貴陽新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/CD)交流伺服系統(tǒng)的故障分析與處理

雷登林,鐘 健,田 程

(貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

1 引言

貴陽新一代天氣雷達(dá)作為第一部組網(wǎng)建設(shè)的CD型雷達(dá)，于2013年8月進(jìn)行大修，對雷達(dá)的部分分系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化提升，使雷達(dá)系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有了較大提高。尤其是伺服系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)改變較大，由之前的直流伺服系統(tǒng)改為交流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)的直流電機(jī)運(yùn)行壽命短，電機(jī)碳刷易于磨損須常常清洗及更換，天線運(yùn)行速度不穩(wěn)定；而交流伺服系統(tǒng)則具有交流電機(jī)免維護(hù)，天線到位精度較高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但近年在運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些問題，本文將解決這些問題的過程進(jìn)行歸納總結(jié)，從工作原理入手進(jìn)行分析，并查找出判斷導(dǎo)致故障的原因。以期今后大修升級的組網(wǎng)CD型雷達(dá)站保障人員面對全新的伺服系統(tǒng)故障時能有所啟發(fā)。

2 伺服系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 伺服系統(tǒng)的組成

伺服系統(tǒng)由方位伺服和俯仰伺服兩部分組成，共用一個伺服分機(jī)，方位與俯仰均由驅(qū)動分機(jī)、執(zhí)行電機(jī)(B-202B-31型交流伺服電機(jī))、減速器、主發(fā)送器等器件組成，實(shí)現(xiàn)對方位角及仰角的控制。伺服分機(jī)由伺服控制器、電源變壓器、控制繼電器、控制開關(guān)和手動電位器等組成。驅(qū)動分機(jī)主要由方位驅(qū)動器、俯仰驅(qū)動器、接觸器、保險絲、控制開關(guān)等組成。

2.2 伺服系統(tǒng)的工作原理

天線方位伺服系統(tǒng)與天線俯仰伺服系統(tǒng)是全數(shù)字連續(xù)控制的伺服跟蹤系統(tǒng)，它是以一定精度實(shí)現(xiàn)主控作用的自動裝置，圖1為角碼跟蹤系統(tǒng)簡略方框圖。

圖1 角碼跟蹤系統(tǒng)框圖Fig.1 Frame diagram of the corner code tracking system

天線控制系統(tǒng)的工作流程是控制終端給定一個天線的位置(輸入角碼)，通過伺服系統(tǒng)來控制天線的位置，測量元件及角碼變換器獲得當(dāng)前角碼后，再與輸入角碼聯(lián)系起來加以比較，相符合時系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，不符合時就產(chǎn)生一個角碼誤差(±ΔD)，此誤差經(jīng)數(shù)模變換為誤差電壓U,再經(jīng)驅(qū)動器功率放大后，作用在執(zhí)行電機(jī)上，使其朝減小誤差的方向運(yùn)動，因此，天線就能連續(xù)跟蹤著控制終端的命令運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 伺服系統(tǒng)的故障及處理

3.1 因匯流環(huán)浸油、導(dǎo)線接觸不良導(dǎo)致的天線異常抖動

2013年10月31日15時雷達(dá)出現(xiàn)如下異?，F(xiàn)象：天線抬升仰角時，出現(xiàn)抖動，天線每轉(zhuǎn)兩圈會在方位260°附近在垂直方向上劇烈抖動，導(dǎo)致完成體掃的時間增加，甚至有時不能完成體掃。

異?，F(xiàn)象的排除過程：手搖天線時，天線角碼與誤差電壓均在260°左右擺動，但此時天線不抖動，在260°出問題都在天線方位運(yùn)轉(zhuǎn)720°時(因天線轉(zhuǎn)2圈，匯流環(huán)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)1圈)。更換伺服驅(qū)動單元印制板(方位與俯仰)，異?，F(xiàn)象仍存在，問題未解決；檢查天線裝置內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)中心有油滴沿電纜往下流，匯流環(huán)表面與外側(cè)有油痕，將匯流環(huán)清洗后，異常未能排除；用兆歐表測試俯仰電機(jī)的驅(qū)動環(huán)、同步機(jī)信號、反饋環(huán)的絕緣度均正常；用萬用表檢查同步機(jī)信號線的連接情況時，發(fā)現(xiàn)同步機(jī)信號線匯流環(huán)到俯仰箱段的D1信號線有中斷現(xiàn)象，對存在連接不良的D1信號線重新焊接處理，檢查連接良好后，緊固天線座內(nèi)的所有線纜插頭，理順、擦干所有電纜上的油痕。雷達(dá)開機(jī)運(yùn)行，天線異常排除，雷達(dá)恢復(fù)正常。

故障原因 ：匯流環(huán)內(nèi)進(jìn)油,導(dǎo)致碳刷與匯流環(huán)之間的絕緣度降低,并且匯流環(huán)到俯仰箱段的D1信號的導(dǎo)線接觸不良，影響了同步機(jī)信號,致使天線抖動。

3.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動器故障的分析與處理

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器故障出現(xiàn)了兩次，一次是2017年9月28日出現(xiàn)的俯仰驅(qū)動器故障，另一次是2018年3月1日出現(xiàn)的方位驅(qū)動器故障。

3.2.1 俯仰驅(qū)動器損壞導(dǎo)致的“俯仰故障” 2017年9月28日09時40分，雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)報“俯仰故障”， 天線在水平方向上能環(huán)掃，俯仰不能動作。在實(shí)時處理顯示終端用“故障復(fù)位”未能使雷達(dá)恢復(fù)正常，初步判斷俯仰故障為硬件出現(xiàn)損壞導(dǎo)致。

故障排除過程：

①檢查伺服系統(tǒng)的驅(qū)動分機(jī)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動分機(jī)內(nèi)方位驅(qū)動器的LED指示燈亮，而俯仰驅(qū)動器LED指示燈未亮，用方位驅(qū)動器來對比檢查俯仰驅(qū)動器的工作電壓，發(fā)現(xiàn)俯仰驅(qū)動器輸入電壓正常，初步判斷俯仰驅(qū)動器壞。

②在未作任何改變的情況下，用備份驅(qū)動器更換損壞的俯仰驅(qū)動器，驅(qū)動器LED指示燈亮。俯仰驅(qū)動器工作狀態(tài)正常，但天線在仰角上仍不能動作，故障未排除。檢查俯仰驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)，利用驅(qū)動分機(jī)內(nèi)方位與俯仰兩部分在器件組成、功能應(yīng)用等基本相同的條件下，可用組件替代的方法查找、排除故障。即用驅(qū)動分機(jī)內(nèi)的俯仰驅(qū)動器組件代替方位驅(qū)動器組件后，天線方位能動作，說明俯仰驅(qū)動器正常，問題應(yīng)出現(xiàn)在驅(qū)動器的信號前端。

③繼續(xù)查找故障原因，檢查伺服分機(jī)，未發(fā)現(xiàn)伺服分機(jī)的俯仰部分有異常，進(jìn)一步檢查分析，推測數(shù)據(jù)采集分機(jī)內(nèi)的俯仰伺服驅(qū)動單元可能有異常(伺服驅(qū)動單元外觀、指示燈等未發(fā)現(xiàn)有異常)，更換上站內(nèi)備份的俯仰伺服驅(qū)動單元，開機(jī)啟動天線，命令仰角，天線能抬升，但仰角存在較大的追擺、控制精度也不夠。

④在調(diào)整天線控制精度的過程中，出現(xiàn)天線俯仰沖頂?shù)那闆r，天線沖頂后隨之發(fā)現(xiàn)命令仰角失效，用人力把天線定位到0°后，發(fā)現(xiàn)天線顯示仰角與實(shí)際仰角不一致，仰角相差很大，再次命令仰角，仰角不再動作，判斷天線沖頂反饋回來的過大電流信號再次燒壞俯仰驅(qū)動器。

⑤繼續(xù)分析查找天線調(diào)整中出現(xiàn)的俯仰故障，發(fā)現(xiàn)手搖天線做俯仰，順時針搖動，仰角顯示為0°時，仰角顯示數(shù)字不能繼續(xù)向上，觀察天線轉(zhuǎn)動視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)天線向下降；逆時針搖動，仰角顯示為負(fù)值，角碼且繼續(xù)減小，觀察天線轉(zhuǎn)動視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)天線向上抬升。正常情況下，手搖俯仰順時針轉(zhuǎn)動，角碼顯示增大，天線抬升；逆時針轉(zhuǎn)動，角碼顯示減小，天線下沉。判斷驅(qū)動器或俯仰伺服驅(qū)動單元的設(shè)置不正確，導(dǎo)致俯仰反向而行。檢查后發(fā)現(xiàn)：俯仰伺服驅(qū)動單元上控制相序的跳線連接不對， JP1應(yīng)為(從左到右：1、4、5、7、8短接)、JP2應(yīng)為(從左到右：1、3短接)。跳線短接不對，會導(dǎo)致俯仰角碼與控制狀態(tài)不對，控制相序、時序也不正確，導(dǎo)致天線發(fā)生沖頂現(xiàn)象。經(jīng)重新調(diào)整伺服驅(qū)動單元的跳線后，更換上新的俯仰驅(qū)動器(CR06550)后(更換后須新寫入數(shù)據(jù))，角碼與狀態(tài)等均回歸正常，故障排除。

3.2.2 方位驅(qū)動器損壞導(dǎo)致的“方位故障” 2018年3月1日09時雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)報天線“方位故障”，故障表現(xiàn)為天線在水平方向上不能轉(zhuǎn)動，因有了2017年9月28日解決俯仰驅(qū)動器故障的經(jīng)驗(yàn)，所以能快速推斷故障源大致出現(xiàn)在哪里，但還是按照常規(guī)檢查故障的流程排查故障，雖然可能多耽擱幾分鐘，但這樣能清楚、全面、無遺漏地排查故障。下面是“方位故障”的排除過程：

①在實(shí)時顯示終端對故障作復(fù)位處理，故障不能排除。

②進(jìn)入天線罩，關(guān)斷天線安全開關(guān)，查看天線，并人力推動天線在水平方向上轉(zhuǎn)動，感受天線水平方向上的阻力較輕，粗略判斷方位電機(jī)正常。

③信號處理與伺服系統(tǒng)綜合柜，拉出伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機(jī)機(jī)框，查看驅(qū)動器工作狀態(tài)：方位驅(qū)動器外殼溫度無異常；驅(qū)動器風(fēng)扇工作正常；LED數(shù)碼管顯示為“8點(diǎn)”，驅(qū)動器工作正常時LED數(shù)碼管顯示應(yīng)為“1點(diǎn)”，判斷驅(qū)動器出現(xiàn)問題。對伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機(jī)關(guān)斷重啟，天線在水平方向上能轉(zhuǎn)動十多度，就停下來，驅(qū)動器LED顯示在“8點(diǎn)”與“1點(diǎn)”間快速變換，直至顯示為“8點(diǎn)”，判斷方位驅(qū)動器出現(xiàn)異常。

④確定方位驅(qū)動器損壞，更換上新的方位驅(qū)動器，用R232串口線(線的兩端均為母頭)連接數(shù)據(jù)采集機(jī)與方位驅(qū)動器， 并對更換上的驅(qū)動器寫入備份的方位伺服數(shù)據(jù)，重啟系統(tǒng)后天線方位恢復(fù)正常。

4 小結(jié)

①伺服系統(tǒng)的器件，因距離遠(yuǎn)、連線多、電纜長、元件多，因此任何一根導(dǎo)線的連接不良好、任何一個元件的損壞都可能導(dǎo)致故障，所以檢查時要細(xì)致，并抓住重點(diǎn)功能器件，圍繞故障原因分析查找。

②伺服系統(tǒng)的方位與俯仰兩個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能基本相同，當(dāng)僅有一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可用組件替代的方法協(xié)助排查故障，可快速定位故障源，節(jié)省維修時間。

③伺服系統(tǒng)中天線控制精度、轉(zhuǎn)速、追擺等問題時涉及到電位器的調(diào)整，系統(tǒng)中的可調(diào)電位器，在調(diào)節(jié)之前應(yīng)記好位置如果不起作用應(yīng)調(diào)到原來的位置上，再查找其他原因；更換出現(xiàn)故障的元器件時，應(yīng)仔細(xì)檢查并將換上的器件與卸下的器件的設(shè)置保持一致(如板卡跳線上的短接、驅(qū)動器內(nèi)的參數(shù)設(shè)置)。