黔东南新一代天气雷达伺服系统驱动分机故障处理

曹凯明，李路长，龙天强，杨 锦

(1.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000)

黔东南新一代天气雷达伺服系统驱动分机故障处理

曹凯明1，李路长2，龙天强2，杨 锦2

(1.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省黔东南自治州气象局，贵州 凯里 556000)

该文根据伺服系统驱动分机的工作原理，对黔东南新一代多普勒天气雷达(CINRAD/CD)的伺服系统驱动分机故障进行处理，分析故障现象和原因，给出具体维修措施，以快速排除故障，恢复雷达正常运行。

新一代天气雷达;伺服系统驱动分机;脉宽调制器

1 引言

贵州省黔东南新一代天气雷达是由成都784厂设计、生产的C波段全相参多普勒天气雷达，由发射机、接收机、伺服系统和终端组成，能有效的探测和监视冰雹、暴雨等强对流天气。在雷达运行过程中，该天气雷达的伺服系统频繁出现故障，通过对此故障的深入分析和总结，有利于今后提高雷达的保障效率。

2 伺服系统驱动分机工作原理

新一代天气雷达伺服系统包括天线方位伺服系统和天线俯仰伺服系统两大部分，由伺服电源分机、方位/俯仰驱动分机、方位/俯仰驱动直流电动机、方位/俯仰减速器和方位/俯仰主发送器等组成。它是用来操控天线，按照终端要求设定完成各种扫描状态，如PPI(天线方位扫描)、RHI(天线俯仰扫描)和VCP(天线体积扫描)。其中方位/俯仰驱动分机主要是提供足够的电压、电流来驱动天线方位/俯仰执行电机，从而促使天线完成扫描任务，其工作原理如图1所示。

由图1可以看出，方位驱动分机和俯仰驱动分机除输入的交流电源和输出的直流电压不一样外，其工作原理完全一样，主要包括：可控硅的整流、开关功率放大器的功率放大、驱动分机的开关机等。各部件原理如下：

图1 方位/俯仰驱动分机工作原理框图

可控硅的整流：可控硅整流稳压输出的直流电压用于开关功率放大器。方位驱动分机的可控硅整流桥输出的直流电压为150～160 V，俯仰驱动分机的为110 V。可控硅整流桥的触发脉冲由同步触发产生器(控制器)产生，触发脉冲被送到可控硅的G极上，交流电压被送到可控硅整流桥的交流端，可控硅输出的直流电压通过接触器送到开关功率放大器上，同时输出的直流电压又经电压传感器采样形成电压反馈来调整可控硅触发器的相位，从而改变了可控硅的导通角，达到调整输出直流电压的大小。

开关功率放大器的功率放大：开关功率放大器的作用是将脉宽调制器送来的小功率脉冲信号以开关的形式放大到足以驱动伺服电机转动天线。

脉宽调制器：脉宽调制器的作用是将伺服系统的方位/俯仰的小功率误差信号调制成具有固定脉冲频率和固定脉冲幅度的脉冲信号。脉冲信号的脉冲宽度随误差信号大小和极性的变化而变化。脉宽调制器的原理框图和各部分波形如图2所示。

图2 脉宽调制器原理框图和各部分波形

由图2可以看出，三角波发生器产生5 kH2左右的三角波电压信号。正/负误差信号比较器在脉宽调制器中起关键作用，主要由LM319双比较器组成，它将伺服系统的方位/俯仰误差信号和三角波发送器送来的经过正/负零位位移器的三角波电压进行比较，产生出相应宽度的脉冲信号。得到的两个脉冲在三角波的一个周期内的不同时间轮流给伺服电机加上脉冲电压，以达到调整伺服电机的作用。下面结合图3来分析脉冲信号宽度问题。

图3 正/负误差信号比较器工作波形图

情况1：当误差信号Vi≈0时，如图3所示，正/负比较器在三角波的上、下峰值处各比较出一个窄脉冲，这两个窄脉冲的宽度和有无可以通过两个位移器进行调节，它们共同作用在伺服电机上，使电机给伺服机械系统一个动态润滑力，减少电机的静态力矩。

情况2：当误差信号Vi＞0时，在图3d中波形的－0线上加上一个＞0的Vi电压，使得－0线上移，比较器输出的－Pts脉冲加宽。当Vi增大到三角波的上顶峰时，－Pts脉冲宽度就不能再增加了，每一个－Pts脉冲连在一起了，这时伺服电机在一个方向的转速达到最快。在－Pts脉冲加宽的同时，由于Vi的加大，图3b中波形的+0线往上移，+Pts脉冲变窄，最后消失。

情况3：当Vi＜0时，与情况2相反，+Pts脉冲加宽，－Pts脉冲变窄直到消失。

3 故障现象和诊断分析处理

故障现象：黔东南新一代天气雷达在作一次体扫时，天线突然自动向高仰角爬升，当仰角到达88°左右时，就一直维持在该仰角作PPI扫描。起初通过终端重启雷达整机系统，天线可以自动从仰角88°下来，并作正常体扫。但此后雷达频繁出现该故障，在数控状态下一直保持86.4°仰角作扫描，终端重启也没有效果。

根据伺服系统驱动分机工作原理，诊断分析处理如下：

第一步：检查伺服放大器。伺服放大器的工作原理包括：接受各种状态信号，进行状态的选择转换和在各种状态下把误差信号、反馈信号、阻尼信号混合后放大。伺服系统的控制状态包括手控状态和数控状态。在数控状态时，整个天线系统受控于计算机，误差增益和阻尼是数控状态下的误差增益和阻尼;手控状态时，计算机不能控制伺服系统，伺服系统受控于手控装置，此时的误差和阻尼由手控信号增益和阻尼决定。手控阻尼是不可调的，调整手控信号的大小可以改变手控的速度。由此可知，伺服放大器的好坏决定了误差电压的输出。在数控状态下，如果误差信号不能进行放大、调整，那么下一级的伺服驱动分机就不能正常工作。更换俯仰伺服放大器，故障依然存在。

第二步：在数控状态下让雷达作PPI扫描，命令一个较低仰角，天线仰角也不能下来;但是在手控状态下，转动手柄将天线的仰角降低至70°，发现天线仰角能降下来，说明伺服系统的信号能通过汇流环到达俯仰电机，从而判断天馈系统是正常的。随后切换至数控状态，设定天线固定仰角为88°，天线能正常抬升到88°，但再设定仰角从88°返回到70°时，天线运动到86.4°就停止了，重复上述过程，故障现象依旧。根据脉宽调制器的原理和作用在伺服分机上的工作方式，可以初步判断俯仰伺服驱动系统中的脉宽调制器出现了问题。

为确定是脉宽调制器故障，将备用脉宽调制器换上，重复以上操作，发现雷达天线能顺利的从仰角88°下降至70°，也能从仰角70度顺利的抬升至88°。再使用现场还原法对该故障进行还原，即将原来的脉宽调制器重新安装上，做相同的操作，天线还是卡在仰角86.4°就不能向下运动。

由以上分析和操作可以初步判断是脉宽调制器出现了故障。通过使用示波器对脉宽调制器进行测试，检测原先脉宽调制器的脉宽1和脉宽2，在天线从低仰角向高仰角运行时，测得脉宽1无方波波形;在天线从高仰角向低仰角运行时，测得脉宽2为一脉冲宽度＜1.2 μs的方波波形;再在天线停止时，测得脉宽1也无方波波形，脉宽2有方波波形，脉冲宽度为 1.2 μs。

用示波器对备用脉宽调制器的脉宽1和脉宽2进行测试，如图4、图5所示，在天线从低仰角向高仰角运行时，测得脉宽1有方波波形，脉冲宽度为30 μs;在天线从高仰角向低仰角运行时，测得脉宽2有方波波形，脉冲宽度为60 μs。

从测试结果来看，原来的脉宽调制器测试波形不符合要求(脉宽越宽，天线向上或者向下的运动速度越快)，更换脉宽调制器后雷达恢复正常。

图4 图中a、b为天线运动中备用脉宽调制器测得的脉宽1、脉宽2波形，c、d为天线运动中故障脉宽调制器测得的脉宽1、脉宽2波形

4 故障处理小结

①伺服放大器决定了整个驱动分机能否正常运行，而脉宽调制器的调制作用能使方位/俯仰驱动电机精准工作，实现天线的精确控制。

②伺服系统驱动分机的电源故障、可控硅整流故障和开关功率放大器故障将直接导致方位/俯仰驱动电机停止运行，使天线不能转动。

图5 图中a、b为天线静止时备用脉宽调制器测得的脉宽1、脉宽2波形，c、d为天线静止时故障脉宽调制器测得的脉宽1、脉宽2波形

因此，在碰到上述故障时，要根据故障现象，来准确的找到故障设备，从而快速的排除和解决故障。今后也需要不断提高我们在维修、维护方面的能力，多注重理论联系实际，不断总结经验，以确保雷达的正常运行。

［1］国营第七八四厂.CINRAD/CD型雷达技术说明书.2010(10).

［2］魏玉鹏，王庆华，吕雪梅.CINRAD_SC天气雷达伺服系统故障分析与排除［J］.山东气象，2006(1).

［3］张先俊，袁明清.CINRAD/SB雷达故障诊断分析及处理［J］. 高原山地气象研究，2011，增刊.170 －171.

［4］何建新，姚振东，李飞，等.现代天气雷达［M］.西安：电子科技大学出版社，2004.

TN957

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1003－6598(2012)05－0049－03

2012－04－18

曹凯明(1979－)，男，工程师，主要从事气象装备保障工作。