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CINRAD/SA天气雷达伺服系统工作原理与特殊故障分析

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：骆艺仁

[导读] 作为新一代天气雷达CINRAD/SA的重要组成部分，伺服系统直接对雷达性能和探测能力产生影响。

防城港市气象局骆艺仁 538100

摘要：作为新一代天气雷达CINRAD/SA的重要组成部分，伺服系统直接对雷达性能和探测能力产生影响。基于此，本文结合防城港市气象局使用新一代天气雷达实际，通过对伺服系统及工作原理进行分析，探讨了两次特殊故障的表现形式及具体的解决办法，以期为雷达机务人员处理伺服系统故障时能够快速恢复工作提供参考借鉴。
关键词：CINRAD/SA天气雷达   伺服系统工作原理   特殊故障
        引言：新一代天气雷达具有定位准确、时空分辨率高、产品种类齐全等方面的特点，在对短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等中小尺度天气系统分析中发挥着十分重要的作用。随着社会经济的快速发展，政府和社会大众对中短期预报和预警工作提出了更高的要求，特别是作为防灾减灾最后一道屏障的预警信息，在影响政府部门决策的同时，还关系到社会大众人们生命财产安全，对雷达运行保障提出了更高的要求。因不同类型雷达故障的出现，直接对雷达功能的正常发挥产生影响。本文通过对防城港市两次伺服系统故障进行分析，以期为日后雷达维护保障工作提供参考借鉴。
        1、CINRAD/SA雷达伺服系统介绍
        CINRAD/SA雷达伺服系统主要是对天线转动情况进行控制，可以在RDA状态和RDASC处理器控制信号的基础上，对天线方位和俯仰进行精确定位。天气雷达伺服系统包含了RDA中央计算机、PAU功率放大单元、DCU数字控制单元、天线伺服点击、DAU数据获取单元及对应的线缆、光纤传输系统，主要作用是控制天线。
        由于执行元件中使用的电机种类有很大差异，雷达伺服系统包括直流和交流两个不同的伺服系统，前者的直流电机中的启动和制动性能良好，可以进行简单的控制，可以在大区域范围内平滑速调。缺点是工艺复杂、花费成本高、维修难度大，体积和重量大且对工作环境有较高要求；后者则有效弥补了直流电机中电刷、转向器等机械部件方面的弊端，交流电机具有结构简单、花费成本低、转速高、容量大且对安装环境没有太大要求。缺点是非线性、强耦合、多变量的控制对象，控制调速极其复杂。
        对于CINRAD/SA雷达伺服系统来说，电路主要包含了3个环路结构，分别是位置环、速度环和加速度环，其中位置环和一级微分电路可以形成速度环，在此基础上增加一级微分电路就可以形成加速度环。每个环均属于一阶无静差系统。
        2、伺服系统工作原理
        天气雷达伺服系统的工作原理是主要控制单元终端给定天线的位置输入角码，在执行电机的作用下，对单元和角码变换器进行测量，进而获取到当前角码，通过比对输入角码和当前角码，若是两者相符，此时的天线将处于静止状态，执行电机不动作；若两者不相符，此时会有角码误差出现，该角码误差经过数模变换后会形成误差电压，之后借助于伺服放大器和伺服校正后放大电压，并经过调制器放大功率后，将其作用到执行电机上，始终确保天线可以朝着减小误差的方向进行运动。此时的执行电机将会对主控单元进行连续跟踪而发生运转。
        3、CINRAD/SA天气雷达伺服系统特殊故障
        3.1特殊故障一
        这种故障的主要表现形式是天线连续多次转动后突然停止使得雷达出现停机，报警信息显示仰角收藏销啮合306、放大器禁用300以及工作报警强制系统待机398。

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通过对故障原因进行分析，不难发现因天线停止转动造成雷达停机的原因有很多，主要包括天线转动的过程中互锁开关关闭不到位或者是突然打开，可以借助于微动开关将状态信号发送到数字控制单元上，此时的电机电源被切断；由于汇流环积碳或碳刷出现跳槽，这种情况可能是接触不良引起的，会导致接收和传输数据失败，方位角或俯仰角电机出现故障问题，减速箱被卡死或电缆头出现松动等。在遇到这种故障问题时，需要工作人员在发现报警信息后，及时对LOG日志中的报警信息进行检查，若是在20s内仰角收藏销啮合及禁用放大器的报警信息被清除，可能是汇流环积碳造成的，可以对其进行检查，若是检查后并没有问题出现，需要利用手动方式来摇动天线，若是天线可以平稳转动且没有异常的响声，可以将天线机械部分的故障排除，可以对RDASC程序进行重新启动，此时的雷达可以正常开启。若是没超过24h再次出现该故障问题且报警信息同第一次一样，可以结合信号流程认真排查仰角收藏销啮合报警，在将电缆松动和电缆接触不良问题排除之后，需要逐一排查上光纤板和俯仰轴锁定装置，若是盖板和锁定插销没有松动，可以通过人为方式对锁定开关进行控制，若是微动开关触碰开关的过程中出现弹力不足的情况，可能是天线运转的过程中使得微动开关出现误报，可以对微动开关进行重新更换，此时的故障问题就能排除。
        3.2故障现象二
        该故障的主要表现形式是由于频繁的天线过冲使得雷达不能正常运转，故障出现频率最短达到了8h，最长则达到了24h左右。报警信息显示为天线座不能在停放位置停留339、仰角编码器等故障313、俯仰死区限位、俯仰正负预限位308、310/311、天线座动态出错336等。对于这种类型的故障来说，其报警信息相对较多，首先需将天线机械故障排除，对电机故障进行测试，查看天线运转的过程中是否为上下角码跳动，角码运行不稳定，同时还要考拉到减速箱和俯仰减速箱以及大齿轮安装回差方面的问题，若是只有朝上或朝下的过冲出现，则可能是天线配重放慢的问题。可以结合天线信号流程，对数字控制单元、数字获取单元、上/下光端机、汇流环进行查看，结合自身经验，在第一次俯仰过冲出现时，对数字获取单元模拟板电位器Rp10和R173的电阻进行测量，若位置控制环控制或反馈信号故障或者丢失，均会引发这种故障问题。其的维修方式是结合伺服系统信号流程检查并清洁汇流环，并借助于RDASOT 软件对天线体扫进行模拟，若是没有“砸锅”或锥摆现象，则将机械故障问题排除；接着需检查信号，利用示波器分别对上光端机光纤板电源电压、ELTACH ＋（时钟信号）输入、输出情况进行查看，因轴角编码器可以对时钟信号进行输入/输入，再加上故障问题的偶发性且间隔时间相对较长，对时钟信号进行检测时显示正常，通过全面分析
        LOG 日志中天线参数、程序功能码、程序错误记录、报警信息，在天线出现俯仰过冲的情况下，编码灯会有报警信息出现，进而造成天线轴角编码混乱，不能准确控制雷达，引发了雷达俯仰过冲，可以将平衡电阻加装到轴角编码器上，对差分信号抗干扰能力进行加强，这种类型的故障问题很少出现。
        结论：
        综上所述，在实际的雷达维护和维修中，需要技术人员对雷达信号流程有一定了解，只有对理论知识进行熟练掌握，并根据实际故障现象，才能将CINRAD／SA雷达维护工作做好。因相关工艺的不断加强，大部分的伺服系统都是供电问题导致的。由于雷达自身所处的环境较为恶劣，需要雷达技术保障人员自身具备对雷达系统的维护和保养意识，对雷达产品状态进行密切关注，第一时间了解雷达运行情况，在发现伺服系统故障问题后，需及时分析故障原因，以将故障问题快速准确的排除，进而为气象服务工作提供可靠的数据支撑。
参考文献：
[1]吴昌叨,刘光普,任雍, 等,CINRAD／SA 雷达伺服电机连续故障诊断分析[J].气象科技,2016,44(01):164-166.
[2]舒毅,李宏图,林岚,等.CINRAD／SA 雷达天线座动态故障分析[J].气象科技,2016,44(02):192-196.
作者简介：骆艺仁（1991.01），壮族，广西防城港市港口人，大学本科，助理工程师，从事研究方向：气象装备保障。