軌道車輛車廂LED照明系統故障機理分析

張邦成，王奕龍，高 智，尹曉靜，楊慧香

(1.長春工業大學機電工程學院,吉林 長春 130012； 2.長春工業大學軟件職業技術學院,吉林 長春 130012)

引言

LED作為高效、環保、節能、抗震的新型光源，已經越來越廣泛的應用到國民生活的各個方面[1-2]。以LED為照明光源的車輛LED照明系統也越來越多的出現在軌道車輛中。圖1為LED照明在地鐵中的應用實例。基于軌道車輛的特殊性與電氣系統的復雜性，提高軌道車輛車廂LED照明系統的可靠性顯得尤為重要。軌道車輛車廂LED照明系統一旦發生故障，不僅會造成一節車廂照明系統的癱瘓、整車照明系統的癱瘓，還可能造成其它連帶系統的故障，如空調系統、運行控制系統、電氣系統等，甚至可能會引發火災，造成不可預估的損失。及時、準確的確定軌道車輛車廂LED照明系統故障，進行故障診斷與預報，對降低軌道車輛車廂照明系統的維護成本，提高運行效率及可靠性，保證車輛安全運行具有重大意義[3]。

圖1 LED照明在地鐵中的應用Fig.1 LED lighting in the subway Applications

為了及時、準確的確定并排除軌道車輛車廂LED照明系統的故障，對其常見故障類型做了一個較全面概述，并對其故障機理進行了分析，為故障診斷與預報工作打下了基礎。

1 軌道車輛車廂LED照明系統的組成與模版劃分

軌道車輛車廂LED照明系統以工控機為控制核心，通過CAN總線與下位機通信。利用照度傳感器采集車廂外部環境的照度值，將照度信息通過CAN總線傳輸至PC機，然后PC機根據外部環境的光照度值控制開關的開啟或關閉，以及向單片機發送指令，控制單片機向LED驅動器發送不同脈寬的PWM信號，達到調節LED燈輸出光通量的目的，總體原理如圖2所示。

圖2 控制系統原理框圖Fig.2 Block diagram of the control system

軌道車輛車廂LED照明系統主要包括以下四個模塊：LED控制電路模塊、LED驅動電源模塊、LED燈板模塊和傳感器采集模塊，如圖3所示。整個照明系統電路復雜，電子元器件多，在實際應用中，任何一部分電路或者任何一個元器件出現故障，不能正常工作，都有可能造成局部甚至整車照明系統的癱瘓，影響正常行車安全。

圖3 軌道車輛車廂LED照明系統模塊組成關系圖Fig.3 LED lighting systems for rail vehicles compartment module diagram

將軌道車輛車廂LED照明系統以模塊為單元，從各模塊本身失效形式入手，與軌道車輛的特殊運行條件相結合，深入分析了軌道車輛車廂LED照明系統的故障機理。

2 LED控制電路模塊故障機理分析

LED控制電路模塊是整個軌道車輛車廂LED照明系統的控制核心，它與外圍電路相接，以IPC為控制核心，CAN總線通信，與LED驅動電源模塊相接。在LED控制電路模塊中，除了IPC、CAN總線，還包含很多電子元器件，例如單片機。為了對LED控制電路的故障診斷打下基礎，對LED控制電路模塊的各個組成單元進行了故障機理分析。

2.1 IPC故障機理分析

IPC是整個軌道車輛車廂照明系統的大腦，支配著每個單元及模塊的活動，如果IPC出現故障，那么整個軌道車輛車廂LED照明系統將不能正常工作。一般情況下，軌道車輛車廂LED照明系統的IPC故障主要包括：連接故障、供電故障、硬件故障和軟件故障。在軌道車輛運行中，強振動對IPC的連接問題造成隱患，故障原因主要包括插接線問題、連接線故障、和外接設備故障。供電故障主要是指供給IPC需求的外圍電源，這是軌道車輛供電問題，本文不進行詳細討論；硬件故障主要就是指IPC的硬件出現問題，比如CPU、RAM等硬件出現問題，使IPC不能正常工作；軟件故障就是指控制軌道車輛車廂LED照明系統的軟件及程序出現異常。一般對IPC的故障排除步驟為先檢查連接，再檢查各個供電電源，檢查硬件情況，最后排查軟件故障。

2.2 電路板故障機理分析

電路板是控制電路的載體，是電路的重要組成部分。電路板主要由模擬電路和數字電路組成。一般的數字電路只有0和1兩種狀態。由于數字電路狀態少，所以其受噪音、振動等的影響較小。其工作機理也主要是邏輯運算，沒有連續的數學函數，測試也相對準確，所以，故障機理相對簡單。模擬電路故障的原因比較復雜，既有元器件在設計制造過程中的缺陷造成的，也有使用時間較長導致的元器件老化或者使用環境較惡劣引起的。同時，模擬電路的故障現象還具有多樣性，元器件參數具有離散性及非線性。

模擬電路的故障可以分為由于一些原因(例如開路、短路等)導致的電路功能不能實現的硬故障和電路的元器件參數由于某些原因產生漂移并且超過了預定容差范圍的軟故障。其中，硬故障一般不具緩變性。在軌道車輛車廂LED照明系統中，出現更多的就是模擬電路的軟故障。軟故障對系統造成的破壞是漸變的，難以識別。在軌道車輛車廂LED照明系統中，噪聲大、振動強、環境惡劣是軌道車輛經常處于的環境，這些噪聲、振動更容易使元器件發生漂移，出現緩變故障[4]。

電路板中電子元器件較多，在此選擇電阻做為研究對象。為了方便實驗，對電路中功能相同的電阻在僅有一個R0出現故障時進行故障波形分析。圖4為LED照明系統波形采集圖，圖中波形2表示LED照明系統在正常工作狀態下，當電阻R0出現故障時，其波形會有所變化，斷路時如圖1中波形所示，短路時如圖3中波形所示。通過對輸出波形的比較分析可以確定電阻R0是否發生故障。

圖4 LED照明系統波形采集圖Fig.4 LED lighting system diagram waveform acquisition

2.3 單片機故障機理分析

單片機是軌道車輛車廂LED照明系統的微型控制器，在很多環節都起到控制核心的作用。例如，照度傳感器采集到的數據就需要傳給單片機進行處理等。在軌道車輛運行中，高溫、低溫、振動等都會對單片機的正常工作造成威脅。環境溫度過高或裝置散熱不良均會造成單片機的加速老化或損壞，產生間斷性數據錯誤等；環境溫度過低還可能會造成單片機芯片與引腳連線斷裂等。根據單片機的故障機理分析及一般的故障診斷方法可以概括，在軌道車輛中，對單片機的故障診斷一般步驟如圖5所示[5-6]。

圖5 單片機故障分析步驟Fig.5 Step of SCM failure analysis

3 LED驅動電源模塊故障機理分析

在LED驅動電源模塊中，主要的故障經常出現在電路板或者LED驅動芯片。其中電路板故障在上節已經做過詳細故障機理分析，此處不再贅述。

在軌道車廂中，對燈光的光通量有一定的要求，所以LED驅動芯片是控制電路必不可少的組成部分。芯片過熱時導致芯片發生故障的最主要原因，也是現階段制約LED發展的最主要的問題。芯片內部器件短路，導致芯片的電源電流增大；外部電源電壓增加的芯片，使芯片的電源電壓，電流同時增大；散熱不好且長時間大負荷工作，導致芯片發燙；芯片輸出端口負載變重(負載阻抗變小)，導致芯片輸出功率增加；芯片輸出端口短路，導致芯片輸出功率驟增；芯片內部部分器件參數變化(如器件參數時間漂移)或內部部分器件損壞，引起芯片工作狀態改變而導致工作異常；芯片外部部分器件參數變化(如器件參數時間漂移)或外部部分器件損壞，引起芯片工作狀態改變而導致工作異常；芯片工作時，由于自激引起內部信號振蕩，直接導致芯片輸出異常；芯片工作時，由于各種原因導致內部數字脈沖信號占空比改變，直接導致芯片輸出異常；電脈沖干擾或干擾波耦合到芯片的信號電路引起的異常信號處理芯片；芯片外部關聯器件及線路接法錯誤、短路、損壞等導致的芯片異常工作；芯片供電回路濾波故障，導致交流紋波過大并進入芯片供電回路；交流電源電壓太高，導致芯片的電源電壓增高；無線電波及電磁干擾引起的某些特殊芯片內部工作紊亂等都是造成芯片過熱的原因[7-8]。

4 LED燈板模塊故障機理分析

LED燈板模塊是軌道車輛車廂LED照明系統的終端，是該系統的核心部件，是所有服務的控制對象的一部分。若LED燈板出現故障，則會使照明系統其它環節都失去作用。LED燈板的故障主要包括連接線路故障和LED燈源故障。連接線路故障原因主要為線路的斷路。線路斷路的原因主要有電線老化，環境因素等造成的，傳統的檢測方式有利用三用表、示波器等進行手工測試。LED燈源故障包括兩類：電源、驅動故障；LED燈故障。其中電源、驅動故障已在LED電源模塊故障機理分析進行了闡述，本節主要對LED燈故障進行機理分析。造成LED燈故障的原因主要是由超強電流、高電壓(如閃電、電路通斷的瞬時噪聲、供電電壓不穩定等)和靜電放電產生。其中，靜電放電損壞是LED照明中頻繁發生的一種故障。

5 LED照度傳感器采集模塊故障機理分析

傳感器是構成測量與控制系統不可或缺的核心組成部分，同時也是完成信號采集的主要工具。在軌道車輛車廂LED照明系統中，照度傳感器是系統實現照度調節的重要部分。軌道車輛車廂LED照明系統選用的照度傳感器核心部件為光電二極管，它在無光照時，電阻無窮大，有光照時，電阻立刻變小到幾百歐姆，我們利用它的這個特性來檢測有無光照及光照大小。

傳感器是相對可靠的電子元器件，但是在軌道車輛這種特殊的應用環境中，會有相對于其他使用環境較多的失效形式。一般情況下照度傳感器的失效模式有：暗電流超差、開路故障、輸入輸出間絕緣電阻小、光發射管反向電流大和光電傳輸特性失效。這些故障形式大部分都是器件本身的性能缺陷造成的。除了這些故障形式，在軌道車輛車廂LED照明系統中，由于列車運行時天氣、振動、沙塵等因素，會造成對傳感器的粉塵污染、腐蝕、高溫、震裂等故障，使傳感器不能正常工作，采集的環境照度不準確，從而影響車廂照度調節。傳感器污染、腐蝕、震裂等均會對器件造成損傷，使其不能正常工作。在照度傳感器中，良好的散熱是保障其正常工作的重要因素。在軌道車輛運行中，由于環境惡劣或者自身性能的衰減造成照度傳感器芯片溫度的升高。照度傳感器溫度的升高對其采集的精度有很大影響。溫度的升高影響照度傳感器的光通量，從而造成傳感器采集數據的失真。研究表明，溫度每升高10℃，光通量減小0.55lm。因此，控制照度傳感器芯片的溫度是保證正常工作的前提[9-10]。

6 結論

軌道車輛車廂LED照明系統故障產生的原因較為復雜，很難對其機理進行全面的分析。在研究其工作機理的基礎上，對軌道車輛車廂LED照明系統故障機理進行了分類分析，深入分析了軌道車輛車廂LED照明系統中控制電路、驅動電源、LED燈板和傳感器采集模塊的故障機理，為LED照明系統故障診斷提供了參考依據。

致謝：感謝吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目的支持，感謝張邦成老師的耐心指導，感謝尹曉靜師姐的幫助。在此一并致以衷心的感謝。

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