車載雷達機電控制系統安全性設計

張 偉，盧 銘

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

作為雷達設備“六性”設計之一，安全性設計貫穿設備的設計、加工、調試、試驗、使用、維修等整個裝備生命過程，其重要性不言而喻。人員的人身安全、設備的可靠工作對于整部雷達正常工作至關重要。相對于岸基固定式雷達，車載雷達的機電控制系統多而復雜，具有執行機構多、驅動電機多、傳感器多和控制系統復雜的特點，且各機電控制子系統之間存在關聯，安全性設計要求較高。為保證人身安全和設備安全，機電控制系統在方案設計之初便要進行安全性設計，統籌考慮，辨別其中存在的安全隱患，并針對性地提出解決措施。本文以某型岸基車載雷達為例，系統地介紹了該型車載雷達機電控制系統在安全性方面所進行的設計。

1 系統概述

某型岸基車載雷達機電控制系統包括方位控制系統、饋源控制系統、天線展收控制系統和載車調平控制系統。

方位控制系統主要由伺服機柜、方位電機、方位轉臺、自整角機、方位鎖銷等組成，用于控制方位轉臺按照操控指令進行方位環掃、扇掃、定位、停車首等動作。

饋源控制系統主要由伺服機柜、饋源轉臺、饋源電機以及接近開關等組成，用于控制饋源轉臺旋轉、定位，使得饋源轉臺上3個頻段的喇叭分時對準天線面陣。

圖1 天線、轉臺結構示意圖

天線展收控制系統由天線展收控制主站、天線展收控制分站、變頻器、左邊塊傳動裝置(含電機）、右邊塊傳動裝置(含電機）、主塊傳動裝置(含電機）、限位開關等組成，用于控制天線的展開與收疊。天線展收控制系統主要工作是到達陣地后的天線展開，使得天線處于雷達工作狀態，以及撤離陣地前的天線收疊，確保天線收疊后其高度、寬度滿足公路運輸要求。

載車調平控制系統主要由一臺控制機箱、四條機電式調平支腿、一臺水平傳感器組成，用于載車到達預設陣地后將載車平臺的水平度調至精度要求內，以及撤離陣地前的收支腿。

2 安全性設計

安全性設計的最終目的是保證人員和設備的安全［1］。該型雷達機電控制系統安全性設計主要從結構設計和伺服控制兩方面進行，同時也充分考慮了人員操作習慣、結構運動空間、各機電控制子系統間的關聯。

2.1 方位控制系統安全性設計

方位控制系統安全性設計的目的是防止天線旋轉時對人員的傷害，以及在天線未展開情況下或方位轉臺鎖定的情況下旋轉造成結構損壞，為此采取了以下安全設計:

(1）載車平臺上設置安全開關，維修人員上載車平臺之前，將安全開關撥至“斷”的位置，此時方位電機不工作，方位轉臺不會旋轉，保證了人員安全。

(2）天線展收控制系統與方位控制系統之間建立通訊接口，進行天線展開到位狀態傳輸，避免天線在未展開到位的狀態下天線方位旋轉，導致天線結構的損壞。

(3）方位轉臺設計有方位鎖銷，在天線停車首時可鎖定方位轉臺，同時設置方位鎖銷傳感器，并將信號分別接入方位控制系統和天線展收控制系統，確保在鎖定狀態下方位電機無法旋轉，保護天線結構。

伺服分機也會將上述狀態送至終端顯控臺。終端顯控臺在發送方位旋轉命令前，也會判斷上述安全條件是否滿足，若滿足才發送，若不滿足則不發送，同時提示操作人員當前天線不能旋轉。

2.2 饋源控制系統安全性設計

饋源控制系統安全性設計的目的是防止接近開關損壞或者結構咬死導致電機堵轉，從而破壞內部結構件。為此，進行以下安全設計:

(1）在饋源轉臺的左、右極限位置分別設置兩個結構擋塊，同時在極限位置處設置了接近開關用于控制保護。

(2）由于饋源喇叭相對位置固定，轉速已知，因此可預知從當前饋源切換至下一目標饋源所需要的時間。為防止結構咬死或者接近開關失效導致電機堵轉，軟件中設置了時間檢測功能，當饋源動作時間超過正常運動所需時間后的一段時間內仍然沒有檢測到接近開關信號，則軟件自動將饋源電機停止，并向終端顯控臺報送饋源轉臺故障，這樣便防止了電機持續堵轉導致結構件破壞。

(3）此外，饋源轉臺內設置安全銷，在上述兩種安全措施均失效的情況下將首先損壞安全銷，從而切斷電機的動力輸入，保護其余結構件不被損壞。

2.3 天線展收控制系統安全性設計

作為該車載雷達系統最復雜、技術難度最大的機電控制子系統，天線展收控制系統的安全風險最大。為此，采取了多重安全保護技術，比如應用三維仿真進行結構設計，合理設置限位開關，實時采集電流進行電機保護等。

天線展收運動部件多，運動為空間運動，為防止結構件相互干涉，因此在進行結構設計時采取了三維建模技術和虛擬裝配技術，確保天線在進行展收動作時不會出現結構件干涉現象。

此外，天線展收控制系統還存在以下幾個安全隱患，一是天線展收不可與方位旋轉同時動作，二是防止結構件傳動絲桿咬死，三是天線展收控制系統失控，四是防止限位開關失效。針對以上隱患分別采取了如下措施:

(1）天線展收時，必須將天線方位停在車首位置，并通過方位鎖銷將方位轉臺鎖定，確保方位轉臺固定，方位電機不會旋轉。此外，在天線展收控制主站上分別設置“方位”動力和“展收”動力開關，并把“方位”和“展收”開關設置成互鎖開關，確保方位動力電源和展收動力電源不可能同時上電，確保了在進行展收動作時方位電機不會旋轉。

(2）天線在進行展收動作時，控制軟件實時采集電機反饋電流，并進行全程監控，若電流異常增大，則立即停止電機轉動，防止結構件咬死事件發生，確保系統結構件不損壞。

(3）天線展收控制系統采用CAN 總線與變頻器進行通訊，從而控制電機的起停、轉速、方向等。為防止天線在展開或收疊動作時CAN 總線中斷，導致控制系統失去對電機的控制，從而引起結構沖擊，為此天線展收控制系統定時向變頻器發送查詢碼。若CAN 通訊中斷，變頻器接收不到控制系統發出的查詢碼，變頻器將自動停止電機轉動。

(4）天線展收控制系統在關鍵處均設置了限位開關，比如在天線展開到位處設置了限位開關，到位時會自動觸發限位開關。為避免運輸時的振動沖擊損壞各傳動絲桿，電子設備載車平臺上設置主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷，在運輸時將天線主塊、邊塊鎖定。同時，這些鎖銷處均設置了限位開關，并將信號接入天線展收控制系統，從軟件上確保在未解除主塊鎖銷、左右邊塊鎖銷之前天線主塊、邊塊電機不會工作。

為防止限位開關損壞或連接電纜斷裂導致限位開關檢測失效，限位開關均采取備份，確保單一開關失效時不至于系統失控。

圖2 天線鎖定裝置示意圖

最后，天線展收控制系統操作面板增加“急停”按鈕，在緊急情況下按下“急停”按鈕，則立即跳開天線展收動力開關，確保結構件不損壞。

2.4 載車調平控制系統安全性設計

載車調平控制系統的安全隱患主要是調平腿不協調動作，比如某一條或兩條腿動作，而剩余的腿并未動作，導致整個載車平臺傾斜甚至傾覆。為此，實時采集載車平臺水平傳感器的數據，當水平數值出現放大現象且超過一定數值時，則電機立即停止動作，確保載車平臺不會出現傾斜、傾覆的現象。

調平支腿采取了T 型絲桿結構，為防止結構件咬死，也同樣實時采集電機反饋電流進行電流保護。

此外，在調平腿的伸縮極限位置處均設有限位開關，當觸發限位開關時也會立即停止電機，防止電機堵轉。

2.5 警示、提示

電子設備載車平臺相關位置處設置天線展收操作流程指示牌以及警示標牌，一方面告知操作人員正確的操作流程和注意事項，另一方面提醒操作人員上載車平臺時需注意的安全措施。

天線展收控制單元設置電鈴，用于在天線展開或收疊動作前通過鈴聲提醒人員注意，避免人員傷害。

3 結束語

車載雷達機電控制系統的安全性設計是一項系統性的工程設計，關系到人身和設備的安全，在方案設計之初時必須全盤考慮。在進行安全性設計時，除了考慮設備正常工作時隱藏的安全隱患，更要考慮在操作失誤、器件損壞、加電異常、通訊中斷等異常情況下會對人員和雷達設備帶來怎樣的傷害，并針對性地采取安全措施。此外，在設計圖紙物化后，需要通過各種辦法來進行模擬測試，確保安全措施合理、有效，以此來保證安全性設計的正確性和可行性。

［1］平麗浩，等.雷達結構與工藝.北京:電子工業出版社，2007.

［2］夏勇，等.雷達機電一體化系統的安全性設計［C］//中國電子學會可靠性分會第十三屆學術年會論文選，2006.

［3］陸廷孝，等.可靠性設計與分析［M］.北京:國防工業出版社，1996.