張　奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

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二次雷達(dá)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

摘要：針對(duì)二次雷達(dá)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提出設(shè)計(jì)方案，通過(guò)超越離合器與雙PLC冗余系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)解決了在天線發(fā)生故障的情況下實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的自動(dòng)切換問(wèn)題；通過(guò)對(duì)電路的重新設(shè)計(jì)，解決了大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)中央控制單元的電磁干擾問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)；冗余系統(tǒng)；電磁干擾；Modbus協(xié)議

0概述

二次雷達(dá)是一種收發(fā)采用不同頻率的雷達(dá)，主要用于對(duì)象的識(shí)別。二次雷達(dá)可獲取對(duì)象的點(diǎn)跡位置、速度、高度、航跡、代碼等重要信息，可以說(shuō)是空中交通管理的中樞系統(tǒng)[1]。

二次雷達(dá)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)作為二次雷達(dá)的一個(gè)重要組成部分，包括兩套互為冗余的控制設(shè)備與機(jī)構(gòu)(天線轉(zhuǎn)臺(tái)除外)，符合二次雷達(dá)對(duì)于設(shè)備可靠性高的要求，能夠24小時(shí)不停機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)一套控制設(shè)備在發(fā)生故障的時(shí)候，中央處理單元PLC一方面可以通過(guò)串口向終端報(bào)警，另一方面立即將另一套控制設(shè)備投入使用。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在于如何解決在天線發(fā)生故障的情況下實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的自動(dòng)切換、對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障如何檢測(cè)以及如何解決大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)中央控制單元的電磁干擾等問(wèn)題。而產(chǎn)生電磁干擾的條件有以下幾方面[2]：首先是存在電磁干擾源；其次是具備電磁干擾的途徑；三是設(shè)備自身的敏感度。

隨著超短脈沖在激光雷達(dá)、光纖通信等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。這種能夠輸出大功率窄脈寬電流的驅(qū)動(dòng)源，其出色的性能以及廣闊的應(yīng)用前景引起了各方關(guān)注。該二次雷達(dá)使用的是一款大功率脈沖驅(qū)動(dòng)源，理論上可以產(chǎn)生納秒級(jí)脈寬及大幅度的脈沖電流。針對(duì)這樣一款基于高頻電路的脈沖驅(qū)動(dòng)源，電磁兼容性的好壞直接決定了設(shè)備輸出脈沖的質(zhì)量以及工作穩(wěn)定性?？梢哉f(shuō)，解決大功率脈沖驅(qū)動(dòng)源的電磁干擾問(wèn)題是提高其所驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品的必要前提。

1系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

二次雷達(dá)驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分可分為四個(gè)組成部分：天線轉(zhuǎn)臺(tái)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備、高低波束極化器及控制設(shè)備、潤(rùn)滑泵站及潤(rùn)滑油路以及位于室內(nèi)設(shè)備中的配電控制機(jī)柜[3]。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為室外設(shè)備安裝在塔頂?shù)奶炀€罩內(nèi)。潤(rùn)滑泵站安裝在天線塔下泵站機(jī)房?jī)?nèi)，為使其油路回油順暢，泵站應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái)保持一定的高度差。

在配電機(jī)柜中，位于機(jī)柜頂端的是兩套配電分機(jī)，為整機(jī)提供配電電源，包括為驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)提供兩路三相電源、單相電源。

驅(qū)動(dòng)機(jī)柜中設(shè)置雙PLC冗余系統(tǒng)，與控制對(duì)象通信方式如圖1所示。

圖1　驅(qū)動(dòng)機(jī)柜原理框圖

1.2天線轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)的自由切換(包括在運(yùn)行過(guò)程中的熱切換)是關(guān)系到驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。須從機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)控制方式兩個(gè)方面來(lái)考慮。

首先，作為常用的電磁離合器如果在電機(jī)熱切換的情況下使用，前提是要求兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在基本一致的情況下，才能啟動(dòng)電磁離合器使電機(jī)切換成功。這樣就使雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)切換在使用上存在很大的局限性。為此在二次雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)上采用了超越離合器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，電磁離合器僅作為備份使用。超越離合器是一種靠主、從動(dòng)部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化或回轉(zhuǎn)的變換能自動(dòng)結(jié)合或脫開(kāi)的離合器。由于超越離合器自身的棘輪結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的單向運(yùn)轉(zhuǎn)，從結(jié)構(gòu)上講，超越離合器的主動(dòng)輪是通過(guò)摩擦力來(lái)帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，當(dāng)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速相等時(shí)離合器即實(shí)現(xiàn)接合。這樣，轉(zhuǎn)臺(tái)雙電機(jī)的切換就不需要考慮兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的任意切換。

其次，在控制設(shè)備上采用西門(mén)子MMV750/3變頻控制器為主要驅(qū)動(dòng)功率器件，由于使用變頻控制器可以通過(guò)均勻改變電機(jī)定子供電頻率f的方法，平滑地改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。解決了異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)與轉(zhuǎn)速可調(diào)的問(wèn)題。以可編程控制器S7-200作為中央處理單元，對(duì)變頻控制器實(shí)施控制與監(jiān)測(cè)，通過(guò)串行通訊口對(duì)變頻控制器的狀態(tài)進(jìn)行采集，采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)信息。當(dāng)變頻控制器或驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生故障后，S7-200PLC一方面可以向主控報(bào)警，另一方面可以立即啟動(dòng)另一路驅(qū)動(dòng)控制單元，實(shí)現(xiàn)在天線不停轉(zhuǎn)的情況下的雙機(jī)切換。

二次雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)臺(tái)包括雙套傳動(dòng)裝置，每套裝置均由7.5KW電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)、回轉(zhuǎn)支承、超越離合器與小齒輪等組成。減速機(jī)型號(hào)為CWVS10-4165-25，離合器型號(hào)為MZ60G，回轉(zhuǎn)支承型號(hào)為06.0823.31ZZ10。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總速比：i =97.18。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　天線轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

1.3系統(tǒng)控制原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)和泵站、極化器的控制、監(jiān)控及雙機(jī)切換等功能，本系統(tǒng)采用以西門(mén)子S7-200系列可編程控制器(PLC)為中心處理單元，以西門(mén)子MMV750/3系列變頻控制器為主包括接觸器、繼電器、AC/DC電源、行程開(kāi)關(guān)、電源濾波器等的控制單元。圖3、圖4中分別表示的是PLC 與各控制子系統(tǒng)之間的控制關(guān)系。

圖3　驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)控制關(guān)系

圖4　泵站控制子系統(tǒng)控制關(guān)系

在上電初始化的過(guò)程中，默認(rèn)PLCA為主控PLC，PLCB為從PLC，由PLCA向主控計(jì)算機(jī)回饋驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)的狀態(tài)信息。首先，檢測(cè)油溫傳感器的油溫信號(hào)，判斷是否大于-5℃，若小于該溫度值，則啟動(dòng)加熱器加熱泵站潤(rùn)滑油，并向主控報(bào)油低溫故障。在上電1分鐘之后啟動(dòng)泵站電機(jī)，泵站工作。泵站為間歇工作制，工作3分鐘，停機(jī)1小時(shí)。在工作過(guò)程中，PLC監(jiān)測(cè)壓差、壓力及液位信號(hào)，將工作狀態(tài)回饋監(jiān)控。如果泵機(jī)A在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障，則立即啟動(dòng)泵機(jī)B，并向主控報(bào)泵機(jī)故障。在接收到主控發(fā)出的開(kāi)電機(jī)指令后，先鳴警鈴30秒后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)按設(shè)定的加速曲線在指定時(shí)間內(nèi)加速到指定轉(zhuǎn)速。在天線的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，PLC的模擬量擴(kuò)展模塊采樣變頻控制器輸出的電流或轉(zhuǎn)速模擬量信號(hào)，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流、天線轉(zhuǎn)速等控制量進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)一套驅(qū)動(dòng)設(shè)備發(fā)生故障，PLC檢測(cè)到變頻控制器輸出的故障信號(hào)后，立即啟動(dòng)另一套驅(qū)動(dòng)設(shè)備，利用天線的運(yùn)轉(zhuǎn)慣性以及超越離合器的特性，在天線不停轉(zhuǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的熱切換。PLC通過(guò)串口讀取故障變頻控制器的狀態(tài)信息，將故障信息回饋主控計(jì)算機(jī)。主控權(quán)可以方便地在PLCA與PLCB之間切換，當(dāng)控制權(quán)由PLCA交到PLCB后，PLCB便成為主控PLC，于是所有的控制任務(wù)均由PLCB執(zhí)行。

1.4通訊功能

二次雷達(dá)的主控計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，各分系統(tǒng)的中央處理單元(PLC、PC104或單片機(jī))作為從機(jī)掛在RS485總線上，遵從Modbus 通訊協(xié)議與主機(jī)進(jìn)行通信。驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)中的中央處理單元PLCA(地址03)、PLCB(地址13)均作為從機(jī)掛在總線上，與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行主從通訊。

Modbus協(xié)議支持兩種幀結(jié)構(gòu)ASCII或RTU模式。在RTU模式信息的每個(gè)字節(jié)被作為一個(gè)8位的二進(jìn)制碼。在ASCII模式信息的每個(gè)字節(jié)被分成兩個(gè)半字元，每個(gè)半字元被轉(zhuǎn)換成7位的ASCII碼字符傳送。其結(jié)構(gòu)分別如表1所示。

表1　Modbus協(xié)議ASCII幀結(jié)構(gòu)

2驅(qū)動(dòng)源電磁干擾解決方案

該二次雷達(dá)系統(tǒng)采用大功率窄脈沖寬電流的驅(qū)動(dòng)源電路，電路輸出測(cè)試設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致波形倒置。核心線路板選擇直插式分立元件，整體電路的分布電感大，使得輸出波形失真。原電路還采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使得整個(gè)線路板抗擾能力差，電路板走線更未能考慮高頻PCB板的布線原則，過(guò)孔數(shù)多，根本未能考慮 PCB 基板材料(介電系數(shù) ε、介電損耗tanδ)，更沒(méi)有進(jìn)行良好的接地設(shè)計(jì)。輸入端雖然采用大功率高速 MOSFET，但由于沒(méi)有進(jìn)行很好地處理，使得輸出信號(hào)失真嚴(yán)重[4]。此外，PCB布線和元件選擇不當(dāng)還帶來(lái)了低速電路可以忽略不計(jì)的復(fù)雜干擾。針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)該線路板做了以下優(yōu)化：首先大功率脈沖驅(qū)動(dòng)源由脈沖信號(hào)形成模塊、脈沖信號(hào)放大模塊以及高速開(kāi)關(guān)模塊構(gòu)成，脈沖信號(hào)形成模塊由方波產(chǎn)生器與脈沖整形器構(gòu)成，二者結(jié)合后可以輸出具有固定頻率、納秒級(jí)脈寬的矩形脈沖[5]。脈沖放大模塊則對(duì)所形成的窄脈沖整形信號(hào)進(jìn)行功率放大，達(dá)到驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)模塊的目的。脈沖形成及放大模塊輔以軟開(kāi)關(guān)電路與溫控模塊控制，高速開(kāi)關(guān)模塊輔以過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行限流。樣機(jī)包含同步輸出端口、脈沖采樣輸出端口以及脈沖輸出端口，其中脈沖輸出端口需要外接輔助電路模塊以限制其對(duì)負(fù)載的分流作用[6]。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

參考文獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：東　艷]　第34卷第1期2016年1月西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)JournalofXi'anAeronauticalUniversityVol.34No.1Jan.2016

Design of Secondary Radar Drive System

ZHANGQi

(Department of Electrical Engineering,Maanshan Technical College,Maanshan 243031,China)

Abstract：This scheme is designed to solve two key problems in the secondary radar drive system.The application design of the redundant system of the clutch and the dual PLC solves the problem of automatic switching of the antenna in the case of failure.The redesign of circuit also eliminates the electromagnetic interference of high-power driving equipment to central control unit.

Key words：secondary radar;redundancy system;electromagnetic interference;Modbus protocol

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)01-0021-03

作者簡(jiǎn)介：張奇(1973-)，男，安徽六安人，副教授，從事工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：安徽省省級(jí)精品資源共享課《工控組態(tài)技術(shù)》(2014gxk104)

收稿日期：2015-12-19