伦茨伺服控制器的功能及其在CINRAD/SB中的应用

【摘要】CINRAD/SB多普勒天气雷达系统当代由于其数字化、自动化程度较高，可自动化性能较好，在雷达组网监测天气变幻中作为多普勒天气雷达主要产品。实践证明CINRAD/SB天气雷达有利于布网、雷达维护、保障作为一个系统工程，一些先行者的所作文章系统地阐述了新一代天气雷达的自动标校技术，为今后天气雷达操作维修等方面起到重要指导作用，笔者通过日常工作经验总结出雷达出厂调试、整改、试运行、以及运行中出现的技术问题找出对应解决方案，仅供雷达使用、维护和设计人员参考。

【关键词】天气雷达；半闭环控制；合理配置

1.伺服工作原理及控制

伺服工作的数据交换周期为45ms（即在每一周期内伺服系统接收数据处理机发出的气象运行模式指令，并返回上位数据处理机需要的天线位置、速度及BIT数据），与数据处理机接口采用RS-232串口通讯、波特率为19.2Kbps、双工，由于伺服系统的工作时不仅负载惯量大而且对可靠性、稳定性要求较高，然而对于控制的精度要求不高，所以交流伺服控制器、工控机、交流伺服电机跟一些外围电路等构成伺服系统。其基本工作原理和控制工作如图1所示。

半闭环控制方案对于伺服系统控制好处，由于工控机接收串口传来的6字节命令后将其转为位置值和速度值供伦茨伺服控制器使用，接收来天线座信息，经过处理后通过CAN总线控制伺服控制器，此时采集现场总线得出的电机转速，然后由控制器给出相应指令到异步伺服电机驱动天线座以规定的方式运行，由串口将所得数据传至数据处理机；关于方式切换方面，工控机由于向伺服控制器数字端口发送不同信号所以可以将相应的定位方式（天线运行到指定的方位值和仰角值）和速度方式（天线运行体扫模式），控制方位和仰角电机运转。

2.伦茨伺服控制器

伺服控制器是控制天线的主要部件，它的优点主要体现在：

（1）由于电流环、速度环、位置环等可以自行矫正，客户可以根据自己需求自行调整PID校正，也可以使用其自适应调节功能进行校正。

（2）内部构成模块化。

控制器内部每个模块均提供相应的接口，用户可通过简单的接口互连得到所需的控制方式。

（3）控制器可以支持旋变、增量编码器、绝对或相对正余弦编码器速度和位置反馈输入，端口提供2路模拟输入、2路模拟输出、5路数字输入和4路数字输出。

（4）支持RS232/RS485、光纤、InterBus-S、ProfiBus-DP、CAN等多种通讯方式，其中CAN接口内置于伺服控制器中，这为解决通讯控制提供依据。

（5）具有自检及保护功能。可在过温、欠压、过流、过压、短路等多种内外故障条件下进行故障识别，并引起警告、电机快停、内部跳闸等多级别故障响应，并有历史缓冲区记录最近7个故障的种类和发生的时间。

3.主要问题和解决方案

3.1 伺服系统精度定位

伺服系统的可靠性和稳定性要求高但控制精度要求不高的特点，因而系统采用半闭环控制方案，即：由伺服控制器与伺服电机构成闭环系统，传动链及天线（负载）在闭环以外。但采用半闭环系统控制策略后，由于传动链在闭环系统之外，传动链的传动误差及回差使系统的精度定位达不到指标要求。无法完成精度指标：

1）方位、仰角定位误差均小于0.2；

2）规定范围内的任意速度下，角速度误差精度小于5%；

3）位置回路的超调小于1%（取较小值）[9]。因此，设计中通过适当控制传动链精度来满足伺服系统的定位精度指标。采用半闭环控制方案既充分利用了伺服控制器的优良性能，又减少了外围电路和简化了程序结构，这便于调试和控制，最重要的是提高了系统的可靠性、稳定性和易维护性

3.2 CAN总线通讯方式

天气雷达的伺服系统要求实时监控和响应，且有数据交换周期短、数据交换量大、数据错误率低等特点，以及结合伺服控制器自身的功能，采用何种通讯方式成为一个主要的问题。经试验，RS-232和CCITTV-24通信标准不能满足要求或效果不理想，于是只能采用CAN总线作为通讯方式。CAN总线的最大数据传输速率为1Mbit/s，具有控制能力强、可靠性与故障容限高，实时响应性好，实现成本低、通讯协议简单等优点。

伺服控制器内置CAN总线接口，采用CAN总线实现通讯控制，既节省了通常所需的D/A和A/D变换，使得通讯成为一种控制方式，又发挥了CAN总线的低成本和高容错优势。在对伺服控制器进行合理的配置后，伺服系统的全部操作可以通过工控机与伺服控制器之间的CAN总线完成。

根据规定的指标要求，伺服系统同上位数据处理机每隔45ms交换一次数据。但是，在常规方式读取参数（例如速度等需要不断采集的参数）时，由于伦茨伺服控制器接收读参数操作后，需进行数据采集、运算处理后（大约30～50ms）才能够得到参数值，即有可能在45ms时间间隔后，总线被其他读写操作所占用。这样就无法返回希望得到的参数值（例如速度）。由于伺服控制器的参数是由32位二进制数经过处理得到的，因此，利用内置CAN总线的进程数据通道，直接将二进制数传至图2中DATA1～DATA4所在的位置，再由工控机进行数据处理。因为进程数据通道的数据采集由硬件完成，只需大约1～2ms时间。工控机在延时2～3ms后从总线上采集数据并处理，就可以得到希望的参数值，这样将总线空闲下来，可以让其他指令占用总线。采用此方法，既利用了伺服控制器的采集功能，又充分发挥了总线的高速率和工控机强大的计算能力。虽然采用CAN总线很好地解决了通讯控制，但另外一个问题又随之产生：伺服控制器是一种交流变频调速设备，内部采用了正弦波脉宽调制技术。在调试过程中发现，如果接地效果不佳，使CAN总线错误计数器累积到一定值，CAN总线就自动出现总线关闭状态，这时就无法通过CAN总线控制伺服控制器。虽然后来改善了接地，问题得到解决，但由于工控机对伺服控制器控制的唯一通道是CAN总线，显然总线关闭属于一种失控状态，必须采取有效措施避免系统失控。伺服控制器提供3种CAN总线复位方式：主电路重新上电插接模块的总线（不是CAN总线）发复位命令；对复位参数进行写复位操作。

4.伺服系统性能测试和验证根据测试要求对伺服系统的方位和仰角测量

从数据可以分析出，方位和仰角的闭环精度符合指标要求，表明采用半闭环控制方案，通过适当控制传动链精度是切实可行的。在业务运行过程中，统计由于天线动态错误造成的自动保护停机为2次/月，且再次运行雷达时不需要给伺服系统重新上电，表明采用CAN总线通讯方式是稳定、可靠和满足通信速度要求，同时也表明现场总线的自动复位处理方法是成功的。 在测试和业务运行中，伺服系统能按照指令准确切换各种体扫模式和接收各种指令，说明体扫模式和工作方式切换符合要求。

5.总结

采用半闭环控制方案，通过适当控制传动链精度解决精度定位；采用CAN总线通讯方式解决通讯和控制，利用伺服控制器自身的功能解决CAN总线的自动复位和工作方式切换。这可帮助使用、维修人员理解伺服系统的工作原理，便于其分析和维修系统故障，并为设计伺服系统的控制问题提供经验。多次现场测试结果表明该系统各项性能指标满足要求。系统在业务试运行、业务运行过程中稳定、可靠，说明采用基于CAN总线控制的交流伺服控制器应用于天气雷达伺服系统是成功的，同时也表明对问题解决的结果是成功的。基于天气雷达数据处理机的需要，采取CAN总线虽然有效地解决了通讯控制问题，但同时也带来CAN总线自身不能自动复位的弊端，虽然采取其它途径较好地解决了该问题，但不是最理想的方案。

参考文献

[1]白水成，黄增林，张世昌，李崇福，李成伟.CINRAD/CB天线座控保信号的检测与维修[J].陕西气象，2011（5）.

[2]尹海韬，王新民，李乐尧，谢蓉.基于降阶解耦的最优伺服控制器设计及在着舰控制上的应用[J].西北工业大学学报，2013（3）.

[3]刘昌权，王志胜.伺服跟踪系统的预见预测控制器设计[J].机械与电子，2012（11）.

[4]刘栋，陶涛，梅雪松，张东升.伺服系统线性特性和非线性摩擦的解耦辨识方法研究[J].仪器仪表学报，2010，31（4）.

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