二次雷達驅動分系統(tǒng)設計

張　奇

(馬鞍山職業(yè)技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

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二次雷達驅動分系統(tǒng)設計

張奇

(馬鞍山職業(yè)技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

摘要：針對二次雷達驅動分系統(tǒng)中兩個關鍵問題提出設計方案，通過超越離合器與雙PLC冗余系統(tǒng)的應用設計解決了在天線發(fā)生故障的情況下實現不停機的自動切換問題；通過對電路的重新設計，解決了大功率驅動設備對中央控制單元的電磁干擾問題。

關鍵詞：二次雷達；冗余系統(tǒng)；電磁干擾；Modbus協(xié)議

0概述

二次雷達是一種收發(fā)采用不同頻率的雷達，主要用于對象的識別。二次雷達可獲取對象的點跡位置、速度、高度、航跡、代碼等重要信息，可以說是空中交通管理的中樞系統(tǒng)[1]。

二次雷達驅動分系統(tǒng)作為二次雷達的一個重要組成部分，包括兩套互為冗余的控制設備與機構(天線轉臺除外)，符合二次雷達對于設備可靠性高的要求，能夠24小時不停機連續(xù)運轉。當一套控制設備在發(fā)生故障的時候，中央處理單元PLC一方面可以通過串口向終端報警，另一方面立即將另一套控制設備投入使用。驅動系統(tǒng)在研制過程中的關鍵技術問題在于如何解決在天線發(fā)生故障的情況下實現不停機的自動切換、對于轉臺驅動電機的故障如何檢測以及如何解決大功率驅動設備對中央控制單元的電磁干擾等問題。而產生電磁干擾的條件有以下幾方面[2]：首先是存在電磁干擾源；其次是具備電磁干擾的途徑；三是設備自身的敏感度。

隨著超短脈沖在激光雷達、光纖通信等領域的應用范圍越來越廣。這種能夠輸出大功率窄脈寬電流的驅動源，其出色的性能以及廣闊的應用前景引起了各方關注。該二次雷達使用的是一款大功率脈沖驅動源，理論上可以產生納秒級脈寬及大幅度的脈沖電流。針對這樣一款基于高頻電路的脈沖驅動源，電磁兼容性的好壞直接決定了設備輸出脈沖的質量以及工作穩(wěn)定性。可以說，解決大功率脈沖驅動源的電磁干擾問題是提高其所驅動的產品的必要前提。

1系統(tǒng)組成及功能設計

1.1系統(tǒng)組成

二次雷達驅動分系統(tǒng)從結構上劃分可分為四個組成部分：天線轉臺及驅動設備、高低波束極化器及控制設備、潤滑泵站及潤滑油路以及位于室內設備中的配電控制機柜[3]。

天線轉臺及驅動設備作為室外設備安裝在塔頂的天線罩內。潤滑泵站安裝在天線塔下泵站機房內，為使其油路回油順暢，泵站應與轉臺保持一定的高度差。

在配電機柜中，位于機柜頂端的是兩套配電分機，為整機提供配電電源，包括為驅動分系統(tǒng)提供兩路三相電源、單相電源。

驅動機柜中設置雙PLC冗余系統(tǒng)，與控制對象通信方式如圖1所示。

圖1　驅動機柜原理框圖

1.2天線轉臺自動切換系統(tǒng)設計

實現天線轉臺的驅動雙電機的自由切換(包括在運行過程中的熱切換)是關系到驅動分系統(tǒng)設計成功與否的一個技術關鍵。須從機械傳動結構與驅動控制方式兩個方面來考慮。

首先，作為常用的電磁離合器如果在電機熱切換的情況下使用，前提是要求兩個驅動電機轉速在基本一致的情況下，才能啟動電磁離合器使電機切換成功。這樣就使雙驅動電機切換在使用上存在很大的局限性。為此在二次雷達轉臺驅動上采用了超越離合器來解決這個問題，電磁離合器僅作為備份使用。超越離合器是一種靠主、從動部分的相對運動速度變化或回轉的變換能自動結合或脫開的離合器。由于超越離合器自身的棘輪結構，可以實現天線轉臺的單向運轉，從結構上講，超越離合器的主動輪是通過摩擦力來帶動從動輪轉動的，當主動輪與從動輪的轉速相等時離合器即實現接合。這樣，轉臺雙電機的切換就不需要考慮兩個電機之間的轉速差的問題，可以實現雙機之間的任意切換。

其次，在控制設備上采用西門子MMV750/3變頻控制器為主要驅動功率器件，由于使用變頻控制器可以通過均勻改變電機定子供電頻率f的方法，平滑地改變電機的同步轉速。解決了異步電動機的軟啟動與轉速可調的問題。以可編程控制器S7-200作為中央處理單元，對變頻控制器實施控制與監(jiān)測，通過串行通訊口對變頻控制器的狀態(tài)進行采集，采集驅動電機電流數據與運行狀態(tài)信息。當變頻控制器或驅動電機發(fā)生故障后，S7-200PLC一方面可以向主控報警，另一方面可以立即啟動另一路驅動控制單元，實現在天線不停轉的情況下的雙機切換。

二次雷達的天線轉臺包括雙套傳動裝置，每套裝置均由7.5KW電機、電磁離合器、減速機、回轉支承、超越離合器與小齒輪等組成。減速機型號為CWVS10-4165-25，離合器型號為MZ60G，回轉支承型號為06.0823.31ZZ10。驅動系統(tǒng)總速比：i =97.18。具體結構如圖2所示。

圖2　天線轉臺結構組成

1.3系統(tǒng)控制原理

為實現對轉臺和泵站、極化器的控制、監(jiān)控及雙機切換等功能，本系統(tǒng)采用以西門子S7-200系列可編程控制器(PLC)為中心處理單元，以西門子MMV750/3系列變頻控制器為主包括接觸器、繼電器、AC/DC電源、行程開關、電源濾波器等的控制單元。圖3、圖4中分別表示的是PLC 與各控制子系統(tǒng)之間的控制關系。

圖3　驅動控制子系統(tǒng)控制關系

圖4　泵站控制子系統(tǒng)控制關系

在上電初始化的過程中，默認PLCA為主控PLC，PLCB為從PLC，由PLCA向主控計算機回饋驅動分系統(tǒng)的狀態(tài)信息。首先，檢測油溫傳感器的油溫信號，判斷是否大于-5℃，若小于該溫度值，則啟動加熱器加熱泵站潤滑油，并向主控報油低溫故障。在上電1分鐘之后啟動泵站電機，泵站工作。泵站為間歇工作制，工作3分鐘，停機1小時。在工作過程中，PLC監(jiān)測壓差、壓力及液位信號，將工作狀態(tài)回饋監(jiān)控。如果泵機A在運行過程中發(fā)生故障，則立即啟動泵機B，并向主控報泵機故障。在接收到主控發(fā)出的開電機指令后，先鳴警鈴30秒后，啟動驅動電機，電機按設定的加速曲線在指定時間內加速到指定轉速。在天線的運轉過程中，PLC的模擬量擴展模塊采樣變頻控制器輸出的電流或轉速模擬量信號，將模擬量信號轉換為數字量，對驅動電流、天線轉速等控制量進行監(jiān)控。當一套驅動設備發(fā)生故障，PLC檢測到變頻控制器輸出的故障信號后，立即啟動另一套驅動設備，利用天線的運轉慣性以及超越離合器的特性，在天線不停轉的情況下，實現驅動設備的熱切換。PLC通過串口讀取故障變頻控制器的狀態(tài)信息，將故障信息回饋主控計算機。主控權可以方便地在PLCA與PLCB之間切換，當控制權由PLCA交到PLCB后，PLCB便成為主控PLC，于是所有的控制任務均由PLCB執(zhí)行。

1.4通訊功能

二次雷達的主控計算機作為主機，各分系統(tǒng)的中央處理單元(PLC、PC104或單片機)作為從機掛在RS485總線上，遵從Modbus 通訊協(xié)議與主機進行通信。驅動分系統(tǒng)中的中央處理單元PLCA(地址03)、PLCB(地址13)均作為從機掛在總線上，與主控計算機進行主從通訊。

Modbus協(xié)議支持兩種幀結構ASCII或RTU模式。在RTU模式信息的每個字節(jié)被作為一個8位的二進制碼。在ASCII模式信息的每個字節(jié)被分成兩個半字元，每個半字元被轉換成7位的ASCII碼字符傳送。其結構分別如表1所示。

表1　Modbus協(xié)議ASCII幀結構

2驅動源電磁干擾解決方案

該二次雷達系統(tǒng)采用大功率窄脈沖寬電流的驅動源電路，電路輸出測試設計不夠合理，導致波形倒置。核心線路板選擇直插式分立元件，整體電路的分布電感大，使得輸出波形失真。原電路還采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使得整個線路板抗擾能力差，電路板走線更未能考慮高頻PCB板的布線原則，過孔數多，根本未能考慮 PCB 基板材料(介電系數 ε、介電損耗tanδ)，更沒有進行良好的接地設計。輸入端雖然采用大功率高速 MOSFET，但由于沒有進行很好地處理，使得輸出信號失真嚴重[4]。此外，PCB布線和元件選擇不當還帶來了低速電路可以忽略不計的復雜干擾。針對以上問題，對該線路板做了以下優(yōu)化：首先大功率脈沖驅動源由脈沖信號形成模塊、脈沖信號放大模塊以及高速開關模塊構成，脈沖信號形成模塊由方波產生器與脈沖整形器構成，二者結合后可以輸出具有固定頻率、納秒級脈寬的矩形脈沖[5]。脈沖放大模塊則對所形成的窄脈沖整形信號進行功率放大，達到驅動高速開關模塊的目的。脈沖形成及放大模塊輔以軟開關電路與溫控模塊控制，高速開關模塊輔以過流保護電路進行限流。樣機包含同步輸出端口、脈沖采樣輸出端口以及脈沖輸出端口，其中脈沖輸出端口需要外接輔助電路模塊以限制其對負載的分流作用[6]。

經過改進后，該驅動系統(tǒng)運行狀況良好。

參考文獻

[1] 馬子健.一種陸基二次雷達監(jiān)測站布站仿真測算方法[J].現代雷達,2014，36(6):16-18.

[2] 費偉.關于二次雷達電磁環(huán)境測試方法的研究[C]//中國通信學會無線及移動通信委員會.2011全國無線及移動通信學術大會論文集.北京: 人民郵電出版社,2011:405-407.

[3] 張尉.二次雷達原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009:31-33.

[4] GILL E,HUANG W M,Walsh J.On The development of a second-order bistatic radar cross section of the ocean surface:A high-frequency result for a finite scattering patch[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2006,31(4):740-750.

[5] 宗華.雙基地高頻雷達數據處理NFE技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[6] STUBBERUD S C,KRAMER K A.Data as sociation for multiple sensor types using fuzzy logic[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2005，55(6)：2154-2159.

[責任編輯、校對：東　艷]　第34卷第1期2016年1月西安航空學院學報JournalofXi'anAeronauticalUniversityVol.34No.1Jan.2016

Design of Secondary Radar Drive System

ZHANGQi

(Department of Electrical Engineering,Maanshan Technical College,Maanshan 243031,China)

Abstract：This scheme is designed to solve two key problems in the secondary radar drive system.The application design of the redundant system of the clutch and the dual PLC solves the problem of automatic switching of the antenna in the case of failure.The redesign of circuit also eliminates the electromagnetic interference of high-power driving equipment to central control unit.

Key words：secondary radar;redundancy system;electromagnetic interference;Modbus protocol

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)01-0021-03

作者簡介：張奇(1973-)，男，安徽六安人，副教授，從事工業(yè)控制自動化技術研究。

基金項目：安徽省省級精品資源共享課《工控組態(tài)技術》(2014gxk104)

收稿日期：2015-12-19