SS4B型電力機車LCU研究與應用

武新龍

（國能新朔鐵路有限責任公司機務分公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著中國鐵路的發展，線路準點率要求越來越高，線路運輸越來越密集對機車的安全性、可靠性和穩定性提出了更高的要求。降低機車故障率，提高機車可靠性、穩定性、安全性、可維護性以及平均無故障時間等性能，已經成為現代鐵路運輸的基本要求。

1 電力機車LCU概述

軌道交通作為一個特種行業，對機車可靠性和安全性要求較高。一般電子產品的使用年限為10～15年，機車的使用環境惡劣，導致安裝在機車上的電子控制裝置使用壽命只能維持8～10年。LCU機車邏輯控制裝置于2002年，在直流機車上批量安裝投入使用后，至今絕大多數LCU裝置已經超出使用壽命期限。電子元器件由于受高溫、潮濕、灰塵氧化等環境的影響會出現相關性能的變化，處于浴盆效應的末端，從而引發電子裝置的不穩定性，故障頻繁，大大增加了機車運輸安全風險。

此外，LCU機車邏輯控制開發時代較早，受當時電子技術水平約束，電路設計功能簡單，無法滿足機車后續技術的完善和革新，如驅動電流更大的電磁接觸器、大量的故障日志存儲功能、MVB（車輛總線）控制功能等，因此研制新型LCU有重大意義。

2 電力機車二代LCU邏輯控制單元研究技術

2.1 主要功能及主要優點

2.1.1 主要功能

LCU是電力電子技術和計算機控制技術于一體的一種專門用于鐵路機車車輛的大功率可編程邏輯控制裝置，其功能是實現機車控制系統的無觸點化，通過微機集成電路控制邏輯，取代機車低壓柜內部繁瑣復雜的控制迂回電路，取代中間繼電器、時間繼電器等，實現機車的集成化低壓控制。

2.1.2 主要優點

二代LCU是基于一代LCU的升級產品，在保持原有基本功能和外部機械、電氣接口不變的條件下，對整個系統進行了升級改進。采用更高性能的32位72 MHz主頻ARM微處理器，并引入高效實時操作系統；輸出通道驅動電流是原LCU的兩倍以上；具備自身故障記錄分析功能；采用先進的電路集成封裝技術，穩定性高；系統架構簡單，板件類型少，控制板具有互換性，檢修備品投入少；優化了電路線路設計、提高了關鍵電子器件參數性能，具有更高的可靠性、更長壽命，能更好地保障機車的安全運行。

2.2 主要技術參數

裝置型號TYLCU02-SS4B；額定輸入電壓：DC 110 V，波動范圍DC 77～137.5 V；額定功率300 W；數字量輸入點數128點；數字量輸入電壓范圍：低電平0～30 V，高電平77～137.5 V；數字量輸出點數：96點（I類型通道64路、II類型通道32路）；額定輸出驅動電流I類型通道1 A，II類型通道2 A；故障存儲量不低于1000條，下載通信速率120 kbps；數據記錄條件為LCU輸入輸出狀態發生變化時；每組數據存儲容量32 M；適應環境溫度-25～+70℃，裝置允許在不低于-40℃環境溫度下存放；機箱結構尺寸498×380×274 mm；重量30 kg。

2.3 結構組成及工作原理

2.3.1 整體結構組成介紹

一節SS4B型機車上裝有兩臺LCU02-SS4B裝置，分別安裝在兩個低壓柜中，兩臺LCU之間通過CAN總線進行通信，具有雙冗余通信安全導向機制。LCU1為主控單元、LCU2為擴展單元。

單個機箱系統組織架構分為兩組一樣的硬件，具有冷備份冗余功能。每一組由電源通信板與控制板兩種板型組成，硬件主控均采用ARM微處理器，控制板功能一致，并可自動識別板件身份，達到任意互換功能。

控制板采集機車上110 V輸入信號，經過輸入集成模塊IM110轉換為微控制器可處理的5 V信號。控制板微控制器再通過CAN通信模塊，將接收到的輸入信號發送到電源通信板。電源通信板整合所有控制板輸入的信號數據，經過邏輯運算，再通過CAN通信將輸出通道數據發送到控制板。控制板接收到輸出指令后，控制板的微處理器通過輸出集成模塊，在相應通道輸出110 V驅動機車外部負載。

2.3.2 電源通信板工作原理

電源通信板為LCU整機中的核心部分，每只LCU只有1塊電源通信板，內部分為A、B兩組用于冗余，兩組硬件與軟件均一致，主要負責各控制板的系統電源供給、CAN通信、邏輯運算等功能。

（1）電源通信板主要技術參數：STM32F407處理器芯片主頻72 MHz，Flash存儲器容量1 M；兩組電源模塊輸出電壓DC 5±0.25 V，每組電流14 A；隔離RS232接口A、B組各1個，主要用于程序下載及測試臺使用；隔離RS485接口1個，主要用于與外部機車顯示屏進行通信（備用）；FLASH存儲器25DF321A單只容量32 M，主要用于故障日志的記錄；CAN2.0通信模塊兩個，自帶隔離，主要用于與控制板進行通信。

（2）系統原理如圖1所示。

圖1 電源板系統原理

（3）處理器及外圍電路。電源通信板主控芯片采用意法半導體的STM32F407微控制芯片，是性能高，集成度高，穩定性強的專業嵌入式ARM微處理器，主頻達到72 MHz，Flash存儲器容量達到1 M。該微處理器芯片采用LQFP144貼片封裝，取代原LCU主控芯片采用的嵌入式安裝方式，可以有效避免震動、灰塵等因素導致接觸不良。

原LCU在經過一定時間的使用過后，由于受到鐵路震動大、灰塵多的環境影響，以及維護過程多次對芯片拔插，主控芯片底座出現了破損、積灰，極易出現接觸不良。二代LCU主控芯片的直接焊接方式則更為可靠，同時引出ISP在線編程接口，方便軟件升級。

由于二代LCU主控芯片集成度高，需求的外部電路很少，主要是電源供應、晶振電路和復位電路。STM32F407芯片要求2.0～3.6 V的供電電壓，這里通過SPX1587AT芯片提供穩定的3.3 V電壓，保證系統正常運行。STM32F407芯片VBAT引腳連接超級電容作為備用電池，在系統掉電時為備用寄存器以及RTC實時時鐘單元供電。晶振電路為系統提供主時鐘，使用外部晶振的優點是能產生非常精確的主時鐘。復位電路可以在系統上電時候為復位引腳提供大于300 ns的低脈沖，使系統復位運行。

（4）RS232/RS485通信電路。RS232通信電路采用專用的通信集成芯片，芯片內部具有電源隔離、電氣隔離、RS232收發器，外圍電路簡單，系統穩定可靠。RS232通信電路主要用于現場軟件升級、歷史故障信息下載等功能。

RS485通信電路是為機車后續擴能改進，實現與微機柜通信而預留的通信接口，RS485通信電路采用專用通信集成芯片，芯片內部集成了電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線保護器件。芯片總線接口配置了偏置電阻以及終端電阻，外圍電路簡單，性能穩定可靠。LCU通過機箱外部RS485總線接口與機車網絡相連，實現與微機顯示器通信。

（5）雙CAN通信電路。二代LCU電源通信板主要通過CAN通信網絡與控制板進行數據交換，CAN通信電路采用專用的CAN通信集成芯片，芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發器件，外圍電路簡單。這里使用了雙CAN冗余設計，若出現一路通道故障，自動切換到另一通道，極大地提高了系統可靠性。

2.3.3 控制板工作原理

控制板為輸入輸出采集控制部分，各控制板硬件與軟件保持一致，可以互換通用，各控制板與電源通信板的通信均采用CAN進行通信，將接收到的機車外部輸入信號經控制板微處理器再通過雙CAN通信發送到電源通信板進行邏輯運算，再返回到控制板，通過控制板微處理器控制輸出集成模塊，輸出110 V電壓驅動外部負載。

無觸點輸出通道：共12路，4路持續2 A帶載通道，其中第1路為獨立電源設計；2～8路為一組，共用一路負載供電電源；9～12為一組，共用一路負載供電電源。輸出通道均帶有過流保護、防反向功能。

二代LCU控制板主控芯片同電源通信板一樣，采用意法半導體的STM32F407微控制芯片，并且重新設計輸入輸出電路，以提高通道帶載能力，同時使用專用的輸入集成模塊，減少控制板焊點數量，降低故障發生次數。

（1）控制板主要參數。STM32F407處理器芯片主頻72 MHz，Flash存儲器容量1 M；供電DC 5 V，波動范圍：4.5～6.0 V；無觸點輸入通道16路；無觸點輸出通道12路；輸入電壓高電平：DC 77～137.5V；輸入電壓低電平DC 0～30 V；RS232接口1個，不引出外部接口，主要用于程序下載；JTAG接口1個，主要用于程序仿真；帶隔離CAN2.0接口兩個，主要作用是與電源通信板通信。

（2）輸入通道電路原理。輸入電路采用專用的輸入集成模塊，模塊內部集成4路電平轉換隔離電路，輸入電壓范圍DC 77～137.5 V，輸出DC 5 V電平。輸出電平一路送ARM微處理器，一路經過LED驅動模塊驅動LED燈顯。每塊控制板有16路輸入，需要使用4個輸入集成模塊IM110。

（3）輸出通道電路原理。所有輸出通道控制原理一致，由ARM微處理器通過OU1為低電平控制光耦U20內部導通，驅動外部大電流輸出。其中自恢復保險RV1、RV2起過流保護作用，D17防止反向輸入，起輸出故障隔離作用，D20起外部續流作用。

（4）雙CAN通信電路。控制板采用雙CAN通信電路與電源通信板進行數據交換，其原理與電源通信板上的一樣。控制板的CAN通信電路主要功能是實現與電源通信板通信，將采集到的機車輸入信號發送到電源通信板，同時接受來自電源通信板的輸出信號，輸出直流電壓控制機車上接觸器、繼電器等電器負載。

3 電力機車主要技術難點及關鍵技術創新點

3.1 主要技術難點

3.1.1 輸出通道大電流驅動電路設計

針對原LCU輸出通道驅動能力不夠問題，二代邏輯控制單元在輸出通道驅動能力方面需要提高。相比一代LCU產品，驅動電流增加到2倍以上，輸出通道帶載持續電流最高達到2 A。如何選擇合適的大功率開關器件是該電路設計的難點，并且多路大電流輸出通道同時運行，散熱問題也是要考慮的難點。

3.1.2 輸出通道過流自動保護設計

二代邏輯控制單元在輸出通道驅動能力方面需要提高，那么相應的過流保護電路就需要重新設計。當任意輸出通道出現過流時，需要自動快速關斷輸出回路，這既是保證機車安全運用的關鍵，也是二代LCU設計中的難點。

3.1.3 器件的可靠性、通信穩定性和抗電磁干擾性設計

鐵路運營環境惡劣，在振動大、溫差變化大，煤灰塵覆蓋大的情況下，提高通道驅動電流后，整機功率增大。但在印刷線路較多，元器件布局緊湊，又在電路板尺寸和空間有限的情況下，要保證器件的可靠性、通信穩定性和抗電磁干擾性是二代LCU設計中的難點。

3.2 關鍵技術創新點

3.2.1 ARM微控制器芯片

二代LCU首次將32位ARM微控制器芯片引入到LCU板件設計中，替代原70年代落后的8位51單片機。該ARM微控制芯片無論是在運算速度上，還是在Flash存儲器容量上都比51單片機有很大的提升，主頻由1 MHz提高到72 MHz，Flash存儲器容量由8 k增加到1 M。主控制芯片性能參數的提升一方面提高了LCU板件的可靠性，另一方面也使得LCU引入實時操作系統、增加故障記錄存儲等功能成為可能。

3.2.2 統一控制板類型

原SS4B機車LCU控制板數量達到8塊，各個控制板需要執行各自獨立的輸入輸出任務，導致原LCU設計上出現8種類型的控制板，而且控制板之間不可以互換，系統架構復雜，不便于日常維護。二代LCU創造性的統一了控制板類型，所有的控制板硬件、軟件相同，當控制板插入到LCU機箱時，控制板依靠機箱內的布線電壓編碼，軟件自動判斷自身類型，執行相應輸出任務，并在控制板面板上顯示板子類型。這樣控制板就不需區分型號，變得通用化，便于段方的維護、降低備品成本的投入。

3.2.3 故障記錄下載及地面數據分析功能

二代LCU開創性地實現了自身故障記錄功能以及地面數據分析功能。LCU不僅詳細地記錄故障信息，同時將所有的LCU輸入輸出動態變化詳細地記錄下來，通過地面分析軟件，可以很方便地查看故障發生時間、故障類型。必要的時候可以調取故障發生前后LCU輸入輸出變化情況，有效地幫助客戶重現故障時刻的機車狀態，分析機車運行中出現的各種故障。可以說二代LCU自身故障記錄分析功能的實現，開啟了大數據時代直流機車LCU存儲記錄功能的先河。該功能適用于所有直流機車，具有一定的推廣應用前景。

3.2.4 LCU控制板輸出通道帶載能力

二代LCU將大功率開關器件引入到輸出通道電路設計當中，輸出通道驅動能力大大提高，相比原LCU產品，驅動電流增加到2倍以上。將LCU的I類型通道帶載持續電流由0.5 A提高到1 A，II類型通道帶載持續電流由0.7 A提高到2 A。不僅解決了原LCU通道驅動能力方面的不足，同時支持機車后續電器部件擴能改進，如一路LCU通道驅動多個接觸器等。

3.2.5 程序芯片直接焊接

傳統程序芯片采用嵌入式方式安裝，是為了能夠取下芯片進行程序升級。然而，這種嵌入式安裝方式并不適用于機車運用環境，在震動大，灰塵多、溫差變化大的運用環境下，極易出現接觸不良。二代LCU棄用這種安裝方式，采用更為可靠的直接焊接方式，同時預留程序升級接口，不僅解決了接觸不可靠問題，而且可以很方便地進行在線程序升級。因為該程序芯片故障率極低，日常根本不需要更換，所以采用了直接焊接方式。

3.2.6 電路集成化設計

二代LCU采用先進的電路集成封裝技術，對輸入通道電路、輸出通道電路、通信電路做了集成化設計，將成熟的硬件電路封裝到單一的集成模塊中，可以有效減少LCU板件上分立器件個數，進而減少因震動、灰塵、潮濕等環境因素引發的LCU板件故障。

3.2.7 風扇智能化變速運行

機箱散熱風扇采用自動溫度控制，當環境溫度＜35℃時，風扇停止；35℃≤環境溫度＜45℃時，風扇低速運行；45℃≤環境溫度＜55℃時，風扇中速運行；溫度≥55℃時，風扇高速運行。當按下LCU后面板上的風扇強制運行按鈕開關后，散熱風扇將以高速運行，不再受溫度控制。不僅可以方便檢修人員測試風扇，而且可供特殊情況下強制風扇工作，保障LCU安全運行。此項智能化設計可以有效延長風扇使用壽命。

3.3 LCU邏輯控制裝置研制的創新性

（1）系統組織架構簡單，單個控制單元分為電源通信板與控制板，控制板（A～G）均可進行任意調換，用戶維護方便，降低備品成本的投入。

（2）采用ARM微處理器配套實時操作系統，任務響應速度快、軟件運行可靠性高。

（3）硬件輸出通道除了具有本身的保護功能外，擴大了輸出通道的帶載能力，在提高可靠性的同時也可廣泛適應于機車的后期改進。

（4）具有故障日志存儲功能，有利于LCU02故障或機車相關故障原因的查找，降低檢修難度，做到有依有據。

（5）微處理器芯片采用直接焊接工藝，避免了熱脹冷縮、灰塵侵襲導致的芯片接觸不良故障。

4 結束語

開展SS4B型機車二代LCU邏輯控制單元研究項目，旨在通過硬件電路和軟件的革新，打造具有更高可靠性、更長壽命以及高效檢修的機車邏輯控制單元，更好地保障機車的安全運行。