【摘要】CINRAD/SB多普勒天氣雷達系統(tǒng)當代由于其數(shù)字化、自動化程度較高，可自動化性能較好，在雷達組網(wǎng)監(jiān)測天氣變幻中作為多普勒天氣雷達主要產品。實踐證明CINRAD/SB天氣雷達有利于布網(wǎng)、雷達維護、保障作為一個系統(tǒng)工程，一些先行者的所作文章系統(tǒng)地闡述了新一代天氣雷達的自動標校技術，為今后天氣雷達操作維修等方面起到重要指導作用，筆者通過日常工作經驗總結出雷達出廠調試、整改、試運行、以及運行中出現(xiàn)的技術問題找出對應解決方案，僅供雷達使用、維護和設計人員參考。

【關鍵詞】天氣雷達；半閉環(huán)控制；合理配置

1.伺服工作原理及控制

伺服工作的數(shù)據(jù)交換周期為45ms（即在每一周期內伺服系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理機發(fā)出的氣象運行模式指令，并返回上位數(shù)據(jù)處理機需要的天線位置、速度及BIT數(shù)據(jù)），與數(shù)據(jù)處理機接口采用RS-232串口通訊、波特率為19.2Kbps、雙工，由于伺服系統(tǒng)的工作時不僅負載慣量大而且對可靠性、穩(wěn)定性要求較高，然而對于控制的精度要求不高，所以交流伺服控制器、工控機、交流伺服電機跟一些外圍電路等構成伺服系統(tǒng)。其基本工作原理和控制工作如圖1所示。

半閉環(huán)控制方案對于伺服系統(tǒng)控制好處，由于工控機接收串口傳來的6字節(jié)命令后將其轉為位置值和速度值供倫茨伺服控制器使用，接收來天線座信息，經過處理后通過CAN總線控制伺服控制器，此時采集現(xiàn)場總線得出的電機轉速，然后由控制器給出相應指令到異步伺服電機驅動天線座以規(guī)定的方式運行，由串口將所得數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理機；關于方式切換方面，工控機由于向伺服控制器數(shù)字端口發(fā)送不同信號所以可以將相應的定位方式（天線運行到指定的方位值和仰角值）和速度方式（天線運行體掃模式），控制方位和仰角電機運轉。

2.倫茨伺服控制器

伺服控制器是控制天線的主要部件，它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

（1）由于電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等可以自行矯正，客戶可以根據(jù)自己需求自行調整PID校正，也可以使用其自適應調節(jié)功能進行校正。

（2）內部構成模塊化。

控制器內部每個模塊均提供相應的接口，用戶可通過簡單的接口互連得到所需的控制方式。

（3）控制器可以支持旋變、增量編碼器、絕對或相對正余弦編碼器速度和位置反饋輸入，端口提供2路模擬輸入、2路模擬輸出、5路數(shù)字輸入和4路數(shù)字輸出。

（4）支持RS232/RS485、光纖、InterBus-S、ProfiBus-DP、CAN等多種通訊方式，其中CAN接口內置于伺服控制器中，這為解決通訊控制提供依據(jù)。

（5）具有自檢及保護功能。可在過溫、欠壓、過流、過壓、短路等多種內外故障條件下進行故障識別，并引起警告、電機快停、內部跳閘等多級別故障響應，并有歷史緩沖區(qū)記錄最近7個故障的種類和發(fā)生的時間。

3.主要問題和解決方案

3.1 伺服系統(tǒng)精度定位

伺服系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求高但控制精度要求不高的特點，因而系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制方案，即：由伺服控制器與伺服電機構成閉環(huán)系統(tǒng)，傳動鏈及天線（負載）在閉環(huán)以外。但采用半閉環(huán)系統(tǒng)控制策略后，由于傳動鏈在閉環(huán)系統(tǒng)之外，傳動鏈的傳動誤差及回差使系統(tǒng)的精度定位達不到指標要求。無法完成精度指標：

1）方位、仰角定位誤差均小于0.2；

2）規(guī)定范圍內的任意速度下，角速度誤差精度小于5%；

3）位置回路的超調小于1%（取較小值）[9]。因此，設計中通過適當控制傳動鏈精度來滿足伺服系統(tǒng)的定位精度指標。采用半閉環(huán)控制方案既充分利用了伺服控制器的優(yōu)良性能，又減少了外圍電路和簡化了程序結構，這便于調試和控制，最重要的是提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易維護性

3.2 CAN總線通訊方式

天氣雷達的伺服系統(tǒng)要求實時監(jiān)控和響應，且有數(shù)據(jù)交換周期短、數(shù)據(jù)交換量大、數(shù)據(jù)錯誤率低等特點，以及結合伺服控制器自身的功能，采用何種通訊方式成為一個主要的問題。經試驗，RS-232和CCITTV-24通信標準不能滿足要求或效果不理想，于是只能采用CAN總線作為通訊方式。CAN總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，具有控制能力強、可靠性與故障容限高，實時響應性好，實現(xiàn)成本低、通訊協(xié)議簡單等優(yōu)點。

伺服控制器內置CAN總線接口，采用CAN總線實現(xiàn)通訊控制，既節(jié)省了通常所需的D/A和A/D變換，使得通訊成為一種控制方式，又發(fā)揮了CAN總線的低成本和高容錯優(yōu)勢。在對伺服控制器進行合理的配置后，伺服系統(tǒng)的全部操作可以通過工控機與伺服控制器之間的CAN總線完成。

根據(jù)規(guī)定的指標要求，伺服系統(tǒng)同上位數(shù)據(jù)處理機每隔45ms交換一次數(shù)據(jù)。但是，在常規(guī)方式讀取參數(shù)（例如速度等需要不斷采集的參數(shù)）時，由于倫茨伺服控制器接收讀參數(shù)操作后，需進行數(shù)據(jù)采集、運算處理后（大約30～50ms）才能夠得到參數(shù)值，即有可能在45ms時間間隔后，總線被其他讀寫操作所占用。這樣就無法返回希望得到的參數(shù)值（例如速度）。由于伺服控制器的參數(shù)是由32位二進制數(shù)經過處理得到的，因此，利用內置CAN總線的進程數(shù)據(jù)通道，直接將二進制數(shù)傳至圖2中DATA1～DATA4所在的位置，再由工控機進行數(shù)據(jù)處理。因為進程數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)采集由硬件完成，只需大約1～2ms時間。工控機在延時2～3ms后從總線上采集數(shù)據(jù)并處理，就可以得到希望的參數(shù)值，這樣將總線空閑下來，可以讓其他指令占用總線。采用此方法，既利用了伺服控制器的采集功能，又充分發(fā)揮了總線的高速率和工控機強大的計算能力。雖然采用CAN總線很好地解決了通訊控制，但另外一個問題又隨之產生：伺服控制器是一種交流變頻調速設備，內部采用了正弦波脈寬調制技術。在調試過程中發(fā)現(xiàn)，如果接地效果不佳，使CAN總線錯誤計數(shù)器累積到一定值，CAN總線就自動出現(xiàn)總線關閉狀態(tài)，這時就無法通過CAN總線控制伺服控制器。雖然后來改善了接地，問題得到解決，但由于工控機對伺服控制器控制的唯一通道是CAN總線，顯然總線關閉屬于一種失控狀態(tài)，必須采取有效措施避免系統(tǒng)失控。伺服控制器提供3種CAN總線復位方式：主電路重新上電插接模塊的總線（不是CAN總線）發(fā)復位命令；對復位參數(shù)進行寫復位操作。

4.伺服系統(tǒng)性能測試和驗證根據(jù)測試要求對伺服系統(tǒng)的方位和仰角測量

從數(shù)據(jù)可以分析出，方位和仰角的閉環(huán)精度符合指標要求，表明采用半閉環(huán)控制方案，通過適當控制傳動鏈精度是切實可行的。在業(yè)務運行過程中，統(tǒng)計由于天線動態(tài)錯誤造成的自動保護停機為2次/月，且再次運行雷達時不需要給伺服系統(tǒng)重新上電，表明采用CAN總線通訊方式是穩(wěn)定、可靠和滿足通信速度要求，同時也表明現(xiàn)場總線的自動復位處理方法是成功的。 在測試和業(yè)務運行中，伺服系統(tǒng)能按照指令準確切換各種體掃模式和接收各種指令，說明體掃模式和工作方式切換符合要求。

5.總結

采用半閉環(huán)控制方案，通過適當控制傳動鏈精度解決精度定位；采用CAN總線通訊方式解決通訊和控制，利用伺服控制器自身的功能解決CAN總線的自動復位和工作方式切換。這可幫助使用、維修人員理解伺服系統(tǒng)的工作原理，便于其分析和維修系統(tǒng)故障，并為設計伺服系統(tǒng)的控制問題提供經驗。多次現(xiàn)場測試結果表明該系統(tǒng)各項性能指標滿足要求。系統(tǒng)在業(yè)務試運行、業(yè)務運行過程中穩(wěn)定、可靠，說明采用基于CAN總線控制的交流伺服控制器應用于天氣雷達伺服系統(tǒng)是成功的，同時也表明對問題解決的結果是成功的。基于天氣雷達數(shù)據(jù)處理機的需要，采取CAN總線雖然有效地解決了通訊控制問題，但同時也帶來CAN總線自身不能自動復位的弊端，雖然采取其它途徑較好地解決了該問題，但不是最理想的方案。

參考文獻

[1]白水成，黃增林，張世昌，李崇福，李成偉.CINRAD/CB天線座控保信號的檢測與維修[J].陜西氣象，2011（5）.

[2]尹海韜，王新民，李樂堯，謝蓉.基于降階解耦的最優(yōu)伺服控制器設計及在著艦控制上的應用[J].西北工業(yè)大學學報，2013（3）.

[3]劉昌權，王志勝.伺服跟蹤系統(tǒng)的預見預測控制器設計[J].機械與電子，2012（11）.

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