DF100A型100kW短波發(fā)射機三代調(diào)諧控制系統(tǒng)的分析與比較

覃愛香 徐永嬋 農(nóng)雨春 黃光文

【摘要】廣西廣播電視一〇一臺對DF100A型100kW短波發(fā)射機的調(diào)諧控制系統(tǒng)進行了兩次改造，本文對臺站先后使用的三代調(diào)諧控制系統(tǒng)的馬達驅(qū)動控制方式、元器件等進行了比較分析，詳細介紹了各階段調(diào)諧控制系統(tǒng)的馬達驅(qū)動板基本工作原理及優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】DF100A 100kW短波發(fā)射機;調(diào)諧馬達驅(qū)動板;功放模塊OPA512;H橋式馬達驅(qū)動控制器;VNH3SP30

中圖分類號：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.22.026

DF100A型短波發(fā)射機是在美國大陸（Continental）公司的418E/F PSM100kW短波發(fā)射機的基礎(chǔ)之上改進而來的，該型號發(fā)射機可提供頻率范圍為3.2～26.1MHz，發(fā)射機的開關(guān)機、換頻、調(diào)諧等各項操作都是靠人工完成。廣西廣播電視一〇一臺先后對DF100A型短波發(fā)射機進行了兩次自動化改造，實現(xiàn)了發(fā)射機控制部分和調(diào)諧部分的智能化與自動化功能，減輕了值機員的工作強度，提高了發(fā)射機可靠性和有效性。以下分別對三代調(diào)諧系統(tǒng)的馬達驅(qū)動部分進行分析與比較。

1. 第一代調(diào)諧控制系統(tǒng)

DF100A型短波發(fā)射機有十個頻道，可以預(yù)置10個不同的頻率，可對3.2MHz～26.1MHz內(nèi)頻率進行調(diào)諧。根據(jù)指定的發(fā)射機工作頻率，按下對應(yīng)的“頻道選擇”按鍵，高前調(diào)諧、高末調(diào)諧、高末調(diào)載、諧波濾波器、平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器五路調(diào)諧元件伺服馬達和高末屏槽電感前棒、高末屏槽電感后棒、高末屏槽電感頂棒伺服馬達將轉(zhuǎn)動，使電容電感調(diào)諧元件由馬達帶動轉(zhuǎn)到“頻道選擇”按鈕設(shè)定的位置。這只是粗調(diào)，加高壓后，還要進行細調(diào)。一般機房有多部該型號DF100A PSM100kW短波發(fā)射機，每天的換頻次數(shù)較多，幾部機器同時換頻三分鐘需要完成幾十項操作，靠手動來完成調(diào)諧和倒頻、倒換天線、切換節(jié)目源等操作，需配備多名值機員同時上班，且值機員的工作強度很大，容易引起誤操作導(dǎo)致錯播。

2. 第二代調(diào)諧控制系統(tǒng)

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子器件實現(xiàn)了集成化、數(shù)字化，為全手動操作的短波發(fā)射機自動化改造提供充分條件。2009年廣西廣播電視一〇一臺機房引進南昌科泰科技開發(fā)中心、北京埃比瑞斯科技有限責任公司研制開發(fā)的KT-DF100A 100kW短波發(fā)射機自動化系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了DF100A型發(fā)射機自動開機、自動倒頻、自動調(diào)諧、自動檢測等多項功能。

2.1 第二代系統(tǒng)的優(yōu)點

第二代系統(tǒng)可對發(fā)射機實施自動控制，預(yù)置發(fā)射機運行調(diào)度指令，根據(jù)運行圖自動完成開關(guān)機、倒換頻率、頻率調(diào)諧、節(jié)目源切換、倒換天線、異態(tài)監(jiān)測報警等操作。機器各項操作準確迅速、報警及時、監(jiān)控到位，無需人工干預(yù)，自動和手動間切換方便快捷。第二代系統(tǒng)使發(fā)射機同時具備手動和自動兩種操作模式，相互之間沒有依賴關(guān)系，通過一個雙刀雙擲開關(guān)即可實現(xiàn)自動、手動切換。把值機員從繁瑣、重復(fù)的工作中解脫出來，有更多的精力投入到機器設(shè)備的學習和技術(shù)維護當中，有效提高了安全播出質(zhì)量，降低了值班員的壓力和工作強度，提升機房維護和管理水平，使發(fā)射機設(shè)備運行更加穩(wěn)定，同時最大限度地避免人為事故的發(fā)生。

2.2 第一代和第二代調(diào)諧馬達驅(qū)動板的工作原理

自動化改進后的調(diào)諧馬達驅(qū)動板，調(diào)諧控制原理跟第一代系統(tǒng)基本相同，主要是使用的功率放大器件都是OPA512。其基本原理如圖1所示。

W1是控制電位器，W2是隨動電位器，這兩電位器的兩端分別接到+15V和-15V直流電源上，組成一個橋式平衡電路。隨動電位器跟隨馬達的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，其中間抽頭的電位跟隨馬達相應(yīng)變化。而控制電位器則由面板的“通道按鈕”或“調(diào)諧旋鈕”控制轉(zhuǎn)動。開始調(diào)諧時，按下“調(diào)諧允許”開關(guān)，各調(diào)諧控制部分得電，在面板轉(zhuǎn)動控制電位器，使隨動電位器中間抽頭與控制電位器中間抽頭有電位差。U1A、U1B、U1D三個集成塊組成窗口比較器，當U1D的13端與12端的電壓差大于或等于0.3V時，U1D的14端產(chǎn)生輸出脈沖信號推動功率放大器OPA512進行功率放大。在R26輸出正/負28V直流電壓，使調(diào)諧元件的伺服馬達跟著控制電壓正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，隨動電位器W2也跟隨伺服馬達轉(zhuǎn)動。DS5是正轉(zhuǎn)指示燈，DS6是反轉(zhuǎn)指示燈。當隨動電位器與控制電位器的中間抽頭電位差使U1C輸入端的電壓差小于0.3V時，功率放大器OPA512無電壓輸出，伺服馬達停止轉(zhuǎn)動。調(diào)諧時，人為預(yù)置控制電位器W1在某一指定位置，按下“波段選擇”或“調(diào)諧允許”按鍵，調(diào)諧馬達上電開始轉(zhuǎn)動，同時帶動隨動電位器W2、調(diào)諧元件電容或電感的短路棒轉(zhuǎn)動，它的轉(zhuǎn)動方向是使比較器的U1D輸入端電壓差慢慢小，直到W1、W2中間抽頭的電壓差接近0為止，調(diào)諧元件被帶動到控制電位器所設(shè)置的位置，從而完成調(diào)諧過程。

2.3 第二代調(diào)諧控制系統(tǒng)的缺點

經(jīng)過改造的第二代調(diào)諧系統(tǒng)，雖然發(fā)射機具備自動開關(guān)機、自動倒頻、自動調(diào)諧、自動檢測等各項功能，大大降低了值機員的工作強度，但第二代馬達驅(qū)動板功放模塊和第一代一樣，都使用OPA512功率放大器。OPA512功率放大器工作在甲乙類工作狀態(tài)，導(dǎo)通時內(nèi)阻較大、輸出功率大、工作損耗大，管子本身發(fā)熱嚴重，經(jīng)常燒壞管子及輸出限流電阻，有時外電倒電也可能燒壞馬達驅(qū)動板，因此在換頻過程中經(jīng)常出現(xiàn)馬達驅(qū)動板故障引起停播的事故。

3. 第三代調(diào)諧控制系統(tǒng)

為解決OPA512功率放大器上述缺陷對安全播出的影響，廣西廣播電視一〇一臺2020年引進了國家廣電總局561臺研制的“DF100A發(fā)射機H橋式馬達驅(qū)動控制器”，在第二代調(diào)諧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更換了原來的馬達驅(qū)動母版、馬達電源板和馬達驅(qū)動放大板，把驅(qū)動板的功率放大器件換成了意法半導(dǎo)體VNH3SP30全橋驅(qū)動器芯片。

3.1 H橋式馬達驅(qū)動控制器的特點

采用VNH3SP30芯片，PWM輸出控制方式，減少了系統(tǒng)損耗，提高了調(diào)諧效率。該控制器采用數(shù)字總線控制指令、光電隔離技術(shù)，提高了馬達控制驅(qū)動抗干擾能力，減少了原模擬量自動控制中調(diào)諧馬達的誤操作。

全橋驅(qū)動芯片VNH3SP30工作電壓為5.5～36VDC，最大30A負載。功率MOS管工作于丁類狀態(tài)，管子導(dǎo)通電阻小，只有0.034Ω，導(dǎo)通時在內(nèi)阻消耗的能量少，工作效率顯著提高。

芯片內(nèi)部設(shè)計包含欠壓、過壓、過流保護電路。當芯片性能下降，功耗過大，熱敏電阻輸出報警信號，芯片無輸出。

3.2 全橋驅(qū)動芯片VNH3SP30馬達控制原理

全橋驅(qū)動芯片VNH3SP30馬達控制示意圖如圖2所示，使用四個場效應(yīng)管組成全橋式平衡電路，當INA為高電平，INB為低電平時，左半橋臂HA和右半橋臂LB導(dǎo)通，馬達正轉(zhuǎn);當INA為低電平，INB為高電平時，左半橋臂HB和右半橋臂LA導(dǎo)通，馬達反轉(zhuǎn);其他情況馬達停止。場效應(yīng)管工作在丁類狀態(tài)，INA和INB的控制信號為方波信號，使場效應(yīng)管工作時有陡峭的上升沿和下降沿，即在方波信號控制下，能盡快導(dǎo)通與截止，其內(nèi)阻很小，從而減少損耗，不會像OPA512功率放大器那樣因工作在甲乙類狀態(tài)損耗過大而經(jīng)常燒壞管子。

本文通過對廣西廣播電視一〇一臺DF100A型100kW短波發(fā)射機三代調(diào)諧控制系統(tǒng)的比較分析，詳細介紹了先后三代調(diào)諧控制系統(tǒng)的馬達驅(qū)動板基本工作原理及優(yōu)缺點。第一、二代調(diào)諧控制系統(tǒng)采用OPA512功率放大器，由于其工作在甲乙類狀態(tài)，功耗大，經(jīng)常會燒壞管子。第三代調(diào)諧控制系統(tǒng)引進了H橋式調(diào)諧馬達驅(qū)動控制器，采用VNH3SP30芯片，功率MOS管工作在丁類狀態(tài)，PWM輸出控制方式，減少了系統(tǒng)損耗，提高了調(diào)諧效率，精確控制調(diào)諧馬達到預(yù)定位置，節(jié)省了換頻調(diào)諧時間，全方位的保護功能使馬達驅(qū)動板的故障率大大減少，為安全播出提供了可靠的保障。