黔東南新一代天氣雷達伺服系統驅動分機故障處理

曹凱明，李路長，龍天強，楊 錦

(1.貴州省大氣探測技術與保障中心，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伺服系統驅動分機故障處理

曹凱明1，李路長2，龍天強2，楊 錦2

(1.貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

該文根據伺服系統驅動分機的工作原理，對黔東南新一代多普勒天氣雷達(CINRAD/CD)的伺服系統驅動分機故障進行處理，分析故障現象和原因，給出具體維修措施，以快速排除故障，恢復雷達正常運行。

新一代天氣雷達;伺服系統驅動分機;脈寬調制器

1 引言

貴州省黔東南新一代天氣雷達是由成都784廠設計、生產的C波段全相參多普勒天氣雷達，由發射機、接收機、伺服系統和終端組成，能有效的探測和監視冰雹、暴雨等強對流天氣。在雷達運行過程中，該天氣雷達的伺服系統頻繁出現故障，通過對此故障的深入分析和總結，有利于今后提高雷達的保障效率。

2 伺服系統驅動分機工作原理

新一代天氣雷達伺服系統包括天線方位伺服系統和天線俯仰伺服系統兩大部分，由伺服電源分機、方位/俯仰驅動分機、方位/俯仰驅動直流電動機、方位/俯仰減速器和方位/俯仰主發送器等組成。它是用來操控天線，按照終端要求設定完成各種掃描狀態，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/俯仰驅動分機主要是提供足夠的電壓、電流來驅動天線方位/俯仰執行電機，從而促使天線完成掃描任務，其工作原理如圖1所示。

由圖1可以看出，方位驅動分機和俯仰驅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、開關功率放大器的功率放大、驅動分機的開關機等。各部件原理如下：

圖1 方位/俯仰驅動分機工作原理框圖

可控硅的整流：可控硅整流穩壓輸出的直流電壓用于開關功率放大器。方位驅動分機的可控硅整流橋輸出的直流電壓為150～160 V，俯仰驅動分機的為110 V?？煽毓枵鳂虻挠|發脈沖由同步觸發產生器(控制器)產生，觸發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功率放大器上，同時輸出的直流電壓又經電壓傳感器采樣形成電壓反饋來調整可控硅觸發器的相位，從而改變了可控硅的導通角，達到調整輸出直流電壓的大小。

開關功率放大器的功率放大：開關功率放大器的作用是將脈寬調制器送來的小功率脈沖信號以開關的形式放大到足以驅動伺服電機轉動天線。

脈寬調制器：脈寬調制器的作用是將伺服系統的方位/俯仰的小功率誤差信號調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。脈寬調制器的原理框圖和各部分波形如圖2所示。

圖2 脈寬調制器原理框圖和各部分波形

由圖2可以看出，三角波發生器產生5 kH2左右的三角波電壓信號。正/負誤差信號比較器在脈寬調制器中起關鍵作用，主要由LM319雙比較器組成，它將伺服系統的方位/俯仰誤差信號和三角波發送器送來的經過正/負零位位移器的三角波電壓進行比較，產生出相應寬度的脈沖信號。得到的兩個脈沖在三角波的一個周期內的不同時間輪流給伺服電機加上脈沖電壓，以達到調整伺服電機的作用。下面結合圖3來分析脈沖信號寬度問題。

圖3 正/負誤差信號比較器工作波形圖

情況1：當誤差信號Vi≈0時，如圖3所示，正/負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節，它們共同作用在伺服電機上，使電機給伺服機械系統一個動態潤滑力，減少電機的靜態力矩。

情況2：當誤差信號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速達到最快。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 故障現象和診斷分析處理

故障現象：黔東南新一代天氣雷達在作一次體掃時，天線突然自動向高仰角爬升，當仰角到達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整機系統，天線可以自動從仰角88°下來，并作正常體掃。但此后雷達頻繁出現該故障，在數控狀態下一直保持86.4°仰角作掃描，終端重啟也沒有效果。

根據伺服系統驅動分機工作原理，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：接受各種狀態信號，進行狀態的選擇轉換和在各種狀態下把誤差信號、反饋信號、阻尼信號混合后放大。伺服系統的控制狀態包括手控狀態和數控狀態。在數控狀態時，整個天線系統受控于計算機，誤差增益和阻尼是數控狀態下的誤差增益和阻尼;手控狀態時，計算機不能控制伺服系統，伺服系統受控于手控裝置，此時的誤差和阻尼由手控信號增益和阻尼決定。手控阻尼是不可調的，調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。在數控狀態下，如果誤差信號不能進行放大、調整，那么下一級的伺服驅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：在數控狀態下讓雷達作PPI掃描，命令一個較低仰角，天線仰角也不能下來;但是在手控狀態下，轉動手柄將天線的仰角降低至70°，發現天線仰角能降下來，說明伺服系統的信號能通過匯流環到達俯仰電機，從而判斷天饋系統是正常的。隨后切換至數控狀態，設定天線固定仰角為88°，天線能正常抬升到88°，但再設定仰角從88°返回到70°時，天線運動到86.4°就停止了，重復上述過程，故障現象依舊。根據脈寬調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動系統中的脈寬調制器出現了問題。

為確定是脈寬調制器故障，將備用脈寬調制器換上，重復以上操作，發現雷達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°。再使用現場還原法對該故障進行還原，即將原來的脈寬調制器重新安裝上，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制器出現了故障。通過使用示波器對脈寬調制器進行測試，檢測原先脈寬調制器的脈寬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。

從測試結果來看，原來的脈寬調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)，更換脈寬調制器后雷達恢復正常。

圖4 圖中a、b為天線運動中備用脈寬調制器測得的脈寬1、脈寬2波形，c、d為天線運動中故障脈寬調制器測得的脈寬1、脈寬2波形

4 故障處理小結

①伺服放大器決定了整個驅動分機能否正常運行，而脈寬調制器的調制作用能使方位/俯仰驅動電機精準工作，實現天線的精確控制。

②伺服系統驅動分機的電源故障、可控硅整流故障和開關功率放大器故障將直接導致方位/俯仰驅動電機停止運行，使天線不能轉動。

圖5 圖中a、b為天線靜止時備用脈寬調制器測得的脈寬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，要根據故障現象，來準確的找到故障設備，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，多注重理論聯系實際，不斷總結經驗，以確保雷達的正常運行。

［1］國營第七八四廠.CINRAD/CD型雷達技術說明書.2010(10).

［2］魏玉鵬，王慶華，呂雪梅.CINRAD_SC天氣雷達伺服系統故障分析與排除［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.現代天氣雷達［M］.西安：電子科技大學出版社，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。