù)據(jù)時，第二比較器輸出高電平，否則輸出低電平，形成脈沖調(diào)制信號；當電流異常標志未置位時，第二比較器輸出脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷；當電流異常標志置位時，第二比較器輸出為0，控制致冷器關(guān)閉；此時需要先發(fā)送關(guān)閉致冷器指令，才會響應打開致冷器指令，否則不響應。

本發(fā)明還提供一種星敏感器精密溫度控制方法，采用上述的控制裝置實現(xiàn)，包含以下步驟：

S1、指令模塊對接收到的指令信號進行解析后輸出至PID控制模塊或PWM模塊，溫度采集模塊實時采集星敏感器探測器的實際工作溫度并輸出至PID控制模塊；

S2、PID控制模塊接收星敏感器探測器的實際工作溫度和解析后的指令信號，通過反熔絲FPGA進行PID運算并輸出PID控制量至PWM模塊；

S3、電流采集模塊實時采集并輸出致冷器的實際工作電流，監(jiān)測工作電流是否異常，并輸出電流異常信號至PWM模塊；

S4、PWM模塊接收PID控制量，通過反熔絲FPGA進行PWM運算并輸出相應的脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷，或者根據(jù)接收到的電流異常信號關(guān)閉致冷器，或者根據(jù)接收到的解析后的指令信號控制致冷器的開關(guān)。

所述的指令模塊接收由地面控制中心發(fā)送的指令信號，其解析后得到的指令信號包含：修改星敏感器探測器的理想目標溫度的指令信號，傳輸至PID控制模塊；修改PID控制模塊的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)的指令信號，傳輸至PID控制模塊；以及打開/關(guān)閉致冷器的指令，傳輸至PWM模塊。

所述的S2中，PID控制模塊進行的PID運算，具體為：

u(k)＝u(k-1)+K₀e(k)+K₁e(k-1)+K₂e(k-2)；

K₀＝K_p+K_i+K_d；

K₁＝-K_p-2K_d；

K₂＝K_d；

K_i＝K_pT/T_i；

K_d＝K_pT_d/T；

其中，k為采樣序號，T為采樣周期，K_p為比例增益，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為微分時間常數(shù)，且u(k-1)表示前一次PID控制模塊輸出的PID控制量，u(k)表示此次PID控制模塊輸出的PID控制量，e(k)表示星敏感器探測器的實際工作溫度與理想目標溫度之間的偏差值。

所述的S3中，具體包含以下步驟：

S31、電流采集單元實時采集致冷器的實際工作電流；

S32、第一比較器接收采集到的實際工作電流并與電流門限值進行比較；當采集到的實際工作電流高于電流門限值時，判斷電流異常，并將電流異常標志置位后作為電流異常信號傳輸至PWM模塊；否則，判斷電流正常，并不對電流異常標志置位。

所述的S4中，具體包含以下步驟：

S41、計數(shù)器在時鐘信號的控制下循環(huán)輸出遞增或遞減的波形數(shù)據(jù)；

S42、調(diào)制信號寄存器對接收到的PID控制量緩存一個時鐘周期后作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)輸出；

S43、第二比較器將計數(shù)器輸出的波形數(shù)據(jù)與調(diào)制信號寄存器輸出的調(diào)制信號數(shù)據(jù)進行比較；當調(diào)制信號數(shù)據(jù)大于波形數(shù)據(jù)時，第二比較器輸出高電平，否則輸出低電平，以形成脈沖調(diào)制信號；

S44、當電流異常標志未置位時，第二比較器輸出脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷；當電流異常標志置位時，第二比較器輸出為0，控制致冷器關(guān)閉；此時需要先發(fā)送關(guān)閉致冷器指令，才會響應打開致冷器指令，否則不響應。

綜上所述，本發(fā)明提供的星敏感器精密溫度控制裝置及控制方法，具有以下優(yōu)點和有益效果：

1、在星敏感器領域采用反熔絲FPGA以及模塊化實現(xiàn)對星敏感器工作溫度的精密控制；

2、實時采集并監(jiān)測致冷器的工作電流，當電流異常時直接關(guān)閉致冷器，此時需要先發(fā)送關(guān)閉致冷器指令，才會響應打開致冷器的指令，否則不響應，從而提高產(chǎn)品的安全性；

3、將PID控制算法和PWM算法集成到反熔絲FPGA中，集成度高、功耗低、致冷效率高、可靠性高且控溫精度高；

4、可通過指令模塊在軌修改理想目標溫度及PID控制模塊的參數(shù)，靈活性強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中星敏感器精密溫度控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中PID控制模塊的結(jié)構(gòu)設計框圖；

圖3為本發(fā)明中指令模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中電流采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中PWM模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合圖1～圖5，詳細說明本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的星敏感器精密溫度控制裝置，包含：溫度采集模塊1，實時采集并輸出星敏感器探測器的實際工作溫度；電流采集模塊2，實時采集并輸出致冷器的實際工作電流，監(jiān)測工作電流是否異常，并輸出電流異常信號；指令模塊3，對接收到的指令信號進行解析后輸出；PID(比例-積分-微分)控制模塊4，分別與溫度采集模塊1以及指令模塊3連接，接收星敏感器探測器的實際工作溫度和解析后的指令信號，通過反熔絲FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)進行PID運算并輸出PID控制量；PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)模塊5，分別與電流采集模塊2、PID控制模塊4以及指令模塊3連接，接收星敏感器探測器的PID控制量，通過反熔絲FPGA進行PWM運算并輸出相應的脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷，或者根據(jù)接收到的電流異常信號關(guān)閉致冷器，或者根據(jù)接收到的解析后的指令信號控制致冷器的開關(guān)。

所述的指令模塊3接收由地面控制中心發(fā)送的指令信號，其解析后得到的指令信號包含：修改星敏感器探測器的理想目標溫度的指令信號，傳輸至PID控制模塊4；修改PID控制模塊4的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)的指令信號，傳輸至PID控制模塊4；以及打開/關(guān)閉致冷器的指令，傳輸至PWM模塊5。

如圖2所示，為所述的PID控制模塊4基于反熔絲FPGA的詳細設計框圖。其中，PID控制表達式為：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(1\right)$

其中，u(t)為PID控制量，K_p為比例增益，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為微分時間常數(shù)，e(t)為偏差。

使模擬PID控制表達式離散化后，變?yōu)椴罘址匠?，得?/p>

${\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt\≈\underset{k=0}{\overset{n-1}{\Σ}}Te\left(k\right)$

$\frac{de\left(t\right)}{dt}\≈\frac{e\left(k\right)-e(k-1)}{T}$

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{k=0}{\overset{n-1}{\Σ}}e\left(k\right)+K_d\[e\left(k\right)-e(k-1)\]---\left(2\right)$

其中，K_i＝K_pT/T_i，K_d＝K_pT_d/T，T為采樣周期，k為采樣序號；因此類推可得：

$u(k-1)=K_{p}e(k-1)+K_i\underset{k=0}{\overset{n-2}{\Σ}}e\left(k\right)+K_d\[e(k-1)-e(k-2)\]---\left(3\right)$

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (4)

u(k)＝u(k-1)+K₀e(k)+K₁e(k-1)+K₂e(k-2) (5)

其中，K₀＝K_p+K_i+K_d，K₁＝-K_p-2K_d，K₂＝K_d；且u(k-1)表示前一次PID控制模塊4輸出的PID控制量，u(k)表示此次PID控制模塊4輸出的PID控制量，e(k)表示星敏感器探測器的實際工作溫度與理想目標溫度之間的偏差值。因此，根據(jù)上述公式(5)，在PID控制模塊4接收星敏感器探測器的實際工作溫度和理想目標溫度之后，即可通過FPGA進行PID運算并輸出PID控制量。

如圖3所示，所述的指令模塊3利用串口進行通信，包含：串口指令解析單元31，與地面控制中心連接，接收其發(fā)出的上注指令信號并進行解析以確定指令類別，根據(jù)解析結(jié)果，如是修改理想目標溫度的指令，即將地面控制中心上注傳輸?shù)男碌睦硐肽繕藴囟孺i存，并傳輸至PID控制模塊4；如是修改PID參數(shù)的指令，即將地面控制中心上注傳輸?shù)男碌腜(比例)參數(shù)、I(積分)參數(shù)和D(微分)參數(shù)鎖存，并傳輸至PID控制模塊4；如是打開/關(guān)閉致冷器的指令，即將地面控制中心上注傳輸?shù)闹吕淦鏖_關(guān)信號傳輸至PWM模塊5。

所述的指令模塊3還包含：串口指令應答單元32，與串口指令解析單元31以及地面控制中心連接，當串口指令解析單元31接收到指令信號后，該串口指令應答單元32向地面控制中心發(fā)送指令接收信號。

如圖4所示，所述的電流采集模塊2包含：電流采集單元21，實時采集致冷器的實際工作電流；第一比較器22，與電流采集單元21連接，接收采集到的實際工作電流并與電流門限值進行比較，當采集到的實際工作電流高于電流門限值時，判斷電流異常，并將電流異常標志置位后作為電流異常信號傳輸至PWM模塊5；否則，判斷電流正常，并不對電流異常標志置位。

如圖5所示，所述的PWM模塊5包含：計數(shù)器51，在時鐘信號CLK的控制下循環(huán)輸出遞增或遞減的波形數(shù)據(jù)；調(diào)制信號寄存器52，與PID控制模塊4連接，對接收到的PID控制量u(k)緩存一個時鐘周期后作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)輸出；第二比較器53，分別與計數(shù)器51以及調(diào)制信號寄存器52連接，將計數(shù)器51輸出的波形數(shù)據(jù)與調(diào)制信號寄存器52輸出的調(diào)制信號進行比較；當調(diào)制信號數(shù)據(jù)大于波形數(shù)據(jù)時，第二比較器53輸出高電平，否則輸出低電平，從而形成脈沖調(diào)制信號。

當計數(shù)器51溢出時，其產(chǎn)生使能信號發(fā)送至調(diào)制信號寄存器52的使能控制端，使得數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器54將下一組根據(jù)PID控制量生成的調(diào)制信號數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)制信號寄存器52，由此進行下一輪比較并產(chǎn)生新的脈沖調(diào)制信號。

所述的第二比較器53輸出的脈沖調(diào)制信號需與電流采集模塊2生成的電流異常信號進行判斷；當電流異常標志未置位時，電流正常，則第二比較器53輸出脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷；當電流異常標志置位時，電流異常，則第二比較器53輸出為0，控制致冷器關(guān)閉；此時需要先發(fā)送關(guān)閉致冷器指令，才會響應打開致冷器指令，否則不響應。

本發(fā)明還提供一種星敏感器精密溫度控制方法，采用上述的控制裝置實現(xiàn)，包含以下步驟：

S1、指令模塊3對接收到的指令信號進行解析后輸出至PID控制模塊4或PWM模塊5，溫度采集模塊1實時采集星敏感器探測器的實際工作溫度并輸出至PID控制模塊4；

S2、PID控制模塊4接收星敏感器探測器的實際工作溫度和解析后的指令信號，通過反熔絲FPGA進行PID運算并輸出PID控制量至PWM模塊5；

S3、電流采集模塊2實時采集并輸出致冷器的實際工作電流，監(jiān)測工作電流是否異常，并輸出電流異常信號至PWM模塊5；

S4、PWM模塊5接收PID控制量，通過反熔絲FPGA進行PWM運算并輸出相應的脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷，或者根據(jù)接收到的電流異常信號關(guān)閉致冷器，或者根據(jù)接收到的解析后的指令信號控制致冷器的開關(guān)。

所述的指令模塊3接收由地面控制中心發(fā)送的指令信號，其解析后得到的指令信號包含：修改星敏感器探測器的理想目標溫度的指令信號，傳輸至PID控制模塊4；修改PID控制模塊4的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)的指令信號，傳輸至PID控制模塊4；以及打開/關(guān)閉致冷器的指令，傳輸至PWM模塊5。

所述的S2中，PID控制模塊4進行的PID運算，具體為：

u(k)＝u(k-1)+K₀e(k)+K₁e(k-1)+K₂e(k-2)；

K₀＝K_p+K_i+K_d；

K₁＝-K_p-2K_d；

K₂＝K_d；

K_i＝K_pT/T_i；

K_d＝K_pT_d/T；

其中，k為采樣序號，T為采樣周期，K_p為比例增益，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為微分時間常數(shù)，且u(k-1)表示前一次PID控制模塊4輸出的PID控制量，u(k)表示此次PID控制模塊4輸出的PID控制量，e(k)表示星敏感器探測器的實際工作溫度與理想目標溫度之間的偏差值。

所述的S3中，具體包含以下步驟：

S31、電流采集單元21實時采集致冷器的實際工作電流；

S32、第一比較器22接收采集到的實際工作電流并與電流門限值進行比較；當采集到的實際工作電流高于電流門限值時，判斷電流異常，并將電流異常標志置位后作為電流異常信號傳輸至PWM模塊5；否則，判斷電流正常，并不對電流異常標志置位。

所述的S4中，具體包含以下步驟：

S41、計數(shù)器51在時鐘信號CLK的控制下循環(huán)輸出遞增或遞減的波形數(shù)據(jù)；

S42、調(diào)制信號寄存器52對接收到的PID控制量u(k)緩存一個時鐘周期后作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)輸出；

S43、第二比較器53將計數(shù)器51輸出的波形數(shù)據(jù)與調(diào)制信號寄存器52輸出的調(diào)制信號數(shù)據(jù)進行比較；當調(diào)制信號數(shù)據(jù)大于波形數(shù)據(jù)時，第二比較器53輸出高電平，否則輸出低電平，以形成脈沖調(diào)制信號；

S44、當電流異常標志未置位時，第二比較器53輸出脈沖調(diào)制信號以控制致冷器制冷；當電流異常標志置位時，第二比較器53輸出為0，控制致冷器關(guān)閉；此時需要先發(fā)送關(guān)閉致冷器指令，才會響應打開致冷器指令，否則不響應。

綜上所述，本發(fā)明提供的星敏感器精密溫度控制裝置及控制方法，通過對半導體致冷器的閉環(huán)控制，采用反熔絲FPGA實現(xiàn)對于星敏感器的工作溫度的精確控制，為星敏感器精度提供溫度保證，滿足低功耗和高致冷效率的要求，降低星敏感器探測器電噪聲，提高圖像信噪比，降低星敏感器隨機誤差以及提高使用壽命。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權(quán)利要求來限定。