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
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。
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。
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
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.
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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。