TBH552控制调谐系统存在的不足与改进

黄绍光

摘要：文章简要介绍了TBH552-150KW短波发射机控制调谐系统功能特点和设计缺陷，阐述了系统改进后的硬件结构、主要功能，以及工作流程。

关键词：发射机；伺服调谐；自动控制

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号：1009-3044（2014）21-5099-03

1 控制调谐系统结构存在的不足与改进

1.1 发射机控制调谐系统的改造背景

我台的4部TBH552-150KW短波发射机原来的控制调谐系统是北京广播器材生产的，发射机的控制调谐系统由控制小盒、保护小盒、控制保护电源小盒、调压控制小盒、测量报警小盒、自动调谐控制小盒、伺服放大器小盒及自动调谐电源小盒组成。它们控制着发射机各个用电部分按照一定的逻辑顺序，去控制相应交流接触器的接通、断开来控制发射机各级的正常供电，当发射机发射故障时及时切断相关的交流接触器，以达到对发射机的保护，发射机各级供电正常后，自动调谐小盒发出各路调谐指令，通过8路伺服放大器控制驱动8路调谐元件到位，便完成发射机的粗调控制，开通发射机的激励后，鉴相器开始工作，驱动伺服放大器完成高前级调谐，高末级调谐调载后，自动将发射机设置到满功率状态，就完成整个发射机的控制。但它的所有控制逻辑都是由一些小型继电器的接点和集成块来组成的逻辑控制电路，实现对发射机控制调谐系统的所有逻辑控制。由于继电器和集成块的管脚使用时间一长就会出现氧化和接触不良的现象，这样控制调谐系统的故障率随着使用时间的增加，控制调谐系统的故障率逐渐增多，系统的稳定性、可靠变性逐渐变差，机房的维护量增大。针对这一情况，我台组织自己的技术力量，采用基于EDA技术的可编程控制器FPGA-XS30/PQ240和单片机对发射机控制系统进行自动化改造，完成发射机整个控制系统的所有逻辑功能及各种数据的处理。为了防止外界对系统的干扰，在每个小盒后部专门设计了一块滤波器墙，所有到小盒的输入/输出信号都经过滤波器板滤波后再进入到小盒内，所有的开关量输入/输出信号都通过光电耦合器进行光电隔离及电平转换后送到FPGA内，FPGA针对各种输入/输出信号进行相应处理，保证系统信号在受到干扰及抖动时仍然能保持播音。这样就大大提高了系统的抗干扰能力和稳定性，并能准确及时提取发射机各种异态及故障点然后作出相应的告警及指示，便于维护及处理。

1.2 改造后的控制调谐系统结构

改造后的整个控制调谐系统主要由人机接口单元、控制单元、保护单元、自动调谐单元构成，同时为了完成模拟信号的检测，全面改造了测量报警单元；各单元均可独立运行；控制单元为整个控制系统的核心，控制着发射机的所有逻辑合和断，同时决定整个控制调谐系统的自动、手动和不可用权限，在自动运行时自动调谐单元受控于控制单元；保护单元完成发射机的保护逻辑，对错误开关量状态和超过阀值的模拟量进行告警和保护，并及时进行故障记录，同时向上位机提传送种模拟量的状态信号，实现自动抄表；自动调谐单元通过控制8路伺服放大器的转动了完成整个发射机的粗调、细调、电平转换、准备播音等控制。

此控制系统从04年开始在发射机上进行上机运用，先后经过3次升级改造，到09年整个控制调谐系统定型后，经过多年的运行，系统稳定，故障率较低，抗干扰能力强，完全实现了发射机的自动化。在很大程度上减轻了值班员手动操作系统维护的劳动强度，最大限度的避免机房值班人员人为责任事故的发生。确保了机房安全传输发射任务的顺利完成。但是随着该系统的运用和维护人员对系统认识的深入，这种各个单元分离式的结构还是存在一些问题，第一各单元之间的小盒分散不集中，各单元之间的连线较多，并且分散不集中，不但会从线上窜入一些干扰，而且一旦小盒出现故障需要更换和查找线路时，也需要花费很多时间；第二是发射机到各小盒的接线也是分散不集中，各种模拟量、开关量和输出继电器信号线交错在一起，不利于故障的查找。第三由于当时元件的局限性，所选的元件功耗较大，各小盒发热较多，有的小盒需要加装小风扇来解决小盒的散热问题。为了解决以上问题，我们对发射机的控制调谐系统的结构进行重新设计。将原来各个小盒的功能进行重新整合，设计成板卡结构，各块控制板集中在一个小盒内，结构简单，各个板卡之间的连接线通过一块母板连接，这就解决了连接线较多、分散的问题，当控制调谐系统的每一部分出现故障时，只要直接更换一块板，这样就能最大限度的减少控制调谐部分引起的停播。由于各块控制板集中在一个小盒内，这就要求在选择各块控制板上的元器件时，必须选择可靠性高、集成度各、功耗的器件，这样才能解决盒内各块控制板散热问题。采用小盒结构还便于将发射机到各控制板连接的模拟量信号、开关量信号和输出继电器控制信号线分开，便于维护人员查找、核对线路。

2 控制调谐系统控制方式存在的不足与改进

发射机控制调谐系统的硬件配置为一台工业控制计算机，配置必须有触摸屏和多串口卡（至少有3个RS-232串口）。3个串口分别与电控单元、保护单元、调谐单元进行通讯，通讯速率19200bit。操作系统为WIN2000专业版，数据库采用ACCESS2000，编程语言VB6.0企业版，编程环境WIN2000专业版。显示分辨率800*600。

由于当时系统设计时主要是从机房维护的角度出发，即需求驱动设计，考虑的问题是运行的上位机（工业控制计算机）一旦出现故障时，可以甩开上位机，各个控制单元还能独立运行，这就能最大限度的减少由于上位机故障引起的发射机停播，基于这种理念，设计时将发射机的控制放电底层，即每个控制单元都有一块可编程控制器FPGA-XS30/PQ240和单片机，和一些相应的器件来组成一个小的控制系统，完成各个单元的控制功能。由于采用这种控制方式，各个控制单元可以独立运行，但它对数据处理、运算速度不高，各个控制单元之间的数据传输，与上位机的通讯都受到了一定的限制，上位机（工业控制计算机）强大的运算能力没有发挥出来。

为了解决这些问题，充分发挥上位机（工业控制计算机）的采集速度高，处理速度快，运算能力强的特点，对发射机的控制采用顶层控制方式设计，系统采用标准的工业控制计算机来对各个控制单元的数据进行运算处理，将处理的结果通过串口分别送到各个控制单元，再由各控制发出控制指令，去驱动相应的元件，完成各单元的控制功能。这种设计控制的核心是上位机，它具有集成度高故障率低的特点，能完全能够满足发射机高可靠性的要求。

3 控制调谐系统自动调谐存在的不足与改进

3.1 自动调谐系统的组成

发射机整个高频回路的调谐元件共有8路，分别是1路：高前级调谐电容；2路：高末级调谐电感；3路：高末级调谐电容；4路：高末级调谐电容；5路：高末级调载电容；6路：高末级调配线圈；7路：高末级平衡转换器电容； 8路：高前级调谐电感；换频时发射机各路调谐的机械调谐位置由自动调谐系统进行控制，发射机的自动调谐控制是通过控制8路伺服放大器来驱动8路调谐元件转动，完成发射机的粗调和调控制。

3.2 自动调谐系统的控制方式

在不改动原来发射机所有伺服马达和伺服放大器的前提下，按照自动踪的调谐方式对发射机进行控制。保留了原来发射机的（手动、半自动、自动）三种控制模式，增加了信道号模式和发射机自动调谐系统的远程控制方式，自动调谐的控制由控制单元决定，当控制单元处于自动模式时，发射机自动调控制系统处于程控状态，控制权限在自动方式时，系统将根据人机接口单元所存储的运行图进行操作控制，若此时通过人机接口单元进行倒频或预倒操作，操作权限将转移到人机接口单元（遥控模式），同时人机接口单元显示为“遥控”状态、伺服放大器将根据调谐控制系统送出的信息经模数转换器件AD574将数字信号转换为模拟电压信号，送到伺服放大器的反相输入端。而在每一个伺服电机的传动装置上都有一个与被调元件机械联动的多圈电位器（随动电位器），其机械位置与相应的被调元件完全对应。在其两端加有0—9V的直流电压，于是，从电位器的滑动臂引出的电压与调谐元件的位置具有确定的对应关系，将这一电压送到伺服放大器的同相端与反相的电压构成电桥电路进行比较。若两输入电压不相等，则伺服放大器就会有误差电压输出，此电压经桥式电路放大后驱动各自的伺服电机正转或反转，使同相端电压向反相端逼近，直至两者的电压相等后，伺服放大器输出的误差电压为零，电机停止转动，表明各调谐元件已转到与该频率相对应的位置上，就完成了粗调。在粗调到位后，延时2秒后腔体接点、高压二档合上后发射机切换到前级调谐状态，系统进入前级调谐状态，此时系统自动解除，宽放、衰减器、PSM调制控制器的封锁信号，开通全机射频激励信号，将高前极栅偏压由-240V切换到-160V，将发射机功率自动调整到调谐功率状态，系统根据前级鉴向器信息以及内部存储的前级细调修正信息，进行前级细调。前级细调完成后，延时2秒后自动切换到末级细调状态，当处于末级细调状态时，系统根据末级鉴向器信息和末级鉴阻器信息以及内部存储的修正信息对3路及5路进行调谐，其修正方法和前级鉴向器一样，在进行末级细调时，3路调谐完成后对5路进行调载，若在对5路调载过程中3路出现失谐则停止5路调载，重新对3路进行调谐，如此反复进行，直到3路和5路都完成调谐后发出末级细调完成信息，进入电平转换状态。电平转换主要是发射机合上高末帘栅二档，将发射机自动调整到满功率状态，自动解除发射机的各种封锁，至此，发射机的整个自动调谐过程全部结束。

3.3 调谐系统控制的原理及实现的方式

发射机高级的屏极槽路为并联谐振回路，负载是高末栅回路，当高前级槽路正调谐时高前级效率最高，屏极负载接近纯阻，此时高前的阴流应为最小，高末栅流最大，高末调谐时，当高末屏极负载匹配时，屏极负载接近纯阻，发射机的效率最高，此时高末屏极的帘栅流最大和屏流最小，由于发射机的Q值较高，调谐时屏流的变化较为明显，在进行表值调谐时，我们选择高末电子管屏流最小为正调谐判断的依据，高末电子管帘栅流最大为辅助依据。表值调谐采用逐步逼近法实现伺服电机转动到位，具体方法如下：寻找伺服电机转动的确方向：记录当前的屏流的大小Ia11伺服位置A，驱动伺服电机转动一次，记录帘栅流的大小Ia22和伺服位置B，先比较Ia11和Ia22的大小，如果Ia11大于Ia22则认为当前方向正确，否则认为反方向为正确方向；寻找谐振点：用B的值取代A的值，继续向正确方向驱动伺服电机转动50个字，同样的判断和处理，直到Ia22大于Ia11 ，则伺服电机位置A为屏流最小，也就是谐振点的位置，驱动伺服电机到达该点，完成调谐，高前极的调谐方法和高末调谐方法一样。

调谐系统的细调控制以鉴向器为基础，表值调谐是为了防止鉴向器取样信号故障或发射机故障而设定的，不管是鉴向器调谐还是表值调谐都属于被动控制方式，前级调谐时开通前级鉴相器进行调谐，调谐系统按照高前鉴向器取样来的信息进行加性补偿后输入到伺服放大器的同相端和反相端的地电平进行比较后控制伺服电机进行调谐，当同相端电压与反相端相等时伺服放大器输出信号电平为0V时，伺服电机停止转动，则前级调谐完成。如：图1。

进入末级调谐，调谐系统开通末级鉴相器、鉴阻器，自动调谐系统根据末级鉴相器和鉴阻器取样信号进行线性修正后送入3路和5路进行调谐、调载。如图2。

当现鉴相器、鉴阻器损坏或超出鉴相器、鉴阻器的调整范围，调谐系统才会起用表值调谐。

由于在当初设计时没有的发射机的鉴相器、鉴阻器好伺服放大器进行改造，鉴相器、鉴阻器都是模拟的鉴相器、鉴阻器，其基本原理是当电子管工作于谐振状态时，它的高频屏极电压和栅极电压之间的相位差为1800，当电子管处于失谐时它们之间的相位差大于和小于1800，而鉴相器只能鉴别相位差为900的信号，鉴相器采用电容移相法将其中一个取样信号移相900，当所鉴别的二个矢量的相位差为900时，相位差为900鉴相器输出的直流电压为零，伺服伺服电机停止转动，当所鉴别的二个矢量的相位差大于和小于900时，鉴相器输出的直流正电压或直流负电压，去控制伺服伺服电机正转或反转。

3.4 调谐系统改进

系统进行调谐控制时，可根据鉴相器和表值调谐2各方式进行，但鉴相器调谐较为准确，其表值调谐属于模拟人工调谐。当处于谐振状态时，其栅极和屏级的射频信号是同相的，然而TBH522发射机控制系统所采用的鉴相器是原北广生产的鉴相器，根据栅极和屏级取样信号进行比较，通过电阻分压后，整流滤波，两路信号经过比较器后输出直流电平控制调谐元件，当输出为0V时，系统处于谐振状态，当输出为负电平时，栅极超前于屏级，当输出为正电平时，屏级超前于栅极，但在实际工作中无法达到设计要求，主要问题体现在鉴相器取样时，1） 不能彻底滤除高次谐波，导致进入鉴相器的信号不是标准的栅极和屏级的本频信号进行比较。2） 由于栅极和屏级到达鉴相器的引线长度不一致，导致导线在传输过程中产生相位差；3） 因鉴相器材料的是模拟量，面对3-26M频段范围，各频率取样不一致，线性误差较大。综合以上问题，可采用数字鉴相器来对模拟鉴相器进行改进，数字鉴相器取样的也是取电子管栅极和屏级的信号进行比较，但比较是全数字进行的，信号取样前通过40M低通滤波器，进入鉴相器，在鉴相器内部进行整形，将栅极和屏级信号整形成方波，进入到D触发器进行比较，当栅极超前于屏级时，栅极向的D触发器输出超前部分的方波，当栅极次后于屏级时，屏级段D触发器输出次后部分方波，当栅极和屏级一致时，输出0V，D触发器输出信号进入比较强进行比较后输出带方向的比较信号，此信号进行3HZ滤波后输出-10V—+10V的电压信号，及栅极超前于屏级时，输出负电平，当栅极次后于屏级时输出正电平，当栅极和屏级信号一致时，输出0V。这样就能解决模拟鉴相器存在的问题。

通过以上改进，系统的结构由分离的小盒式改为插件式结构，结构变得较为简单，系统的走线也比较规范，用工业控制计算机来处理系统数据、运算更为高效、快捷，发射机模拟的鉴相器和伺服放大器改为数字鉴相器和伺服放大器，对发射机调谐元件的控制更加准确。

参考文献：

[1] 党世红.广播发射机智能控制器的设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（17）：96-99.

[2] 王水林，孟凡平.煤矿井下排水自动化系统研究[J].煤矿机械，2012，33（10）：168-169.

[3] 陈鹏展，唐小琦，金宏星.伺服系统速度环控制参数自整定方法研究[J].仪表技术与传感器，2010（2）：78-81.

[4] 习玄辉.发射台机房运行监控系统的设计和应用[J].广播与电视技术，2013，40（1）：91-93.

[5] 丁忠林，陈晓艳，吴佳妮.基于FPGA的生物电阻抗成像系统设计[J].电子技术应用，2012，38（5）：33-36.