黔東南新一代天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)故障處理

曹凱明，李路長(zhǎng)，龍?zhí)鞆?qiáng)，楊 錦

(1.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

黔東南新一代天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)故障處理

曹凱明1，李路長(zhǎng)2，龍?zhí)鞆?qiáng)2，楊 錦2

(1.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

該文根據(jù)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)的工作原理，對(duì)黔東南新一代多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD/CD)的伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)故障進(jìn)行處理，分析故障現(xiàn)象和原因，給出具體維修措施，以快速排除故障，恢復(fù)雷達(dá)正常運(yùn)行。

新一代天氣雷達(dá);伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī);脈寬調(diào)制器

1 引言

貴州省黔東南新一代天氣雷達(dá)是由成都784廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的C波段全相參多普勒天氣雷達(dá)，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)和終端組成，能有效的探測(cè)和監(jiān)視冰雹、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。在雷達(dá)運(yùn)行過(guò)程中，該天氣雷達(dá)的伺服系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)故障，通過(guò)對(duì)此故障的深入分析和總結(jié)，有利于今后提高雷達(dá)的保障效率。

2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)工作原理

新一代天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)包括天線方位伺服系統(tǒng)和天線俯仰伺服系統(tǒng)兩大部分，由伺服電源分機(jī)、方位/俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)、方位/俯仰驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、方位/俯仰減速器和方位/俯仰主發(fā)送器等組成。它是用來(lái)操控天線，按照終端要求設(shè)定完成各種掃描狀態(tài)，如PPI(天線方位掃描)、RHI(天線俯仰掃描)和VCP(天線體積掃描)。其中方位/俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)主要是提供足夠的電壓、電流來(lái)驅(qū)動(dòng)天線方位/俯仰執(zhí)行電機(jī)，從而促使天線完成掃描任務(wù)，其工作原理如圖1所示。

由圖1可以看出，方位驅(qū)動(dòng)分機(jī)和俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)除輸入的交流電源和輸出的直流電壓不一樣外，其工作原理完全一樣，主要包括：可控硅的整流、開關(guān)功率放大器的功率放大、驅(qū)動(dòng)分機(jī)的開關(guān)機(jī)等。各部件原理如下：

圖1 方位/俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)工作原理框圖

可控硅的整流：可控硅整流穩(wěn)壓輸出的直流電壓用于開關(guān)功率放大器。方位驅(qū)動(dòng)分機(jī)的可控硅整流橋輸出的直流電壓為150～160 V，俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)的為110 V?？煽毓枵鳂虻挠|發(fā)脈沖由同步觸發(fā)產(chǎn)生器(控制器)產(chǎn)生，觸發(fā)脈沖被送到可控硅的G極上，交流電壓被送到可控硅整流橋的交流端，可控硅輸出的直流電壓通過(guò)接觸器送到開關(guān)功率放大器上，同時(shí)輸出的直流電壓又經(jīng)電壓傳感器采樣形成電壓反饋來(lái)調(diào)整可控硅觸發(fā)器的相位，從而改變了可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)整輸出直流電壓的大小。

開關(guān)功率放大器的功率放大：開關(guān)功率放大器的作用是將脈寬調(diào)制器送來(lái)的小功率脈沖信號(hào)以開關(guān)的形式放大到足以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)天線。

脈寬調(diào)制器：脈寬調(diào)制器的作用是將伺服系統(tǒng)的方位/俯仰的小功率誤差信號(hào)調(diào)制成具有固定脈沖頻率和固定脈沖幅度的脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的脈沖寬度隨誤差信號(hào)大小和極性的變化而變化。脈寬調(diào)制器的原理框圖和各部分波形如圖2所示。

圖2 脈寬調(diào)制器原理框圖和各部分波形

由圖2可以看出，三角波發(fā)生器產(chǎn)生5 kH2左右的三角波電壓信號(hào)。正/負(fù)誤差信號(hào)比較器在脈寬調(diào)制器中起關(guān)鍵作用，主要由LM319雙比較器組成，它將伺服系統(tǒng)的方位/俯仰誤差信號(hào)和三角波發(fā)送器送來(lái)的經(jīng)過(guò)正/負(fù)零位位移器的三角波電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生出相應(yīng)寬度的脈沖信號(hào)。得到的兩個(gè)脈沖在三角波的一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)間輪流給伺服電機(jī)加上脈沖電壓，以達(dá)到調(diào)整伺服電機(jī)的作用。下面結(jié)合圖3來(lái)分析脈沖信號(hào)寬度問(wèn)題。

圖3 正/負(fù)誤差信號(hào)比較器工作波形圖

情況1：當(dāng)誤差信號(hào)Vi≈0時(shí)，如圖3所示，正/負(fù)比較器在三角波的上、下峰值處各比較出一個(gè)窄脈沖，這兩個(gè)窄脈沖的寬度和有無(wú)可以通過(guò)兩個(gè)位移器進(jìn)行調(diào)節(jié)，它們共同作用在伺服電機(jī)上，使電機(jī)給伺服機(jī)械系統(tǒng)一個(gè)動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑力，減少電機(jī)的靜態(tài)力矩。

情況2：當(dāng)誤差信號(hào)Vi＞0時(shí)，在圖3d中波形的－0線上加上一個(gè)＞0的Vi電壓，使得－0線上移，比較器輸出的－Pts脈沖加寬。當(dāng)Vi增大到三角波的上頂峰時(shí)，－Pts脈沖寬度就不能再增加了，每一個(gè)－Pts脈沖連在一起了，這時(shí)伺服電機(jī)在一個(gè)方向的轉(zhuǎn)速達(dá)到最快。在－Pts脈沖加寬的同時(shí)，由于Vi的加大，圖3b中波形的+0線往上移，+Pts脈沖變窄，最后消失。

情況3：當(dāng)Vi＜0時(shí)，與情況2相反，+Pts脈沖加寬，－Pts脈沖變窄直到消失。

3 故障現(xiàn)象和診斷分析處理

故障現(xiàn)象：黔東南新一代天氣雷達(dá)在作一次體掃時(shí)，天線突然自動(dòng)向高仰角爬升，當(dāng)仰角到達(dá)88°左右時(shí)，就一直維持在該仰角作PPI掃描。起初通過(guò)終端重啟雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)，天線可以自動(dòng)從仰角88°下來(lái)，并作正常體掃。但此后雷達(dá)頻繁出現(xiàn)該故障，在數(shù)控狀態(tài)下一直保持86.4°仰角作掃描，終端重啟也沒(méi)有效果。

根據(jù)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)工作原理，診斷分析處理如下：

第一步：檢查伺服放大器。伺服放大器的工作原理包括：接受各種狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)的選擇轉(zhuǎn)換和在各種狀態(tài)下把誤差信號(hào)、反饋信號(hào)、阻尼信號(hào)混合后放大。伺服系統(tǒng)的控制狀態(tài)包括手控狀態(tài)和數(shù)控狀態(tài)。在數(shù)控狀態(tài)時(shí)，整個(gè)天線系統(tǒng)受控于計(jì)算機(jī)，誤差增益和阻尼是數(shù)控狀態(tài)下的誤差增益和阻尼;手控狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)不能控制伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)受控于手控裝置，此時(shí)的誤差和阻尼由手控信號(hào)增益和阻尼決定。手控阻尼是不可調(diào)的，調(diào)整手控信號(hào)的大小可以改變手控的速度。由此可知，伺服放大器的好壞決定了誤差電壓的輸出。在數(shù)控狀態(tài)下，如果誤差信號(hào)不能進(jìn)行放大、調(diào)整，那么下一級(jí)的伺服驅(qū)動(dòng)分機(jī)就不能正常工作。更換俯仰伺服放大器，故障依然存在。

第二步：在數(shù)控狀態(tài)下讓雷達(dá)作PPI掃描，命令一個(gè)較低仰角，天線仰角也不能下來(lái);但是在手控狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄將天線的仰角降低至70°，發(fā)現(xiàn)天線仰角能降下來(lái)，說(shuō)明伺服系統(tǒng)的信號(hào)能通過(guò)匯流環(huán)到達(dá)俯仰電機(jī)，從而判斷天饋系統(tǒng)是正常的。隨后切換至數(shù)控狀態(tài)，設(shè)定天線固定仰角為88°，天線能正常抬升到88°，但再設(shè)定仰角從88°返回到70°時(shí)，天線運(yùn)動(dòng)到86.4°就停止了，重復(fù)上述過(guò)程，故障現(xiàn)象依舊。根據(jù)脈寬調(diào)制器的原理和作用在伺服分機(jī)上的工作方式，可以初步判斷俯仰伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制器出現(xiàn)了問(wèn)題。

為確定是脈寬調(diào)制器故障，將備用脈寬調(diào)制器換上，重復(fù)以上操作，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)天線能順利的從仰角88°下降至70°，也能從仰角70度順利的抬升至88°。再使用現(xiàn)場(chǎng)還原法對(duì)該故障進(jìn)行還原，即將原來(lái)的脈寬調(diào)制器重新安裝上，做相同的操作，天線還是卡在仰角86.4°就不能向下運(yùn)動(dòng)。

由以上分析和操作可以初步判斷是脈寬調(diào)制器出現(xiàn)了故障。通過(guò)使用示波器對(duì)脈寬調(diào)制器進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)原先脈寬調(diào)制器的脈寬1和脈寬2，在天線從低仰角向高仰角運(yùn)行時(shí)，測(cè)得脈寬1無(wú)方波波形;在天線從高仰角向低仰角運(yùn)行時(shí)，測(cè)得脈寬2為一脈沖寬度＜1.2 μs的方波波形;再在天線停止時(shí)，測(cè)得脈寬1也無(wú)方波波形，脈寬2有方波波形，脈沖寬度為 1.2 μs。

用示波器對(duì)備用脈寬調(diào)制器的脈寬1和脈寬2進(jìn)行測(cè)試，如圖4、圖5所示，在天線從低仰角向高仰角運(yùn)行時(shí)，測(cè)得脈寬1有方波波形，脈沖寬度為30 μs;在天線從高仰角向低仰角運(yùn)行時(shí)，測(cè)得脈寬2有方波波形，脈沖寬度為60 μs。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，原來(lái)的脈寬調(diào)制器測(cè)試波形不符合要求(脈寬越寬，天線向上或者向下的運(yùn)動(dòng)速度越快)，更換脈寬調(diào)制器后雷達(dá)恢復(fù)正常。

圖4 圖中a、b為天線運(yùn)動(dòng)中備用脈寬調(diào)制器測(cè)得的脈寬1、脈寬2波形，c、d為天線運(yùn)動(dòng)中故障脈寬調(diào)制器測(cè)得的脈寬1、脈寬2波形

4 故障處理小結(jié)

①伺服放大器決定了整個(gè)驅(qū)動(dòng)分機(jī)能否正常運(yùn)行，而脈寬調(diào)制器的調(diào)制作用能使方位/俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)工作，實(shí)現(xiàn)天線的精確控制。

②伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分機(jī)的電源故障、可控硅整流故障和開關(guān)功率放大器故障將直接導(dǎo)致方位/俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，使天線不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 圖中a、b為天線靜止時(shí)備用脈寬調(diào)制器測(cè)得的脈寬1、脈寬2波形，c、d為天線靜止時(shí)故障脈寬調(diào)制器測(cè)得的脈寬1、脈寬2波形

因此，在碰到上述故障時(shí)，要根據(jù)故障現(xiàn)象，來(lái)準(zhǔn)確的找到故障設(shè)備，從而快速的排除和解決故障。今后也需要不斷提高我們?cè)诰S修、維護(hù)方面的能力，多注重理論聯(lián)系實(shí)際，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以確保雷達(dá)的正常運(yùn)行。

［1］國(guó)營(yíng)第七八四廠.CINRAD/CD型雷達(dá)技術(shù)說(shuō)明書.2010(10).

［2］魏玉鵬，王慶華，呂雪梅.CINRAD_SC天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障分析與排除［J］.山東氣象，2006(1).

［3］張先俊，袁明清.CINRAD/SB雷達(dá)故障診斷分析及處理［J］. 高原山地氣象研究，2011，增刊.170 －171.

［4］何建新，姚振東，李飛，等.現(xiàn)代天氣雷達(dá)［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，2004.

TN957

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1003－6598(2012)05－0049－03

2012－04－18

曹凱明(1979－)，男，工程師，主要從事氣象裝備保障工作。