倫茨伺服控制器的功能及其在CINRAD/SB中的應用

【摘要】CINRAD/SB多普勒天氣雷達系統當代由于其數字化、自動化程度較高，可自動化性能較好，在雷達組網監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、雷達維護、保障作為一個系統工程，一些先行者的所作文章系統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；半閉環控制；合理配置

1.伺服工作原理及控制

伺服工作的數據交換周期為45ms（即在每一周期內伺服系統接收數據處理機發出的氣象運行模式指令，并返回上位數據處理機需要的天線位置、速度及BIT數據），與數據處理機接口采用RS-232串口通訊、波特率為19.2Kbps、雙工，由于伺服系統的工作時不僅負載慣量大而且對可靠性、穩定性要求較高，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。其基本工作原理和控制工作如圖1所示。

半閉環控制方案對于伺服系統控制好處，由于工控機接收串口傳來的6字節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定的方式運行，由串口將所得數據傳至數據處理機；關于方式切換方面，工控機由于向伺服控制器數字端口發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，它的優點主要體現在：

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

（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路數字輸入和4路數字輸出。

（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。

（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，并有歷史緩沖區記錄最近7個故障的種類和發生的時間。

3.主要問題和解決方案

3.1 伺服系統精度定位

伺服系統的可靠性和穩定性要求高但控制精度要求不高的特點，因而系統采用半閉環控制方案，即：由伺服控制器與伺服電機構成閉環系統，傳動鏈及天線（負載）在閉環以外。但采用半閉環系統控制策略后，由于傳動鏈在閉環系統之外，傳動鏈的傳動誤差及回差使系統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的定位精度指標。采用半閉環控制方案既充分利用了伺服控制器的優良性能，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的可靠性、穩定性和易維護性

3.2 CAN總線通訊方式

天氣雷達的伺服系統要求實時監控和響應，且有數據交換周期短、數據交換量大、數據錯誤率低等特點，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總線的最大數據傳輸速率為1Mbit/s，具有控制能力強、可靠性與故障容限高，實時響應性好，實現成本低、通訊協議簡單等優點。

伺服控制器內置CAN總線接口，采用CAN總線實現通訊控制，既節省了通常所需的D/A和A/D變換，使得通訊成為一種控制方式，又發揮了CAN總線的低成本和高容錯優勢。在對伺服控制器進行合理的配置后，伺服系統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。

根據規定的指標要求，伺服系統同上位數據處理機每隔45ms交換一次數據。但是，在常規方式讀取參數（例如速度等需要不斷采集的參數）時，由于倫茨伺服控制器接收讀參數操作后，需進行數據采集、運算處理后（大約30～50ms）才能夠得到參數值，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值（例如速度）。由于伺服控制器的參數是由32位二進制數經過處理得到的，因此，利用內置CAN總線的進程數據通道，直接將二進制數傳至圖2中DATA1～DATA4所在的位置，再由工控機進行數據處理。因為進程數據通道的數據采集由硬件完成，只需大約1～2ms時間。工控機在延時2～3ms后從總線上采集數據并處理，就可以得到希望的參數值，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。在調試過程中發現，如果接地效果不佳，使CAN總線錯誤計數器累積到一定值，CAN總線就自動出現總線關閉狀態，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，必須采取有效措施避免系統失控。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）發復位命令；對復位參數進行寫復位操作。

4.伺服系統性能測試和驗證根據測試要求對伺服系統的方位和仰角測量

從數據可以分析出，方位和仰角的閉環精度符合指標要求，表明采用半閉環控制方案，通過適當控制傳動鏈精度是切實可行的。在業務運行過程中，統計由于天線動態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重新上電，表明采用CAN總線通訊方式是穩定、可靠和滿足通信速度要求，同時也表明現場總線的自動復位處理方法是成功的。 在測試和業務運行中，伺服系統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的工作原理，便于其分析和維修系統故障，并為設計伺服系統的控制問題提供經驗。多次現場測試結果表明該系統各項性能指標滿足要求。系統在業務試運行、業務運行過程中穩定、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。基于天氣雷達數據處理機的需要，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伺服控制器設計及在著艦控制上的應用[J].西北工業大學學報，2013（3）.

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

[4]劉棟，陶濤，梅雪松，張東升.伺服系統線性特性和非線性摩擦的解耦辨識方法研究[J].儀器儀表學報，2010，31（4）.