廣州地鐵1號(hào)線A1型車RVC故障分析及解決措施

金文濤，夏耀天，李曉威

（廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部基地 維修中心，廣東廣州510310）

廣州地鐵1號(hào)線A1型車RVC故障分析及解決措施

金文濤，夏耀天，李曉威

（廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部基地 維修中心，廣東廣州510310）

論述了城市軌道交通列車RVC的主要特點(diǎn)，說(shuō)明其重要性，以廣州地鐵1號(hào)線A1型車RVC為例，分析出導(dǎo)致其故障的常見原因與主要因素是部分元器件性能下降，提出了解決措施和建議。結(jié)果表明，解決措施行之有效，可以為城市軌道交通列車RVC故障維修提供參考。

城市軌道車輛；參考值轉(zhuǎn)換器；RVC；元件老化；PWM

RVC（Reference Value Converter：參考值變換器）在列車牽引、制動(dòng)過(guò)程中，司機(jī)控制器通過(guò)角度變換器給出的信號(hào)和ATO模式產(chǎn)生的控制信號(hào)均是電流信號(hào)，而牽引控制單元DCU和制動(dòng)控制單元ECU接收的是脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)，RVC器件的主要功能是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號(hào)。RVC如果故障將導(dǎo)致列車無(wú)法正常進(jìn)行牽引制動(dòng)，從而影響軌道交通正線運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，它屬于列車上的重要設(shè)備。隨著廣州地鐵各型列車運(yùn)行年限逐漸增加，RVC故障件越來(lái)越多，因此分析出RVC的故障原因，并提出可行可靠的解決方案對(duì)于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。

1 廣州地鐵1號(hào)線A1型車牽引、制動(dòng)控制簡(jiǎn)介

廣州地鐵1號(hào)線A1型車牽引、制動(dòng)控制設(shè)備主要包括司機(jī)控制器、ATO/ATP、RVC、ECU和DCU，這些設(shè)備在列車的分布如圖1所示。

圖1 牽引、制動(dòng)控制設(shè)備的分布

廣州地鐵1號(hào)線A1型車既能人工駕駛，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。人工駕駛是由司機(jī)通過(guò)操作司機(jī)控制器來(lái)控制列車牽引或制動(dòng)；自動(dòng)駕駛則是由ATO輸出控制信號(hào)對(duì)列車進(jìn)行牽引或制動(dòng)。

司機(jī)控制器簡(jiǎn)稱司控器，是司機(jī)用來(lái)控制列車牽引和制動(dòng)的設(shè)備，司控器主要由鑰匙開關(guān)、方向手柄和控制手柄組成。鑰匙開關(guān)有2個(gè)位置：“0”（關(guān)斷）和“1”（開啟）；方向手柄有3個(gè)位置：F（向前）、0（零位）、R（向后）；控制手柄有4個(gè)位置：D（牽引）、0（零位）、B（制動(dòng)）、FB（快速制動(dòng)）。控制手柄底部連接了一個(gè)電位器，當(dāng)控制手柄從零位移向100%牽引位（F）或100%制動(dòng)位（R）時(shí)，該電位器相應(yīng)輸出0～20 m A的電流，送給RVC。RVC輸出的是DC 70 V、420 Hz的脈寬調(diào)制信號(hào)，脈寬范圍從7.5%到45%，分別對(duì)應(yīng)輸入的0～20 m A電流，如圖2所示，圖2（b）T1為實(shí)際脈沖寬度，T2為最大脈沖寬度。

圖2 RVC輸入輸出關(guān)系

列車DCU或ECU接收到調(diào)制后的脈沖信號(hào)，對(duì)列車施加相應(yīng)大小的牽引力或制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的調(diào)速控制。

當(dāng)列車處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)下，ATO給出0～20 m A電流，經(jīng)RVC轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號(hào)，原理與人工駕駛一致。

2 RVC工作原理

2.1 電源部分

A1型車原裝進(jìn)口RVC，涉及到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此需要解決電壓匹配的問(wèn)題。首先通過(guò)電源板將外接的＋110 V直流電轉(zhuǎn)換成＋35 V、－35 V、＋24 V、－24 V 4組直流電；然后再通過(guò)LM120、LM140、LH0070等IC將＋24 V、－24 V轉(zhuǎn)換成＋15 V、－15 V、＋10 V等直流電，供內(nèi)部電路使用，電路圖如圖3所示。

2.2 信號(hào)輸入部分

司控器的角度變換器輸入信號(hào)和ATO輸入信號(hào)為0～20 m A的電流信號(hào)，通過(guò)與500Ω電阻并聯(lián)，均轉(zhuǎn)換成0～10 V的電壓信號(hào)，兩者并聯(lián)輸入，信號(hào)電壓輸入給電壓跟隨器LM248后，取較大值為輸入信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)LM1558作一次電壓跟隨，輸出信號(hào)與基準(zhǔn)電壓分出來(lái)的初始值、積分電路的輸出值作比較，形成加法電路，最終再輸入到西門子公司生產(chǎn)的PWM芯片TDA4700。

TDA4700芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)輸入電壓值的大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)占空比的脈沖信號(hào)，PWM的輸出頻率為420 Hz。此外，為了驗(yàn)證TDA4700是否有輸出，將輸出信號(hào)再反饋到積分電路，經(jīng)積分后的電路和原本的輸入電路產(chǎn)生和差，重新給到TDA4700的輸入端，保持TDA4700的輸出連續(xù)性。信號(hào)輸入電路圖如圖4所示。

圖3 電源部分電路圖

圖4 信號(hào)輸入電路圖

2.3 信號(hào)輸出部分

TDA4700芯片輸出的PWM信號(hào)通過(guò)光耦隔離控制NPN三極管V3的通斷，V3管型號(hào)為BUY48，高電平情況下V3管導(dǎo)通，從而引起PNP三級(jí)管V2的基極接地也導(dǎo)通，此時(shí)RVC輸出70 V高電平；反之，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，V3管關(guān)斷，則RVC輸出低電平。信號(hào)輸出電路圖如圖5所示。

3 RVC故障分析及解決措施

3.1 找出故障點(diǎn)

RVC輸出脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬范圍是從7.5%到45%，脈寬范圍初始值7.5%是指在沒有任何輸入信號(hào)的情況下，由圖4中R17產(chǎn)生的基準(zhǔn)值，這是為了讓DCU和ECU檢測(cè)到是否與RVC的連接正常，通過(guò)調(diào)節(jié)R17的電阻值，可以更改基準(zhǔn)值。由于TDA4700芯片故障時(shí)會(huì)默認(rèn)輸出占空比為50%的脈沖信號(hào)，因此設(shè)置正常輸出脈寬范圍最大值為45%，一旦輸出值超出45%，則認(rèn)為是輸出故障。

圖5 信號(hào)輸出電路圖

通過(guò)對(duì)大量故障件RVC進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不給任何輸入信號(hào)的情況下，脈沖信號(hào)占空比已經(jīng)是10%左右，這個(gè)值大于RVC初始化所設(shè)定的初始值7.5%，因此顯示出RVC參考值故障。

根據(jù)圖4所示，在不存在輸入信號(hào)的情況下，可能導(dǎo)致這種故障的原因有3點(diǎn)：（1）基準(zhǔn)電壓可導(dǎo)致輸出初始值過(guò)大；（2）積分電路故障導(dǎo)致反饋值變小，因?yàn)槭秦?fù)值，所以使得初始值變大；（3）輸出電路滯后導(dǎo)致脈沖信號(hào)占空比變大。對(duì)于第1點(diǎn)，通過(guò)更換R17，并測(cè)量更換前后的基準(zhǔn)電壓，發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓不存在問(wèn)題。

（1）運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放）芯片性能下降

積分電路故障。首先通過(guò)測(cè)量排除了是積分電路中電阻、電容的故障，那么有可能是運(yùn)放芯片故障。測(cè)試運(yùn)放芯片的故障采取最簡(jiǎn)單有效的方式，即將RVC電路上的運(yùn)放芯片LM248取下來(lái)進(jìn)行基本反向比例運(yùn)算電路測(cè)試，與一個(gè)全新的LM248作對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以測(cè)試出芯片的性能，測(cè)試原理如圖6所示。RVC中LM248是一個(gè)4運(yùn)放的芯片，它有兩組運(yùn)放應(yīng)用在輸入信號(hào)的跟隨電路中，有一組應(yīng)用在反饋信號(hào)的積分電路中，如圖4所示。

圖6 運(yùn)放測(cè)試電路

根據(jù)反向比例運(yùn)算電路計(jì)算公式（1）

通過(guò)測(cè)試，應(yīng)用在積分電路中的這一組運(yùn)放輸出結(jié)果出現(xiàn)了失真，在輸入ui＝10 V的情況下，輸出uo應(yīng)該為－10 V，但通過(guò)測(cè)試對(duì)比，新的LM248芯片輸出為－10V，而舊的LM248芯片輸出卻為－8.7 V。在同樣的條件下測(cè)試，應(yīng)用在電壓跟隨電路中的兩組運(yùn)放測(cè)試結(jié)果沒有失真，說(shuō)明LM248芯片本身并沒有故障，只是其中一組運(yùn)放性能下降。

由于積分電路輸出的是負(fù)值，因而與基準(zhǔn)值作加法后使得初始值變大，從而導(dǎo)致故障，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)可以得出故障分析中第2點(diǎn)推斷是正確的。

（2）三極管性能下降

輸出電路滯后導(dǎo)致脈沖信號(hào)占空比變大。在沒有司控器信號(hào)輸入和ATO信號(hào)輸入的情況下，TDA4700芯片輸出的可調(diào)脈沖占空比應(yīng)該為7.5%，RVC輸出的脈沖信號(hào)也應(yīng)該是7.5%左右，利用示波器對(duì)故障RVC進(jìn)行波形檢測(cè)，其波形圖為圖7（a）所示，上邊的波形是TDA4700芯片輸出的波形，下邊的波形為主電路繼電器K1的第8腳波形，圖7（b）為波形放大圖，可以明顯看出在經(jīng)過(guò)光耦隔離和三極管之后，脈沖信號(hào)占空比變成了8.9%。那么可以確定導(dǎo)致這種故障的可能原因是光耦隔離器件和三極管損壞中的某個(gè)器件或者全部器件故障，通過(guò)更換器件的方式對(duì)故障點(diǎn)排查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致信號(hào)占空比變大的原因是由于V3三極管性能下降，導(dǎo)致V2三級(jí)管達(dá)到深度放大區(qū)的時(shí)間延遲，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)占空比變大。圖8為更換V3三極管后的波形對(duì)比圖，輸出信號(hào)基本上與輸入信號(hào)一致，符合使用要求。

圖7 TDA4700輸出與故障RVC輸出的波形

圖8 TDA4700輸出與正常RVC輸出的波形

3.2 故障分析

RVC電路上的2個(gè)故障點(diǎn)，均處在光電耦合器的輸出端，并且對(duì)于LM248這個(gè)芯片，在光電耦合器輸入端之前的運(yùn)放均沒有發(fā)生性能下降的現(xiàn)象，而在其輸出端之后的運(yùn)放出現(xiàn)了性能下降，因此，可以判斷整個(gè)芯片所處的外部環(huán)境并沒有對(duì)芯片的性能造成很大的影響。那么可以推斷，造成以上2個(gè)故障的原因有兩點(diǎn)：一是頻率為420 Hz的PWM在信號(hào)變換過(guò)程中產(chǎn)生的d i/d t、d v/d t給器件造成了沖擊，反復(fù)的過(guò)壓沖擊相當(dāng)于對(duì)元器件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加速了芯片的老化，所以造成了元器件性能下降。這可以很好的解釋為什么LM248只有處在積分電路中的運(yùn)放性能下降，而處在電壓跟隨電路中的運(yùn)放卻仍然工作正常。二是運(yùn)放器件的內(nèi)部是由許多三極管組成的，和V3管一樣，在PWM信號(hào)變換的過(guò)程，由于不斷的出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流短暫欠流的現(xiàn)象，三極管導(dǎo)通不完全，導(dǎo)致三極管基極與發(fā)射極之間驅(qū)動(dòng)飽和電壓功耗增加，內(nèi)部溫度上升，高溫加速元器件老化，造成元器件性能下降。

3.3 解決措施

在廣州地鐵1號(hào)線A1型車運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，不斷有RVC故障件出現(xiàn)，在這些故障件中由于LM248性能下降所導(dǎo)致的故障件占總數(shù)的57%，由于V3三極管性能下降的故障占43%，也就是說(shuō)RVC的故障均是由這兩個(gè)故障點(diǎn)故障造成的。因此在維護(hù)的過(guò)程中，如果出現(xiàn)前面所說(shuō)的故障，建議將LM248和V3三極管用性能完好的新器件替代。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣州地鐵1號(hào)線A1型車RVC故障件的研究和分析，發(fā)現(xiàn)A1型車運(yùn)營(yíng)十幾年以來(lái)，RVC故障件的故障點(diǎn)集中發(fā)生在運(yùn)放LM248和V3三極管上。目前A1型車已經(jīng)進(jìn)入2次架修階段，即將進(jìn)入20年期限的2次大修，接近列車的壽命2/3，通過(guò)對(duì)A1型車的RVC的故障研究，建議在2次大修時(shí)對(duì)于所有列車的RVC，將運(yùn)放LM248和輸出信號(hào)V3三極管全部更換掉，以增強(qiáng)RVC的可靠性。

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圖9 加一根控制線的待機(jī)熱備份方案

在原來(lái)的基礎(chǔ)上添加了一根控制線。電源通電后，從電源工作在待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)主電源故障或無(wú)輸出時(shí)，從電源工作在滿載狀態(tài)。由主電源控制從電源的輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前軌道車輛行業(yè)對(duì)車輛照明的要求基本趨向于LED照明燈具。LED照明與傳統(tǒng)光源熒光燈相比，具有發(fā)光效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、燈光效果好的優(yōu)點(diǎn)，而且受空間限制少。它將成為今后軌道車輛照明應(yīng)用的最終趨勢(shì)。本文中介紹的集中式驅(qū)動(dòng)電源供電方案是LED客室照明的最佳照明系統(tǒng)供電方案，該方案對(duì)于LED照明在軌道車輛上的應(yīng)用和推廣具有十分重要的意義。

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Abstract：This paper investigates and analyzes the application superiority of LED lighting in railway vehicle，and makes an intensive study of the latest and best LED power supply scheme（centralized power supply mode）.

Key words：LED lighting；railway vehicle；centralized power supply

Fault Analysis and Solutions of A1Type Vehicle’s RVC Fault in Guangzhou Metro Line 1

JIN Wentao，XIA Yaotian，LI Xiaowei
（Repair＆Overhaul Center，Guangzhou Metro Operation Division，Guangzhou 510310 Guangdong，China）

This paper discusses the main characteristics and importance of urban rail vehichles’RVC（Reference Value Converter）.A1-type vehicle RVC of Guangzhou Metro Line 1 as an example，this paper analyzes the common fault cause and the main factor of component aging and puts forward suggestions and solutions.The results show that the measures are effective and can provide a reference for repaining RVC.

urban rail vehicle；reference value converter；RVC；components aging；PWM

Application of LED Lighting and Centralized Power Supply Mode in Railway Vehicle

WEN Xingye，SUN Liping，LIU Yongzhi，WANG Xin，ZH AO Jinxing
（Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.13

1008－7842（2014）01－0063－05

7—）男，助理工程師（

2013－09－24）