动车组客室座椅控制系统失效研究及优化策略

2022-11-18梁士国董涛涛侯达明

城市轨道交通研究 2022年2期

梁士国贾旭董涛涛侯达明马玄

(1.中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心， 130062，长春; 2. 中车长春轨道客车股份有限公司科技管理部， 130062，长春∥第一作者，高级工程师)

1 客室座椅失效原因分析

动车组客室座椅是乘客乘坐安全性和舒适性的最为直接相关的设备[1-3]，其功能的稳定性是提供各项服务的前提。2019年12月，某动车组客室座椅在其使用过程中经常出现“通风/加热”和“腰托/按摩”按钮(以下简为“电控-舒适性系统”)失效的现象。具体表现为：操作控制面板时舒适性系统没有任何动作执行，指示灯不亮，但此时坐姿调节系统动作正常。座椅断电后再上电重启，大部分座椅舒适性系统功能可恢复，但故障仍会不定时重现；小部分座椅重启后仍失效，此部分座椅控制板指示灯不亮。某动车组客室失效座椅及其控制系统如图1所示。

图1 失效座椅及其控制系统Fig.1 Invalid seat and the control system

该动车组客室座椅各功能按键如图2所示。

图2 客室座椅控制面板Fig.2 Control panel of passenger compartment seat

经调查，该款座椅此批次共装车16套，出现失效座椅14套。其故障原因主要为两类：一类为座椅断电重启后故障消失，但后续还会复现，该故障座椅共12套；一种是座椅断电重启后仍失效，该故障座椅共2套。

1.1 客室座椅控制原理

座椅电控-舒适性系统部分模块沿用了既有座椅的控制设计思路，其CAN(控制单元局域网)总线通信方式具有良好的可扩展性。DC 110 V直流电在MCU(管理控制单元)内部经滤波转为DC 24 V直流电到主控板上，为控制单元、电机和控制面板的驱动及控制提供电源。座椅新增加的“通风/加热”和“腰托/按摩”2个模块的电源由MCU中的电源模块(110 V转24 V)经转接板变压(24 V转12 V)后提供。座椅电控-舒适性系统拓扑结构见图3。

注:VEU为视频娱乐单元。图3 电控-舒适性系统拓扑结构Fig.3 Electronic control-comfort system topology

1.2 客室座椅故障分析

根据故障的表现形式，主要分为控制电路板故障和控制面板故障。

1.2.1 控制电路板故障分析

依据座椅电控-舒适性系统拓扑结构初步分析，“通风/加热”、“腰托/按摩”2个模块是经过转接板挂接在原电控系统下面的2个独立的子系统，且2个子系统的电力供应、工作控制及状态反馈均由转接板完成。2个子系统自身同时失效的概率很低，故模块失效的主要原因很可能是由于转接板电源或者控制信号的异常导致的。

分别对座椅电控-舒适性系统零部件和现车座椅进行测试。使用外接电源在车厢外分别对“通风/加热”、“腰托/按摩”2个模块进行反复测试，发现故障无法重现；在现车车厢内对座椅电控-舒适性系统进行反复操作，发现故障重现。此时对电控-舒适性系统进行测试，发现其12 V的供电电压降至0，模块失电。因此，可判定转接板电源异常是故障产生的直接原因。

进一步分别对“通风/加热”、“腰托/按摩”2个模块的启动电流进行测试。

“通风/加热”模块工作中的电压和电流见图4。由图4可见，该模块的工作电压实测值为12.00 V，工作电流实测值为3.97 A；在该模块加热启动瞬间，电流未发生变化，负载为电阻负载，无电流过冲。

图4 “通风/加热”模块工作过程中的电压和电流Fig.4 Voltage and current during the operation of “ventilation/heating” module

“腰托/按摩”模块工作中的电压和电流如图5所示。由图5可见，该模块的工作电压实测值为12.0 V，稳态工作电流实测值为0.8 A；但其启动电流波动较大，最大值为2 A，并在30 ms内衰减至稳定电流，在此过程中存在电流过冲。

图5 “腰托/按摩”模块工作过程中的电压和电流Fig.5 Voltage and current during the operation of “lumbar support/massage” module

转接板内置12 V电源芯片，其型号为MP8675，最大工作电流为6 A。而“通风/加热”、“腰托/按摩”2个模块同时启动瞬间的电流最大值可达6.07 A，即在“通风/加热”模块工作时再启动“腰托/按摩”模块的工况下的电流会超过芯片保护上限。特别是该电源芯片在外部电源不稳定的工作环境中使用时，其相应功能开启瞬间更可能会发生芯片因过流自保护而停止电压输出的现象，表现为座椅电控-舒适性系统停止工作，而对座椅其他动作无影响。

综上，座椅电控-舒适性系统故障是由转接板的电源功率余量不足导致的，其产生的瞬时电流引起电源模块自动保护。因此，为电控-舒适性系统提供电源的MCU内部电源模块必须能提供大于72 W(6.07 A)的功率，并有一定的冗余。

1.2.2 控制面板故障分析

控制面板结构为塑料按键壳体，按压电路板上开关按键时，按键壳体与电路板之间无其他隔绝零部件。

控制面板输入电压为3.3 V，电压较低，理论上不会损坏LED。初步判断可能是静电导致的过流，当静电过大时反向漏电明显增加[4]。

静电主要来源于人体，通过人体触碰按键传递到电路板上。人体静电泄放时间极短,瞬时脉冲高,平均功率可达到千瓦以上，足以击穿元器件,导致电子设备或系统失灵。元器件的电击穿分为软击穿和硬击穿,软击穿不但会造成设备工作失误,更重要的是可能会造成毫无规律可行的潜在性失效,导致电子产品工作故障[5-6]。

对控制面板进行拆解后发现其损坏表现为2种现象：一种为其中一半(9个)白色LED(发光二极管)亮度降低，见图6；另一种为灯不亮，所有功能失效，见图7。

图6 LED亮度降低的电路板Fig.6 Circuit board with reduced LED brightness

图7 灯不亮的电路板Fig.7 Unlit circuit board

控制面板上有2个MP1528芯片(LED驱动芯片)，且2个芯片的负载和外围电路一致，但发生损坏的均为靠右侧的芯片。

对按键指示灯不亮的控制面板进行测试(见图8)，发现不发光损坏的LED电流为6 mA，而正常发光的LED电流约为1 mA,说明右侧已被击穿。

图8 控制面板测试Fig.8 Control panel test

根据MP1528芯片的控制原理，分析故障原因有两种：一种是芯片烧断，芯片失去升压作用，导致一半(9个)白色LED亮度较低；一种是芯片击穿，保险丝起效，导致整个电路板完全失去供电。

为衡量控制面板的抗静电能力，根据GB∕T 17626.2—2006《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》，使用静电枪模拟±8 kV空气放电与±6 kV接触放电。在模拟过程中未见电弧，控制面板处于正常状态，满足标准要求。继续加大电压至16 kV时有放电的电弧，但未见LED损坏。在极端条件下人体最大可产生20 kV的静电[7]，超过标准规定的试验工况，使用静电枪模拟20 kV时有放电电弧，LED损坏。

综上，控制面板故障主要是由新增的舒适性控制模块功率匹配不当，以及由静电导致的控制面板电路过流损坏引起的。

2 电控-舒适性系统优化措施

2.1 功率匹配优化

2.1.1 临时方案

转接板使用MP8675电源芯片，其默认工作频率为420 kHz。可通过修改单片机程序，以PWM(脉宽调制)方式输出650 kHz同步信号来提高开关频率。更高的开关频率，可让DC-DC转化系统耐受更大的瞬间过冲，但提升空间有限，在10%左右，这可在一定程度上降低故障，但不能消除故障。系统经临时处理后故障有所降低，但仍时常出现，不能彻底解决。因此，对于提升开关频率后的故障仍需复位重启。

2.1.2 最终方案

对转接板进行优化，取消转接板的电源转换功能。对MCU进行更改，增加独立电源模块(能承受8.5 A、100 W)为舒适性系统供电。

原电控-舒适性系统的电源来自MCU内电源模块，考虑到增加功率不对MCU造成影响，故取消原转接板中的24 V转12 V模块，在MCU中单独集成110 V转12 V电源模块(能承受8.5 A、100 W)，为该系统提供电源。新增模块以MCU滤波模块滤波后的电源作为输入，以保证电源品质。优化后的电控-舒适性系统拓扑结构如图9所示。