轨道车辆车厢LED照明系统故障机理分析

2014-04-01张邦成王奕龙尹晓静杨慧香

照明工程学报 2014年6期

张邦成，王奕龙，高智，尹晓静，杨慧香

(1.长春工业大学机电工程学院,吉林长春 130012； 2.长春工业大学软件职业技术学院,吉林长春 130012)

引言

LED作为高效、环保、节能、抗震的新型光源，已经越来越广泛的应用到国民生活的各个方面[1-2]。以LED为照明光源的车辆LED照明系统也越来越多的出现在轨道车辆中。图1为LED照明在地铁中的应用实例。基于轨道车辆的特殊性与电气系统的复杂性，提高轨道车辆车厢LED照明系统的可靠性显得尤为重要。轨道车辆车厢LED照明系统一旦发生故障，不仅会造成一节车厢照明系统的瘫痪、整车照明系统的瘫痪，还可能造成其它连带系统的故障，如空调系统、运行控制系统、电气系统等，甚至可能会引发火灾，造成不可预估的损失。及时、准确的确定轨道车辆车厢LED照明系统故障，进行故障诊断与预报，对降低轨道车辆车厢照明系统的维护成本，提高运行效率及可靠性，保证车辆安全运行具有重大意义[3]。

图1 LED照明在地铁中的应用Fig.1 LED lighting in the subway Applications

为了及时、准确的确定并排除轨道车辆车厢LED照明系统的故障，对其常见故障类型做了一个较全面概述，并对其故障机理进行了分析，为故障诊断与预报工作打下了基础。

1 轨道车辆车厢LED照明系统的组成与模版划分

轨道车辆车厢LED照明系统以工控机为控制核心，通过CAN总线与下位机通信。利用照度传感器采集车厢外部环境的照度值，将照度信息通过CAN总线传输至PC机，然后PC机根据外部环境的光照度值控制开关的开启或关闭，以及向单片机发送指令，控制单片机向LED驱动器发送不同脉宽的PWM信号，达到调节LED灯输出光通量的目的，总体原理如图2所示。

图2 控制系统原理框图Fig.2 Block diagram of the control system

轨道车辆车厢LED照明系统主要包括以下四个模块：LED控制电路模块、LED驱动电源模块、LED灯板模块和传感器采集模块，如图3所示。整个照明系统电路复杂，电子元器件多，在实际应用中，任何一部分电路或者任何一个元器件出现故障，不能正常工作，都有可能造成局部甚至整车照明系统的瘫痪，影响正常行车安全。

图3 轨道车辆车厢LED照明系统模块组成关系图Fig.3 LED lighting systems for rail vehicles compartment module diagram

将轨道车辆车厢LED照明系统以模块为单元，从各模块本身失效形式入手，与轨道车辆的特殊运行条件相结合，深入分析了轨道车辆车厢LED照明系统的故障机理。

2 LED控制电路模块故障机理分析

LED控制电路模块是整个轨道车辆车厢LED照明系统的控制核心，它与外围电路相接，以IPC为控制核心，CAN总线通信，与LED驱动电源模块相接。在LED控制电路模块中，除了IPC、CAN总线，还包含很多电子元器件，例如单片机。为了对LED控制电路的故障诊断打下基础，对LED控制电路模块的各个组成单元进行了故障机理分析。

2.1 IPC故障机理分析

IPC是整个轨道车辆车厢照明系统的大脑，支配着每个单元及模块的活动，如果IPC出现故障，那么整个轨道车辆车厢LED照明系统将不能正常工作。一般情况下，轨道车辆车厢LED照明系统的IPC故障主要包括：连接故障、供电故障、硬件故障和软件故障。在轨道车辆运行中，强振动对IPC的连接问题造成隐患，故障原因主要包括插接线问题、连接线故障、和外接设备故障。供电故障主要是指供给IPC需求的外围电源，这是轨道车辆供电问题，本文不进行详细讨论；硬件故障主要就是指IPC的硬件出现问题，比如CPU、RAM等硬件出现问题，使IPC不能正常工作；软件故障就是指控制轨道车辆车厢LED照明系统的软件及程序出现异常。一般对IPC的故障排除步骤为先检查连接，再检查各个供电电源，检查硬件情况，最后排查软件故障。

2.2 电路板故障机理分析

电路板是控制电路的载体，是电路的重要组成部分。电路板主要由模拟电路和数字电路组成。一般的数字电路只有0和1两种状态。由于数字电路状态少，所以其受噪音、振动等的影响较小。其工作机理也主要是逻辑运算，没有连续的数学函数，测试也相对准确，所以，故障机理相对简单。模拟电路故障的原因比较复杂，既有元器件在设计制造过程中的缺陷造成的，也有使用时间较长导致的元器件老化或者使用环境较恶劣引起的。同时，模拟电路的故障现象还具有多样性，元器件参数具有离散性及非线性。

模拟电路的故障可以分为由于一些原因(例如开路、短路等)导致的电路功能不能实现的硬故障和电路的元器件参数由于某些原因产生漂移并且超过了预定容差范围的软故障。其中，硬故障一般不具缓变性。在轨道车辆车厢LED照明系统中，出现更多的就是模拟电路的软故障。软故障对系统造成的破坏是渐变的，难以识别。在轨道车辆车厢LED照明系统中，噪声大、振动强、环境恶劣是轨道车辆经常处于的环境，这些噪声、振动更容易使元器件发生漂移，出现缓变故障[4]。

电路板中电子元器件较多，在此选择电阻做为研究对象。为了方便实验，对电路中功能相同的电阻在仅有一个R0出现故障时进行故障波形分析。图4为LED照明系统波形采集图，图中波形2表示LED照明系统在正常工作状态下，当电阻R0出现故障时，其波形会有所变化，断路时如图1中波形所示，短路时如图3中波形所示。通过对输出波形的比较分析可以确定电阻R0是否发生故障。

图4 LED照明系统波形采集图Fig.4 LED lighting system diagram waveform acquisition

2.3 单片机故障机理分析

单片机是轨道车辆车厢LED照明系统的微型控制器，在很多环节都起到控制核心的作用。例如，照度传感器采集到的数据就需要传给单片机进行处理等。在轨道车辆运行中，高温、低温、振动等都会对单片机的正常工作造成威胁。环境温度过高或装置散热不良均会造成单片机的加速老化或损坏，产生间断性数据错误等；环境温度过低还可能会造成单片机芯片与引脚连线断裂等。根据单片机的故障机理分析及一般的故障诊断方法可以概括，在轨道车辆中，对单片机的故障诊断一般步骤如图5所示[5-6]。

图5 单片机故障分析步骤Fig.5 Step of SCM failure analysis

3 LED驱动电源模块故障机理分析

在LED驱动电源模块中，主要的故障经常出现在电路板或者LED驱动芯片。其中电路板故障在上节已经做过详细故障机理分析，此处不再赘述。

在轨道车厢中，对灯光的光通量有一定的要求，所以LED驱动芯片是控制电路必不可少的组成部分。芯片过热时导致芯片发生故障的最主要原因，也是现阶段制约LED发展的最主要的问题。芯片内部器件短路，导致芯片的电源电流增大；外部电源电压增加的芯片，使芯片的电源电压，电流同时增大；散热不好且长时间大负荷工作，导致芯片发烫；芯片输出端口负载变重(负载阻抗变小)，导致芯片输出功率增加；芯片输出端口短路，导致芯片输出功率骤增；芯片内部部分器件参数变化(如器件参数时间漂移)或内部部分器件损坏，引起芯片工作状态改变而导致工作异常；芯片外部部分器件参数变化(如器件参数时间漂移)或外部部分器件损坏，引起芯片工作状态改变而导致工作异常；芯片工作时，由于自激引起内部信号振荡，直接导致芯片输出异常；芯片工作时，由于各种原因导致内部数字脉冲信号占空比改变，直接导致芯片输出异常；电脉冲干扰或干扰波耦合到芯片的信号电路引起的异常信号处理芯片；芯片外部关联器件及线路接法错误、短路、损坏等导致的芯片异常工作；芯片供电回路滤波故障，导致交流纹波过大并进入芯片供电回路；交流电源电压太高，导致芯片的电源电压增高；无线电波及电磁干扰引起的某些特殊芯片内部工作紊乱等都是造成芯片过热的原因[7-8]。

4 LED灯板模块故障机理分析

LED灯板模块是轨道车辆车厢LED照明系统的终端，是该系统的核心部件，是所有服务的控制对象的一部分。若LED灯板出现故障，则会使照明系统其它环节都失去作用。LED灯板的故障主要包括连接线路故障和LED灯源故障。连接线路故障原因主要为线路的断路。线路断路的原因主要有电线老化，环境因素等造成的，传统的检测方式有利用三用表、示波器等进行手工测试。LED灯源故障包括两类：电源、驱动故障；LED灯故障。其中电源、驱动故障已在LED电源模块故障机理分析进行了阐述，本节主要对LED灯故障进行机理分析。造成LED灯故障的原因主要是由超强电流、高电压(如闪电、电路通断的瞬时噪声、供电电压不稳定等)和静电放电产生。其中，静电放电损坏是LED照明中频繁发生的一种故障。

5 LED照度传感器采集模块故障机理分析

传感器是构成测量与控制系统不可或缺的核心组成部分，同时也是完成信号采集的主要工具。在轨道车辆车厢LED照明系统中，照度传感器是系统实现照度调节的重要部分。轨道车辆车厢LED照明系统选用的照度传感器核心部件为光电二极管，它在无光照时，电阻无穷大，有光照时，电阻立刻变小到几百欧姆，我们利用它的这个特性来检测有无光照及光照大小。

传感器是相对可靠的电子元器件，但是在轨道车辆这种特殊的应用环境中，会有相对于其他使用环境较多的失效形式。一般情况下照度传感器的失效模式有：暗电流超差、开路故障、输入输出间绝缘电阻小、光发射管反向电流大和光电传输特性失效。这些故障形式大部分都是器件本身的性能缺陷造成的。除了这些故障形式，在轨道车辆车厢LED照明系统中，由于列车运行时天气、振动、沙尘等因素，会造成对传感器的粉尘污染、腐蚀、高温、震裂等故障，使传感器不能正常工作，采集的环境照度不准确，从而影响车厢照度调节。传感器污染、腐蚀、震裂等均会对器件造成损伤，使其不能正常工作。在照度传感器中，良好的散热是保障其正常工作的重要因素。在轨道车辆运行中，由于环境恶劣或者自身性能的衰减造成照度传感器芯片温度的升高。照度传感器温度的升高对其采集的精度有很大影响。温度的升高影响照度传感器的光通量，从而造成传感器采集数据的失真。研究表明，温度每升高10℃，光通量减小0.55lm。因此，控制照度传感器芯片的温度是保证正常工作的前提[9-10]。