ADWR多普勒天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障分析與處理

韓 濤，劉旭丹

(1.黑龍江空管分局，哈爾濱 150079;2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

民航機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)(ADWR)是由安徽四創(chuàng)電子有限公司設(shè)計(jì)、開發(fā)研制的新一代大型C波段全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)［1］。它除了具有常規(guī)天氣雷達(dá)探測降水回波的位置、強(qiáng)度等功能之外，還以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過測定回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)高頻頻率(相位)之間存在的差異，進(jìn)一步得出雷達(dá)電磁波束有效照射體積內(nèi)，降水粒子徑向運(yùn)動(dòng)速度和速度譜寬，從而在一定條件下，反演出大氣風(fēng)場、氣流垂直速度分布，以及湍流狀況等。ADWR雷達(dá)能監(jiān)測雷達(dá)四周400km范圍內(nèi)的氣象目標(biāo)，定量測量200km范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的強(qiáng)度，檢測150km范圍內(nèi)降水粒子群相對(duì)于雷達(dá)的平均徑向速度和速度譜寬。它是分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對(duì)流危險(xiǎn)天氣，制作短時(shí)天氣預(yù)報(bào)，保障民航飛行安全的強(qiáng)有力的工具。

筆者介紹了多普勒天氣雷達(dá)伺服分系統(tǒng)的組成、工作過程，并通過筆者單位雷達(dá)使用過程中出現(xiàn)的伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信故障，分析多普勒天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)的檢修過程。

1 伺服系統(tǒng)的組成、工作過程

1.1 組成

伺服分系統(tǒng)由伺服控制板、方位驅(qū)動(dòng)器、方位R/D變換板、俯仰驅(qū)動(dòng)器、俯仰R/D變換板、本地控制鍵盤、顯示面板、開關(guān)電源以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器(旋轉(zhuǎn)變壓器)、伺服電機(jī)等組成，其組成框圖如圖1所示:

圖1 伺服系統(tǒng)組織框圖Fig.1 Servo control system block diagram

1.2 工作過程

伺服控制板是伺服分系統(tǒng)的核心電路，本控、遙控操作指令、天線位置信息和故障狀態(tài)都送到伺服控制板，相應(yīng)的軟件對(duì)以上指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生控制方位和俯仰電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不同頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器控制天線做相應(yīng)的方位和俯仰掃描。方位和俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的代表天線方位角和仰角信息的信號(hào)，經(jīng)方位和俯仰R/D變換板變換為14位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，回饋給伺服控制板，再送至信號(hào)處理分系統(tǒng)。

本控鍵盤與面板顯示器用來對(duì)天線掃描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行本地控制并顯示天線方位角和仰角位置。

開關(guān)電源電路產(chǎn)生+5V、±15V直流電壓供伺服控制板和R/D變換板使用。

伺服分系統(tǒng)開機(jī)后，伺服控制軟件首先對(duì)硬件電路進(jìn)行初始化，判斷有無故障，判斷結(jié)果回饋給雷達(dá)監(jiān)控分系統(tǒng)，若無故障則進(jìn)入等待狀態(tài)。收到本控或遙控指令后，經(jīng)運(yùn)算處理送出相應(yīng)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)方位和俯仰電機(jī)指令要求的方式進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)。脈沖信號(hào)的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。電機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速和所處的方位角、仰角位置也是伺服控制軟件進(jìn)行計(jì)算處理時(shí)的重要數(shù)據(jù)，例如天線正進(jìn)行RHI掃描，仰角位置為15°且正在上升的時(shí)刻，如接收到仰角停止在10°的定位指令，軟件會(huì)首先使俯仰電機(jī)減速、停機(jī)，然后再下降到10°的位置。

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)器功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of servo drive function

2 伺服系統(tǒng)故障處理

2.1 故障現(xiàn)象

多普勒天氣雷達(dá)運(yùn)行過程中出現(xiàn)告警，顯示“俯仰電源故障”，檢查俯仰電源開關(guān)，為閉合狀態(tài);檢查俯仰驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼管顯示“21”。遙控關(guān)閉綜合機(jī)柜電源開關(guān)，等待片刻，再重新打開綜合機(jī)柜開關(guān)，故障恢復(fù)，但一段時(shí)間后，此故障又出現(xiàn)。

驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出信號(hào)連接方式

(1)控制信號(hào)的鏈接

經(jīng)XP06接入驅(qū)動(dòng)器的是來自俯仰R/D變換板上驅(qū)動(dòng)接口電路送來的+15V工作電壓、俯仰控制信號(hào)、俯仰驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)和向R/D變換板反饋的俯仰狀態(tài)信號(hào)。俯仰控制信號(hào)連接示意圖如圖-3所示。

俯仰伺服開機(jī):FYSFON開關(guān)閉合時(shí)動(dòng)態(tài)制動(dòng)被釋放，開關(guān)斷開時(shí)動(dòng)態(tài)制動(dòng)器起作用，伺服關(guān)閉，系統(tǒng)將切斷電機(jī)電源，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的偏差計(jì)數(shù)器被清零。

俯仰報(bào)警解除:FYA-CL開關(guān)閉合時(shí)報(bào)警解除，偏差計(jì)數(shù)器清零，系統(tǒng)回到運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于某些特定故障只能在排除故障重新接通電源之后才能解除報(bào)警，這些故障是過載(OL)、過流(OC)、編碼器錯(cuò)誤(ST)、系統(tǒng)故障、參數(shù)錯(cuò)誤、CPU及DSP故障等。

俯仰控制方式選擇:FYC-MOD開關(guān)閉合時(shí)通過參數(shù)設(shè)置可以選擇一種控制方式。

俯仰零速鉗位:FYZSPD斷開此開關(guān)是內(nèi)部和外部的轉(zhuǎn)速命令都無效，輸入驅(qū)動(dòng)器的是零速度指令。天線準(zhǔn)確定位之后，系統(tǒng)使用此信號(hào)可以排除外部轉(zhuǎn)速信號(hào)、計(jì)數(shù)器偏差、R/D轉(zhuǎn)換器漂移等因素對(duì)系統(tǒng)定位的影響。

俯仰逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)禁止FYCCWL，俯仰順時(shí)針驅(qū)動(dòng)禁止FYCWL。

2.2 故障分析

查看俯仰驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼管，顯示的“21”號(hào)報(bào)警，該故障報(bào)警是俯仰電機(jī)編碼器(電機(jī)碼盤)和俯仰驅(qū)動(dòng)器之間通信錯(cuò)誤代碼。ADWR雷達(dá)的方位電機(jī)和俯仰電機(jī)采用松下電氣公司生產(chǎn)的MINAS系列交流伺服電機(jī)MHM052A1，驅(qū)動(dòng)器是與電機(jī)配套的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器MHD053A1V。驅(qū)動(dòng)器接收伺服控制板和R/D變換板上驅(qū)動(dòng)器接口電路送來的控制指令，包括天線轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向指令、定位位置指令、控制方式選擇指令等;接收電機(jī)附帶的旋轉(zhuǎn)編碼器(碼盤)送來的天線目前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等狀態(tài)信息，經(jīng)內(nèi)部的運(yùn)算處理最終產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)送往驅(qū)動(dòng)天線掃描的方位電機(jī)和俯仰電機(jī)。如圖2所示。

圖3 俯仰控制信號(hào)連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of pitch control signal connection

(2)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的連接

俯仰驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)連接示意圖如圖4所示，控制俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖串差動(dòng)信號(hào)FYPULS+和FYPULS-，控制俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)向的脈沖符號(hào)差動(dòng)信號(hào)FYSIGN+和FYSIGN-.。

圖4 俯仰驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)連接示意圖Fig.4 The pitching driving pulse signal connection diagram

指令脈沖輸入禁止FYINH高電平有效，用來禁止FYPULS和FYSIGN信號(hào)的輸入。偏差計(jì)數(shù)器清零FYCLR低電平有效，用來清除偏差計(jì)數(shù)器，禁止指令脈沖的輸入，禁止來自編碼器的反饋脈沖的輸入，清零信號(hào)脈寬應(yīng)不小于30μs。

(3)反饋信號(hào)的連接

向R/D變換板反饋的俯仰狀態(tài)信號(hào)有(見圖5):

俯仰伺服準(zhǔn)備好FYSFDY，接通電源后沒有伺服報(bào)警的狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器送回該信號(hào)。

俯仰伺服報(bào)警FYALM，俯仰伺服分系統(tǒng)有故障時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

俯仰定位完成或速度達(dá)到FYCOIN，在定位控制時(shí)，偏差計(jì)數(shù)器所在的脈沖量在設(shè)置范圍之內(nèi)時(shí)產(chǎn)生此信號(hào);在天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，天線轉(zhuǎn)速達(dá)到指令要求的轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生此信號(hào)。

圖5 俯仰驅(qū)動(dòng)反饋信息連接示意圖Fig.5 The pitching driving feedback signal connection diagram

2.3 故障檢修

通過用三用表的歐姆檔對(duì)俯仰驅(qū)動(dòng)器、匯流環(huán)、編碼器之間的通信電纜檢查，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)與編碼器相連的一根通信電纜SMA-J4插頭的插針有回縮現(xiàn)象，影響接觸電阻，產(chǎn)生俯仰驅(qū)動(dòng)器和編碼器之間的通信干擾，是造成此故障的原因，重新焊接該接頭，故障排除。

3 結(jié)束語

在多普勒天氣雷達(dá)伺服分系統(tǒng)的維修過程中，維修人員不可避免地要進(jìn)入天線場地，因此，為保證人身安全，維修時(shí)必須嚴(yán)格遵守維護(hù)維修規(guī)范，做好各單位之間的信息通報(bào)。此外，北方冬季室內(nèi)外溫差較大，應(yīng)做好雷達(dá)機(jī)房與天線場的隔潮隔熱，并保持天線場地維持在合適的濕度，以防止因匯流環(huán)短路，而形成雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障。

［1］安徽四創(chuàng)電子有限公司.ADWR雷達(dá)系統(tǒng)手冊(cè)［K］.安徽四創(chuàng)電子有限公司，2006.