曹凱明，李路長，龍?zhí)鞆?，?錦

(1.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 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)動分機故障處理

曹凱明1，李路長2，龍?zhí)鞆?，楊 錦2

(1.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 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)動分機的工作原理，對黔東南新一代多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD/CD)的伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機故障進行處理，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)正常運行。

新一代天氣雷達(dá);伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機;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、生產(chǎn)的C波段全相參多普勒天氣雷達(dá)，由發(fā)射機、接收機、伺服系統(tǒng)和終端組成，能有效的探測和監(jiān)視冰雹、暴雨等強對流天氣。在雷達(dá)運行過程中，該天氣雷達(dá)的伺服系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)故障，通過對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)動分機工作原理

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、方位/俯仰驅(qū)動分機、方位/俯仰驅(qū)動直流電動機、方位/俯仰減速器和方位/俯仰主發(fā)送器等組成。它是用來操控天線，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)動分機主要是提供足夠的電壓、電流來驅(qū)動天線方位/俯仰執(zhí)行電機，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)動分機和俯仰驅(qū)動分機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)動分機的開關(guān)機等。各部件原理如下：

圖1 方位/俯仰驅(qū)動分機工作原理框圖

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)動分機的可控硅整流橋輸出的直流電壓為150～160 V，俯仰驅(qū)動分機的為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接觸器送到開關(guān)功率放大器上，同時輸出的直流電壓又經(jīng)電壓傳感器采樣形成電壓反饋來調(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)制器送來的小功率脈沖信號以開關(guān)的形式放大到足以驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動天線。

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調(diào)制成具有固定脈沖頻率和固定脈沖幅度的脈沖信號。脈沖信號的脈沖寬度隨誤差信號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。正/負(fù)誤差信號比較器在脈寬調(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/俯仰誤差信號和三角波發(fā)送器送來的經(jīng)過正/負(fù)零位位移器的三角波電壓進行比較，產(chǎn)生出相應(yīng)寬度的脈沖信號。得到的兩個脈沖在三角波的一個周期內(nèi)的不同時間輪流給伺服電機加上脈沖電壓，以達(dá)到調(diào)整伺服電機的作用。下面結(jié)合圖3來分析脈沖信號寬度問題。

圖3 正/負(fù)誤差信號比較器工作波形圖

情況1：當(dāng)誤差信號Vi≈0時，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窄脈沖，這兩個窄脈沖的寬度和有無可以通過兩個位移器進行調(diào)節(jié)，它們共同作用在伺服電機上，使電機給伺服機械系統(tǒng)一個動態(tài)潤滑力，減少電機的靜態(tài)力矩。

情況2：當(dāng)誤差信號Vi＞0時，在圖3d中波形的－0線上加上一個＞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，－Pts脈沖寬度就不能再增加了，每一個－Pts脈沖連在一起了，這時伺服電機在一個方向的轉(zhuǎn)速達(dá)到最快。在－Pts脈沖加寬的同時，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，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，天線突然自動向高仰角爬升，當(dāng)仰角到達(dá)88°左右時，就一直維持在該仰角作PPI掃描。起初通過終端重啟雷達(dá)整機系統(tǒng)，天線可以自動從仰角88°下來，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，終端重啟也沒有效果。

根據(jù)伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機工作原理，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，進行狀態(tài)的選擇轉(zhuǎn)換和在各種狀態(tài)下把誤差信號、反饋信號、阻尼信號混合后放大。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，整個天線系統(tǒng)受控于計算機，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，計算機不能控制伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)受控于手控裝置，此時的誤差和阻尼由手控信號增益和阻尼決定。手控阻尼是不可調(diào)的，調(diào)整手控信號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，如果誤差信號不能進行放大、調(diào)整，那么下一級的伺服驅(qū)動分機就不能正常工作。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，命令一個較低仰角，天線仰角也不能下來;但是在手控狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動手柄將天線的仰角降低至70°，發(fā)現(xiàn)天線仰角能降下來，說明伺服系統(tǒng)的信號能通過匯流環(huán)到達(dá)俯仰電機，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，天線運動到86.4°就停止了，重復(fù)上述過程，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上的工作方式，可以初步判斷俯仰伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制器出現(xiàn)了問題。

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)場還原法對該故障進行還原，即將原來的脈寬調(diào)制器重新安裝上，做相同的操作，天線還是卡在仰角86.4°就不能向下運動。

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。通過使用示波器對脈寬調(diào)制器進行測試，檢測原先脈寬調(diào)制器的脈寬1和脈寬2，在天線從低仰角向高仰角運行時，測得脈寬1無方波波形;在天線從高仰角向低仰角運行時，測得脈寬2為一脈沖寬度＜1.2 μs的方波波形;再在天線停止時，測得脈寬1也無方波波形，脈寬2有方波波形，脈沖寬度為 1.2 μs。

用示波器對備用脈寬調(diào)制器的脈寬1和脈寬2進行測試，如圖4、圖5所示，在天線從低仰角向高仰角運行時，測得脈寬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行時，測得脈寬2有方波波形，脈沖寬度為60 μs。

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

圖4 圖中a、b為天線運動中備用脈寬調(diào)制器測得的脈寬1、脈寬2波形，c、d為天線運動中故障脈寬調(diào)制器測得的脈寬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驅(qū)動分機能否正常運行，而脈寬調(diào)制器的調(diào)制作用能使方位/俯仰驅(qū)動電機精準(zhǔn)工作，實現(xiàn)天線的精確控制。

②伺服系統(tǒng)驅(qū)動分機的電源故障、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)動電機停止運行，使天線不能轉(zhuǎn)動。

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

因此，在碰到上述故障時，要根據(jù)故障現(xiàn)象，來準(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在維修、維護方面的能力，多注重理論聯(lián)系實際，不斷總結(jié)經(jīng)驗，以確保雷達(dá)的正常運行。

［1］國營第七八四廠.CINRAD/CD型雷達(dá)技術(shù)說明書.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。