倫茨伺服控制器的功能及其在CINRAD/SB中的應(yīng)用

【摘要】CINRAD/SB多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)代由于其數(shù)字化、自動(dòng)化程度較高，可自動(dòng)化性能較好，在雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)天氣變幻中作為多普勒天氣雷達(dá)主要產(chǎn)品。實(shí)踐證明CINRAD/SB天氣雷達(dá)有利于布網(wǎng)、雷達(dá)維護(hù)、保障作為一個(gè)系統(tǒng)工程，一些先行者的所作文章系統(tǒng)地闡述了新一代天氣雷達(dá)的自動(dòng)標(biāo)校技術(shù)，為今后天氣雷達(dá)操作維修等方面起到重要指導(dǎo)作用，筆者通過日常工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出雷達(dá)出廠調(diào)試、整改、試運(yùn)行、以及運(yùn)行中出現(xiàn)的技術(shù)問題找出對(duì)應(yīng)解決方案，僅供雷達(dá)使用、維護(hù)和設(shè)計(jì)人員參考。

【關(guān)鍵詞】天氣雷達(dá)；半閉環(huán)控制；合理配置

1.伺服工作原理及控制

伺服工作的數(shù)據(jù)交換周期為45ms（即在每一周期內(nèi)伺服系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理機(jī)發(fā)出的氣象運(yùn)行模式指令，并返回上位數(shù)據(jù)處理機(jī)需要的天線位置、速度及BIT數(shù)據(jù)），與數(shù)據(jù)處理機(jī)接口采用RS-232串口通訊、波特率為19.2Kbps、雙工，由于伺服系統(tǒng)的工作時(shí)不僅負(fù)載慣量大而且對(duì)可靠性、穩(wěn)定性要求較高，然而對(duì)于控制的精度要求不高，所以交流伺服控制器、工控機(jī)、交流伺服電機(jī)跟一些外圍電路等構(gòu)成伺服系統(tǒng)。其基本工作原理和控制工作如圖1所示。

半閉環(huán)控制方案對(duì)于伺服系統(tǒng)控制好處，由于工控機(jī)接收串口傳來的6字節(jié)命令后將其轉(zhuǎn)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(jīng)過處理后通過CAN總線控制伺服控制器，此時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)總線得出的電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后由控制器給出相應(yīng)指令到異步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線座以規(guī)定的方式運(yùn)行，由串口將所得數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理機(jī)；關(guān)于方式切換方面，工控機(jī)由于向伺服控制器數(shù)字端口發(fā)送不同信號(hào)所以可以將相應(yīng)的定位方式（天線運(yùn)行到指定的方位值和仰角值）和速度方式（天線運(yùn)行體掃模式），控制方位和仰角電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

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(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）由于電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等可以自行矯正，客戶可以根據(jù)自己需求自行調(diào)整PID校正，也可以使用其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行校正。

（2）內(nèi)部構(gòu)成模塊化。

控制器內(nèi)部每個(gè)模塊均提供相應(yīng)的接口，用戶可通過簡(jiǎn)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(duì)或相對(duì)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(shù)字輸入和4路數(shù)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(nèi)置于伺服控制器中，這為解決通訊控制提供依據(jù)。

（5）具有自檢及保護(hù)功能?？稍谶^溫、欠壓、過流、過壓、短路等多種內(nèi)外故障條件下進(jìn)行故障識(shí)別，并引起警告、電機(jī)快停、內(nèi)部跳閘等多級(jí)別故障響應(yīng)，并有歷史緩沖區(qū)記錄最近7個(gè)故障的種類和發(fā)生的時(shí)間。

3.主要問題和解決方案

3.1 伺服系統(tǒng)精度定位

伺服系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求高但控制精度要求不高的特點(diǎn)，因而系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制方案，即：由伺服控制器與伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，傳動(dòng)鏈及天線（負(fù)載）在閉環(huán)以外。但采用半閉環(huán)系統(tǒng)控制策略后，由于傳動(dòng)鏈在閉環(huán)系統(tǒng)之外，傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差及回差使系統(tǒng)的精度定位達(dá)不到指標(biāo)要求。無法完成精度指標(biāo)：

1）方位、仰角定位誤差均小于0.2；

2）規(guī)定范圍內(nèi)的任意速度下，角速度誤差精度小于5%；

3）位置回路的超調(diào)小于1%（取較小值）[9]。因此，設(shè)計(jì)中通過適當(dāng)控制傳動(dòng)鏈精度來滿足伺服系統(tǒng)的定位精度指標(biāo)。采用半閉環(huán)控制方案既充分利用了伺服控制器的優(yōu)良性能，又減少了外圍電路和簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，這便于調(diào)試和控制，最重要的是提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易維護(hù)性

3.2 CAN總線通訊方式

天氣雷達(dá)的伺服系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)監(jiān)控和響應(yīng)，且有數(shù)據(jù)交換周期短、數(shù)據(jù)交換量大、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率低等特點(diǎn)，以及結(jié)合伺服控制器自身的功能，采用何種通訊方式成為一個(gè)主要的問題。經(jīng)試驗(yàn)，RS-232和CCITTV-24通信標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，具有控制能力強(qiáng)、可靠性與故障容限高，實(shí)時(shí)響應(yīng)性好，實(shí)現(xiàn)成本低、通訊協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

伺服控制器內(nèi)置CAN總線接口，采用CAN總線實(shí)現(xiàn)通訊控制，既節(jié)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(fā)揮了CAN總線的低成本和高容錯(cuò)優(yōu)勢(shì)。在對(duì)伺服控制器進(jìn)行合理的配置后，伺服系統(tǒng)的全部操作可以通過工控機(jī)與伺服控制器之間的CAN總線完成。

根據(jù)規(guī)定的指標(biāo)要求，伺服系統(tǒng)同上位數(shù)據(jù)處理機(jī)每隔45ms交換一次數(shù)據(jù)。但是，在常規(guī)方式讀取參數(shù)（例如速度等需要不斷采集的參數(shù)）時(shí)，由于倫茨伺服控制器接收讀參數(shù)操作后，需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理后（大約30～50ms）才能夠得到參數(shù)值，即有可能在45ms時(shí)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(shù)值（例如速度）。由于伺服控制器的參數(shù)是由32位二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過處理得到的，因此，利用內(nèi)置CAN總線的進(jìn)程數(shù)據(jù)通道，直接將二進(jìn)制數(shù)傳至圖2中DATA1～DATA4所在的位置，再由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因?yàn)檫M(jìn)程數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)采集由硬件完成，只需大約1～2ms時(shí)間。工控機(jī)在延時(shí)2～3ms后從總線上采集數(shù)據(jù)并處理，就可以得到希望的參數(shù)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(fā)揮了總線的高速率和工控機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(gè)問題又隨之產(chǎn)生：伺服控制器是一種交流變頻調(diào)速設(shè)備，內(nèi)部采用了正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，如果接地效果不佳，使CAN總線錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器累積到一定值，CAN總線就自動(dòng)出現(xiàn)總線關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)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(jī)對(duì)伺服控制器控制的唯一通道是CAN總線，顯然總線關(guān)閉屬于一種失控狀態(tài)，必須采取有效措施避免系統(tǒng)失控。伺服控制器提供3種CAN總線復(fù)位方式：主電路重新上電插接模塊的總線（不是CAN總線）發(fā)復(fù)位命令；對(duì)復(fù)位參數(shù)進(jìn)行寫復(fù)位操作。

4.伺服系統(tǒng)性能測(cè)試和驗(yàn)證根據(jù)測(cè)試要求對(duì)伺服系統(tǒng)的方位和仰角測(cè)量

從數(shù)據(jù)可以分析出，方位和仰角的閉環(huán)精度符合指標(biāo)要求，表明采用半閉環(huán)控制方案，通過適當(dāng)控制傳動(dòng)鏈精度是切實(shí)可行的。在業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中，統(tǒng)計(jì)由于天線動(dòng)態(tài)錯(cuò)誤造成的自動(dòng)保護(hù)停機(jī)為2次/月，且再次運(yùn)行雷達(dá)時(shí)不需要給伺服系統(tǒng)重新上電，表明采用CAN總線通訊方式是穩(wěn)定、可靠和滿足通信速度要求，同時(shí)也表明現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)復(fù)位處理方法是成功的。 在測(cè)試和業(yè)務(wù)運(yùn)行中，伺服系統(tǒng)能按照指令準(zhǔn)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(jié)

采用半閉環(huán)控制方案，通過適當(dāng)控制傳動(dòng)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(dòng)復(fù)位和工作方式切換。這可幫助使用、維修人員理解伺服系統(tǒng)的工作原理，便于其分析和維修系統(tǒng)故障，并為設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的控制問題提供經(jīng)驗(yàn)。多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。系統(tǒng)在業(yè)務(wù)試運(yùn)行、業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中穩(wěn)定、可靠，說明采用基于CAN總線控制的交流伺服控制器應(yīng)用于天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)是成功的，同時(shí)也表明對(duì)問題解決的結(jié)果是成功的。基于天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)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(shí)也帶來CAN總線自身不能自動(dòng)復(fù)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(xiàn)

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