TBH552控制調(diào)諧系統(tǒng)存在的不足與改進(jìn)

黃紹光

摘要：文章簡要介紹了TBH552-150KW短波發(fā)射機(jī)控制調(diào)諧系統(tǒng)功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)缺陷，闡述了系統(tǒng)改進(jìn)后的硬件結(jié)構(gòu)、主要功能，以及工作流程。

關(guān)鍵詞：發(fā)射機(jī)；伺服調(diào)諧；自動控制

中圖分類號： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1009-3044（2014）21-5099-03

1 控制調(diào)諧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的不足與改進(jìn)

1.1 發(fā)射機(jī)控制調(diào)諧系統(tǒng)的改造背景

我臺的4部TBH552-150KW短波發(fā)射機(jī)原來的控制調(diào)諧系統(tǒng)是北京廣播器材生產(chǎn)的，發(fā)射機(jī)的控制調(diào)諧系統(tǒng)由控制小盒、保護(hù)小盒、控制保護(hù)電源小盒、調(diào)壓控制小盒、測量報(bào)警小盒、自動調(diào)諧控制小盒、伺服放大器小盒及自動調(diào)諧電源小盒組成。它們控制著發(fā)射機(jī)各個(gè)用電部分按照一定的邏輯順序，去控制相應(yīng)交流接觸器的接通、斷開來控制發(fā)射機(jī)各級的正常供電，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射故障時(shí)及時(shí)切斷相關(guān)的交流接觸器，以達(dá)到對發(fā)射機(jī)的保護(hù)，發(fā)射機(jī)各級供電正常后，自動調(diào)諧小盒發(fā)出各路調(diào)諧指令，通過8路伺服放大器控制驅(qū)動8路調(diào)諧元件到位，便完成發(fā)射機(jī)的粗調(diào)控制，開通發(fā)射機(jī)的激勵后，鑒相器開始工作，驅(qū)動伺服放大器完成高前級調(diào)諧，高末級調(diào)諧調(diào)載后，自動將發(fā)射機(jī)設(shè)置到滿功率狀態(tài)，就完成整個(gè)發(fā)射機(jī)的控制。但它的所有控制邏輯都是由一些小型繼電器的接點(diǎn)和集成塊來組成的邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射機(jī)控制調(diào)諧系統(tǒng)的所有邏輯控制。由于繼電器和集成塊的管腳使用時(shí)間一長就會出現(xiàn)氧化和接觸不良的現(xiàn)象，這樣控制調(diào)諧系統(tǒng)的故障率隨著使用時(shí)間的增加，控制調(diào)諧系統(tǒng)的故障率逐漸增多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠變性逐漸變差，機(jī)房的維護(hù)量增大。針對這一情況，我臺組織自己的技術(shù)力量，采用基于EDA技術(shù)的可編程控制器FPGA-XS30/PQ240和單片機(jī)對發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，完成發(fā)射機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)的所有邏輯功能及各種數(shù)據(jù)的處理。為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，在每個(gè)小盒后部專門設(shè)計(jì)了一塊濾波器墻，所有到小盒的輸入/輸出信號都經(jīng)過濾波器板濾波后再進(jìn)入到小盒內(nèi)，所有的開關(guān)量輸入/輸出信號都通過光電耦合器進(jìn)行光電隔離及電平轉(zhuǎn)換后送到FPGA內(nèi)，F(xiàn)PGA針對各種輸入/輸出信號進(jìn)行相應(yīng)處理，保證系統(tǒng)信號在受到干擾及抖動時(shí)仍然能保持播音。這樣就大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，并能準(zhǔn)確及時(shí)提取發(fā)射機(jī)各種異態(tài)及故障點(diǎn)然后作出相應(yīng)的告警及指示，便于維護(hù)及處理。

1.2 改造后的控制調(diào)諧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后的整個(gè)控制調(diào)諧系統(tǒng)主要由人機(jī)接口單元、控制單元、保護(hù)單元、自動調(diào)諧單元構(gòu)成，同時(shí)為了完成模擬信號的檢測，全面改造了測量報(bào)警單元；各單元均可獨(dú)立運(yùn)行；控制單元為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，控制著發(fā)射機(jī)的所有邏輯合和斷，同時(shí)決定整個(gè)控制調(diào)諧系統(tǒng)的自動、手動和不可用權(quán)限，在自動運(yùn)行時(shí)自動調(diào)諧單元受控于控制單元；保護(hù)單元完成發(fā)射機(jī)的保護(hù)邏輯，對錯(cuò)誤開關(guān)量狀態(tài)和超過閥值的模擬量進(jìn)行告警和保護(hù)，并及時(shí)進(jìn)行故障記錄，同時(shí)向上位機(jī)提傳送種模擬量的狀態(tài)信號，實(shí)現(xiàn)自動抄表；自動調(diào)諧單元通過控制8路伺服放大器的轉(zhuǎn)動了完成整個(gè)發(fā)射機(jī)的粗調(diào)、細(xì)調(diào)、電平轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)備播音等控制。

此控制系統(tǒng)從04年開始在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行上機(jī)運(yùn)用，先后經(jīng)過3次升級改造，到09年整個(gè)控制調(diào)諧系統(tǒng)定型后，經(jīng)過多年的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定，故障率較低，抗干擾能力強(qiáng)，完全實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)的自動化。在很大程度上減輕了值班員手動操作系統(tǒng)維護(hù)的勞動強(qiáng)度，最大限度的避免機(jī)房值班人員人為責(zé)任事故的發(fā)生。確保了機(jī)房安全傳輸發(fā)射任務(wù)的順利完成。但是隨著該系統(tǒng)的運(yùn)用和維護(hù)人員對系統(tǒng)認(rèn)識的深入，這種各個(gè)單元分離式的結(jié)構(gòu)還是存在一些問題，第一各單元之間的小盒分散不集中，各單元之間的連線較多，并且分散不集中，不但會從線上竄入一些干擾，而且一旦小盒出現(xiàn)故障需要更換和查找線路時(shí)，也需要花費(fèi)很多時(shí)間；第二是發(fā)射機(jī)到各小盒的接線也是分散不集中，各種模擬量、開關(guān)量和輸出繼電器信號線交錯(cuò)在一起，不利于故障的查找。第三由于當(dāng)時(shí)元件的局限性，所選的元件功耗較大，各小盒發(fā)熱較多，有的小盒需要加裝小風(fēng)扇來解決小盒的散熱問題。為了解決以上問題，我們對發(fā)射機(jī)的控制調(diào)諧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。將原來各個(gè)小盒的功能進(jìn)行重新整合，設(shè)計(jì)成板卡結(jié)構(gòu)，各塊控制板集中在一個(gè)小盒內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，各個(gè)板卡之間的連接線通過一塊母板連接，這就解決了連接線較多、分散的問題，當(dāng)控制調(diào)諧系統(tǒng)的每一部分出現(xiàn)故障時(shí)，只要直接更換一塊板，這樣就能最大限度的減少控制調(diào)諧部分引起的停播。由于各塊控制板集中在一個(gè)小盒內(nèi)，這就要求在選擇各塊控制板上的元器件時(shí)，必須選擇可靠性高、集成度各、功耗的器件，這樣才能解決盒內(nèi)各塊控制板散熱問題。采用小盒結(jié)構(gòu)還便于將發(fā)射機(jī)到各控制板連接的模擬量信號、開關(guān)量信號和輸出繼電器控制信號線分開，便于維護(hù)人員查找、核對線路。

2 控制調(diào)諧系統(tǒng)控制方式存在的不足與改進(jìn)

發(fā)射機(jī)控制調(diào)諧系統(tǒng)的硬件配置為一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，配置必須有觸摸屏和多串口卡（至少有3個(gè)RS-232串口）。3個(gè)串口分別與電控單元、保護(hù)單元、調(diào)諧單元進(jìn)行通訊，通訊速率19200bit。操作系統(tǒng)為WIN2000專業(yè)版，數(shù)據(jù)庫采用ACCESS2000，編程語言VB6.0企業(yè)版，編程環(huán)境WIN2000專業(yè)版。顯示分辨率800*600。

由于當(dāng)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要是從機(jī)房維護(hù)的角度出發(fā)，即需求驅(qū)動設(shè)計(jì)，考慮的問題是運(yùn)行的上位機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）一旦出現(xiàn)故障時(shí)，可以甩開上位機(jī)，各個(gè)控制單元還能獨(dú)立運(yùn)行，這就能最大限度的減少由于上位機(jī)故障引起的發(fā)射機(jī)停播，基于這種理念，設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)射機(jī)的控制放電底層，即每個(gè)控制單元都有一塊可編程控制器FPGA-XS30/PQ240和單片機(jī)，和一些相應(yīng)的器件來組成一個(gè)小的控制系統(tǒng)，完成各個(gè)單元的控制功能。由于采用這種控制方式，各個(gè)控制單元可以獨(dú)立運(yùn)行，但它對數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算速度不高，各個(gè)控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，與上位機(jī)的通訊都受到了一定的限制，上位機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）強(qiáng)大的運(yùn)算能力沒有發(fā)揮出來。

為了解決這些問題，充分發(fā)揮上位機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）的采集速度高，處理速度快，運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對發(fā)射機(jī)的控制采用頂層控制方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來對各個(gè)控制單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，將處理的結(jié)果通過串口分別送到各個(gè)控制單元，再由各控制發(fā)出控制指令，去驅(qū)動相應(yīng)的元件，完成各單元的控制功能。這種設(shè)計(jì)控制的核心是上位機(jī)，它具有集成度高故障率低的特點(diǎn)，能完全能夠滿足發(fā)射機(jī)高可靠性的要求。

3 控制調(diào)諧系統(tǒng)自動調(diào)諧存在的不足與改進(jìn)

3.1 自動調(diào)諧系統(tǒng)的組成

發(fā)射機(jī)整個(gè)高頻回路的調(diào)諧元件共有8路，分別是1路：高前級調(diào)諧電容；2路：高末級調(diào)諧電感；3路：高末級調(diào)諧電容；4路：高末級調(diào)諧電容；5路：高末級調(diào)載電容；6路：高末級調(diào)配線圈；7路：高末級平衡轉(zhuǎn)換器電容； 8路：高前級調(diào)諧電感；換頻時(shí)發(fā)射機(jī)各路調(diào)諧的機(jī)械調(diào)諧位置由自動調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行控制，發(fā)射機(jī)的自動調(diào)諧控制是通過控制8路伺服放大器來驅(qū)動8路調(diào)諧元件轉(zhuǎn)動，完成發(fā)射機(jī)的粗調(diào)和調(diào)控制。

3.2 自動調(diào)諧系統(tǒng)的控制方式

在不改動原來發(fā)射機(jī)所有伺服馬達(dá)和伺服放大器的前提下，按照自動蹤的調(diào)諧方式對發(fā)射機(jī)進(jìn)行控制。保留了原來發(fā)射機(jī)的（手動、半自動、自動）三種控制模式，增加了信道號模式和發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制方式，自動調(diào)諧的控制由控制單元決定，當(dāng)控制單元處于自動模式時(shí)，發(fā)射機(jī)自動調(diào)控制系統(tǒng)處于程控狀態(tài)，控制權(quán)限在自動方式時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)人機(jī)接口單元所存儲的運(yùn)行圖進(jìn)行操作控制，若此時(shí)通過人機(jī)接口單元進(jìn)行倒頻或預(yù)倒操作，操作權(quán)限將轉(zhuǎn)移到人機(jī)接口單元（遙控模式），同時(shí)人機(jī)接口單元顯示為“遙控”狀態(tài)、伺服放大器將根據(jù)調(diào)諧控制系統(tǒng)送出的信息經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD574將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，送到伺服放大器的反相輸入端。而在每一個(gè)伺服電機(jī)的傳動裝置上都有一個(gè)與被調(diào)元件機(jī)械聯(lián)動的多圈電位器（隨動電位器），其機(jī)械位置與相應(yīng)的被調(diào)元件完全對應(yīng)。在其兩端加有0—9V的直流電壓，于是，從電位器的滑動臂引出的電壓與調(diào)諧元件的位置具有確定的對應(yīng)關(guān)系，將這一電壓送到伺服放大器的同相端與反相的電壓構(gòu)成電橋電路進(jìn)行比較。若兩輸入電壓不相等，則伺服放大器就會有誤差電壓輸出，此電壓經(jīng)橋式電路放大后驅(qū)動各自的伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使同相端電壓向反相端逼近，直至兩者的電壓相等后，伺服放大器輸出的誤差電壓為零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，表明各調(diào)諧元件已轉(zhuǎn)到與該頻率相對應(yīng)的位置上，就完成了粗調(diào)。在粗調(diào)到位后，延時(shí)2秒后腔體接點(diǎn)、高壓二檔合上后發(fā)射機(jī)切換到前級調(diào)諧狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入前級調(diào)諧狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)自動解除，寬放、衰減器、PSM調(diào)制控制器的封鎖信號，開通全機(jī)射頻激勵信號，將高前極柵偏壓由-240V切換到-160V，將發(fā)射機(jī)功率自動調(diào)整到調(diào)諧功率狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)前級鑒向器信息以及內(nèi)部存儲的前級細(xì)調(diào)修正信息，進(jìn)行前級細(xì)調(diào)。前級細(xì)調(diào)完成后，延時(shí)2秒后自動切換到末級細(xì)調(diào)狀態(tài)，當(dāng)處于末級細(xì)調(diào)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)末級鑒向器信息和末級鑒阻器信息以及內(nèi)部存儲的修正信息對3路及5路進(jìn)行調(diào)諧，其修正方法和前級鑒向器一樣，在進(jìn)行末級細(xì)調(diào)時(shí)，3路調(diào)諧完成后對5路進(jìn)行調(diào)載，若在對5路調(diào)載過程中3路出現(xiàn)失諧則停止5路調(diào)載，重新對3路進(jìn)行調(diào)諧，如此反復(fù)進(jìn)行，直到3路和5路都完成調(diào)諧后發(fā)出末級細(xì)調(diào)完成信息，進(jìn)入電平轉(zhuǎn)換狀態(tài)。電平轉(zhuǎn)換主要是發(fā)射機(jī)合上高末簾柵二檔，將發(fā)射機(jī)自動調(diào)整到滿功率狀態(tài)，自動解除發(fā)射機(jī)的各種封鎖，至此，發(fā)射機(jī)的整個(gè)自動調(diào)諧過程全部結(jié)束。

3.3 調(diào)諧系統(tǒng)控制的原理及實(shí)現(xiàn)的方式

發(fā)射機(jī)高級的屏極槽路為并聯(lián)諧振回路，負(fù)載是高末柵回路，當(dāng)高前級槽路正調(diào)諧時(shí)高前級效率最高，屏極負(fù)載接近純阻，此時(shí)高前的陰流應(yīng)為最小，高末柵流最大，高末調(diào)諧時(shí)，當(dāng)高末屏極負(fù)載匹配時(shí)，屏極負(fù)載接近純阻，發(fā)射機(jī)的效率最高，此時(shí)高末屏極的簾柵流最大和屏流最小，由于發(fā)射機(jī)的Q值較高，調(diào)諧時(shí)屏流的變化較為明顯，在進(jìn)行表值調(diào)諧時(shí)，我們選擇高末電子管屏流最小為正調(diào)諧判斷的依據(jù)，高末電子管簾柵流最大為輔助依據(jù)。表值調(diào)諧采用逐步逼近法實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動到位，具體方法如下：尋找伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的確方向：記錄當(dāng)前的屏流的大小Ia11伺服位置A，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動一次，記錄簾柵流的大小Ia22和伺服位置B，先比較Ia11和Ia22的大小，如果Ia11大于Ia22則認(rèn)為當(dāng)前方向正確，否則認(rèn)為反方向?yàn)檎_方向；尋找諧振點(diǎn)：用B的值取代A的值，繼續(xù)向正確方向驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動50個(gè)字，同樣的判斷和處理，直到Ia22大于Ia11 ，則伺服電機(jī)位置A為屏流最小，也就是諧振點(diǎn)的位置，驅(qū)動伺服電機(jī)到達(dá)該點(diǎn)，完成調(diào)諧，高前極的調(diào)諧方法和高末調(diào)諧方法一樣。

調(diào)諧系統(tǒng)的細(xì)調(diào)控制以鑒向器為基礎(chǔ)，表值調(diào)諧是為了防止鑒向器取樣信號故障或發(fā)射機(jī)故障而設(shè)定的，不管是鑒向器調(diào)諧還是表值調(diào)諧都屬于被動控制方式，前級調(diào)諧時(shí)開通前級鑒相器進(jìn)行調(diào)諧，調(diào)諧系統(tǒng)按照高前鑒向器取樣來的信息進(jìn)行加性補(bǔ)償后輸入到伺服放大器的同相端和反相端的地電平進(jìn)行比較后控制伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)同相端電壓與反相端相等時(shí)伺服放大器輸出信號電平為0V時(shí)，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，則前級調(diào)諧完成。如：圖1。

進(jìn)入末級調(diào)諧，調(diào)諧系統(tǒng)開通末級鑒相器、鑒阻器，自動調(diào)諧系統(tǒng)根據(jù)末級鑒相器和鑒阻器取樣信號進(jìn)行線性修正后送入3路和5路進(jìn)行調(diào)諧、調(diào)載。如圖2。

當(dāng)現(xiàn)鑒相器、鑒阻器損壞或超出鑒相器、鑒阻器的調(diào)整范圍，調(diào)諧系統(tǒng)才會起用表值調(diào)諧。

由于在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)沒有的發(fā)射機(jī)的鑒相器、鑒阻器好伺服放大器進(jìn)行改造，鑒相器、鑒阻器都是模擬的鑒相器、鑒阻器，其基本原理是當(dāng)電子管工作于諧振狀態(tài)時(shí)，它的高頻屏極電壓和柵極電壓之間的相位差為1800，當(dāng)電子管處于失諧時(shí)它們之間的相位差大于和小于1800，而鑒相器只能鑒別相位差為900的信號，鑒相器采用電容移相法將其中一個(gè)取樣信號移相900，當(dāng)所鑒別的二個(gè)矢量的相位差為900時(shí)，相位差為900鑒相器輸出的直流電壓為零，伺服伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)所鑒別的二個(gè)矢量的相位差大于和小于900時(shí)，鑒相器輸出的直流正電壓或直流負(fù)電壓，去控制伺服伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3.4 調(diào)諧系統(tǒng)改進(jìn)

系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)諧控制時(shí)，可根據(jù)鑒相器和表值調(diào)諧2各方式進(jìn)行，但鑒相器調(diào)諧較為準(zhǔn)確，其表值調(diào)諧屬于模擬人工調(diào)諧。當(dāng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，其柵極和屏級的射頻信號是同相的，然而TBH522發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)所采用的鑒相器是原北廣生產(chǎn)的鑒相器，根據(jù)柵極和屏級取樣信號進(jìn)行比較，通過電阻分壓后，整流濾波，兩路信號經(jīng)過比較器后輸出直流電平控制調(diào)諧元件，當(dāng)輸出為0V時(shí)，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，當(dāng)輸出為負(fù)電平時(shí)，柵極超前于屏級，當(dāng)輸出為正電平時(shí)，屏級超前于柵極，但在實(shí)際工作中無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要問題體現(xiàn)在鑒相器取樣時(shí)，1） 不能徹底濾除高次諧波，導(dǎo)致進(jìn)入鑒相器的信號不是標(biāo)準(zhǔn)的柵極和屏級的本頻信號進(jìn)行比較。2） 由于柵極和屏級到達(dá)鑒相器的引線長度不一致，導(dǎo)致導(dǎo)線在傳輸過程中產(chǎn)生相位差；3） 因鑒相器材料的是模擬量，面對3-26M頻段范圍，各頻率取樣不一致，線性誤差較大。綜合以上問題，可采用數(shù)字鑒相器來對模擬鑒相器進(jìn)行改進(jìn)，數(shù)字鑒相器取樣的也是取電子管柵極和屏級的信號進(jìn)行比較，但比較是全數(shù)字進(jìn)行的，信號取樣前通過40M低通濾波器，進(jìn)入鑒相器，在鑒相器內(nèi)部進(jìn)行整形，將柵極和屏級信號整形成方波，進(jìn)入到D觸發(fā)器進(jìn)行比較，當(dāng)柵極超前于屏級時(shí)，柵極向的D觸發(fā)器輸出超前部分的方波，當(dāng)柵極次后于屏級時(shí)，屏級段D觸發(fā)器輸出次后部分方波，當(dāng)柵極和屏級一致時(shí)，輸出0V，D觸發(fā)器輸出信號進(jìn)入比較強(qiáng)進(jìn)行比較后輸出帶方向的比較信號，此信號進(jìn)行3HZ濾波后輸出-10V—+10V的電壓信號，及柵極超前于屏級時(shí)，輸出負(fù)電平，當(dāng)柵極次后于屏級時(shí)輸出正電平，當(dāng)柵極和屏級信號一致時(shí)，輸出0V。這樣就能解決模擬鑒相器存在的問題。

通過以上改進(jìn)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由分離的小盒式改為插件式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)變得較為簡單，系統(tǒng)的走線也比較規(guī)范，用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、運(yùn)算更為高效、快捷，發(fā)射機(jī)模擬的鑒相器和伺服放大器改為數(shù)字鑒相器和伺服放大器，對發(fā)射機(jī)調(diào)諧元件的控制更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

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