车载雷达机电控制系统安全性设计

张 伟，卢 铭

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

作为雷达设备“六性”设计之一，安全性设计贯穿设备的设计、加工、调试、试验、使用、维修等整个装备生命过程，其重要性不言而喻。人员的人身安全、设备的可靠工作对于整部雷达正常工作至关重要。相对于岸基固定式雷达，车载雷达的机电控制系统多而复杂，具有执行机构多、驱动电机多、传感器多和控制系统复杂的特点，且各机电控制子系统之间存在关联，安全性设计要求较高。为保证人身安全和设备安全，机电控制系统在方案设计之初便要进行安全性设计，统筹考虑，辨别其中存在的安全隐患，并针对性地提出解决措施。本文以某型岸基车载雷达为例，系统地介绍了该型车载雷达机电控制系统在安全性方面所进行的设计。

1 系统概述

某型岸基车载雷达机电控制系统包括方位控制系统、馈源控制系统、天线展收控制系统和载车调平控制系统。

方位控制系统主要由伺服机柜、方位电机、方位转台、自整角机、方位锁销等组成，用于控制方位转台按照操控指令进行方位环扫、扇扫、定位、停车首等动作。

馈源控制系统主要由伺服机柜、馈源转台、馈源电机以及接近开关等组成，用于控制馈源转台旋转、定位，使得馈源转台上3个频段的喇叭分时对准天线面阵。

图1 天线、转台结构示意图

天线展收控制系统由天线展收控制主站、天线展收控制分站、变频器、左边块传动装置(含电机）、右边块传动装置(含电机）、主块传动装置(含电机）、限位开关等组成，用于控制天线的展开与收叠。天线展收控制系统主要工作是到达阵地后的天线展开，使得天线处于雷达工作状态，以及撤离阵地前的天线收叠，确保天线收叠后其高度、宽度满足公路运输要求。

载车调平控制系统主要由一台控制机箱、四条机电式调平支腿、一台水平传感器组成，用于载车到达预设阵地后将载车平台的水平度调至精度要求内，以及撤离阵地前的收支腿。

2 安全性设计

安全性设计的最终目的是保证人员和设备的安全［1］。该型雷达机电控制系统安全性设计主要从结构设计和伺服控制两方面进行，同时也充分考虑了人员操作习惯、结构运动空间、各机电控制子系统间的关联。

2.1 方位控制系统安全性设计

方位控制系统安全性设计的目的是防止天线旋转时对人员的伤害，以及在天线未展开情况下或方位转台锁定的情况下旋转造成结构损坏，为此采取了以下安全设计:

(1）载车平台上设置安全开关，维修人员上载车平台之前，将安全开关拨至“断”的位置，此时方位电机不工作，方位转台不会旋转，保证了人员安全。

(2）天线展收控制系统与方位控制系统之间建立通讯接口，进行天线展开到位状态传输，避免天线在未展开到位的状态下天线方位旋转，导致天线结构的损坏。

(3）方位转台设计有方位锁销，在天线停车首时可锁定方位转台，同时设置方位锁销传感器，并将信号分别接入方位控制系统和天线展收控制系统，确保在锁定状态下方位电机无法旋转，保护天线结构。

伺服分机也会将上述状态送至终端显控台。终端显控台在发送方位旋转命令前，也会判断上述安全条件是否满足，若满足才发送，若不满足则不发送，同时提示操作人员当前天线不能旋转。

2.2 馈源控制系统安全性设计

馈源控制系统安全性设计的目的是防止接近开关损坏或者结构咬死导致电机堵转，从而破坏内部结构件。为此，进行以下安全设计:

(1）在馈源转台的左、右极限位置分别设置两个结构挡块，同时在极限位置处设置了接近开关用于控制保护。

(2）由于馈源喇叭相对位置固定，转速已知，因此可预知从当前馈源切换至下一目标馈源所需要的时间。为防止结构咬死或者接近开关失效导致电机堵转，软件中设置了时间检测功能，当馈源动作时间超过正常运动所需时间后的一段时间内仍然没有检测到接近开关信号，则软件自动将馈源电机停止，并向终端显控台报送馈源转台故障，这样便防止了电机持续堵转导致结构件破坏。

(3）此外，馈源转台内设置安全销，在上述两种安全措施均失效的情况下将首先损坏安全销，从而切断电机的动力输入，保护其余结构件不被损坏。

2.3 天线展收控制系统安全性设计

作为该车载雷达系统最复杂、技术难度最大的机电控制子系统，天线展收控制系统的安全风险最大。为此，采取了多重安全保护技术，比如应用三维仿真进行结构设计，合理设置限位开关，实时采集电流进行电机保护等。

天线展收运动部件多，运动为空间运动，为防止结构件相互干涉，因此在进行结构设计时采取了三维建模技术和虚拟装配技术，确保天线在进行展收动作时不会出现结构件干涉现象。

此外，天线展收控制系统还存在以下几个安全隐患，一是天线展收不可与方位旋转同时动作，二是防止结构件传动丝杆咬死，三是天线展收控制系统失控，四是防止限位开关失效。针对以上隐患分别采取了如下措施:

(1）天线展收时，必须将天线方位停在车首位置，并通过方位锁销将方位转台锁定，确保方位转台固定，方位电机不会旋转。此外，在天线展收控制主站上分别设置“方位”动力和“展收”动力开关，并把“方位”和“展收”开关设置成互锁开关，确保方位动力电源和展收动力电源不可能同时上电，确保了在进行展收动作时方位电机不会旋转。

(2）天线在进行展收动作时，控制软件实时采集电机反馈电流，并进行全程监控，若电流异常增大，则立即停止电机转动，防止结构件咬死事件发生，确保系统结构件不损坏。

(3）天线展收控制系统采用CAN 总线与变频器进行通讯，从而控制电机的起停、转速、方向等。为防止天线在展开或收叠动作时CAN 总线中断，导致控制系统失去对电机的控制，从而引起结构冲击，为此天线展收控制系统定时向变频器发送查询码。若CAN 通讯中断，变频器接收不到控制系统发出的查询码，变频器将自动停止电机转动。

(4）天线展收控制系统在关键处均设置了限位开关，比如在天线展开到位处设置了限位开关，到位时会自动触发限位开关。为避免运输时的振动冲击损坏各传动丝杆，电子设备载车平台上设置主块锁销、左右边块锁销，在运输时将天线主块、边块锁定。同时，这些锁销处均设置了限位开关，并将信号接入天线展收控制系统，从软件上确保在未解除主块锁销、左右边块锁销之前天线主块、边块电机不会工作。

为防止限位开关损坏或连接电缆断裂导致限位开关检测失效，限位开关均采取备份，确保单一开关失效时不至于系统失控。

图2 天线锁定装置示意图

最后，天线展收控制系统操作面板增加“急停”按钮，在紧急情况下按下“急停”按钮，则立即跳开天线展收动力开关，确保结构件不损坏。

2.4 载车调平控制系统安全性设计

载车调平控制系统的安全隐患主要是调平腿不协调动作，比如某一条或两条腿动作，而剩余的腿并未动作，导致整个载车平台倾斜甚至倾覆。为此，实时采集载车平台水平传感器的数据，当水平数值出现放大现象且超过一定数值时，则电机立即停止动作，确保载车平台不会出现倾斜、倾覆的现象。

调平支腿采取了T 型丝杆结构，为防止结构件咬死，也同样实时采集电机反馈电流进行电流保护。

此外，在调平腿的伸缩极限位置处均设有限位开关，当触发限位开关时也会立即停止电机，防止电机堵转。

2.5 警示、提示

电子设备载车平台相关位置处设置天线展收操作流程指示牌以及警示标牌，一方面告知操作人员正确的操作流程和注意事项，另一方面提醒操作人员上载车平台时需注意的安全措施。

天线展收控制单元设置电铃，用于在天线展开或收叠动作前通过铃声提醒人员注意，避免人员伤害。

3 结束语

车载雷达机电控制系统的安全性设计是一项系统性的工程设计，关系到人身和设备的安全，在方案设计之初时必须全盘考虑。在进行安全性设计时，除了考虑设备正常工作时隐藏的安全隐患，更要考虑在操作失误、器件损坏、加电异常、通讯中断等异常情况下会对人员和雷达设备带来怎样的伤害，并针对性地采取安全措施。此外，在设计图纸物化后，需要通过各种办法来进行模拟测试，确保安全措施合理、有效，以此来保证安全性设计的正确性和可行性。

［1］平丽浩，等.雷达结构与工艺.北京:电子工业出版社，2007.

［2］夏勇，等.雷达机电一体化系统的安全性设计［C］//中国电子学会可靠性分会第十三届学术年会论文选，2006.

［3］陆廷孝，等.可靠性设计与分析［M］.北京:国防工业出版社，1996.