城軌車輛逆變器控制單元故障維修分析

王煙平，李宇波

（1 長沙市軌道交通運營有限公司，湖南長沙410000；2 深圳市地鐵集團有限公司運營分公司，廣東深圳518052）

城軌車輛逆變器控制單元故障維修分析

王煙平1，李宇波2

（1 長沙市軌道交通運營有限公司，湖南長沙410000；2 深圳市地鐵集團有限公司運營分公司，廣東深圳518052）

介紹了電子板件的常見故障和維修方法及在城軌車輛逆變器控制單元維修中的應用，結合研制的測試平臺，提出了城軌車輛逆變器控制單元維修的思路。

維修；逆變器控制單元；測試平臺

逆變器控制單元（DCU）是車輛牽引控制的核心部件，它是整個逆變器模塊的控制中心，發生故障時導致車輛失去牽引電源和輔助電源，造成車輛失去動力以及空調、空壓機停機，它工作狀態的好壞直接影響到車輛的正常運行。

DCU經過幾年的運營之后，由于各種原因會導致不同類型的故障。本文介紹了龐巴迪車輛DC U的工作原理及功能，以及對不同類型的故障提出了相應的解決方法，總結了板件維修的思路和經驗，有效解決了DCU控制單元各類型故障。

1　逆變器控制單元方框圖

目前國內多家地鐵運營公司采用的是龐巴迪列車（如：廣州地鐵2號線、深圳地鐵1號線），DCU為進口板件，供應商未提供電氣原理圖，給維修增加一定難度。現主要針對DCU的PCB電路板進行分析研究，繪制原理方框圖見圖1。

圖1　DCU方框圖

2　逆變器控制單元工作原理及功能

2.1DCU控制單元原理

DCU控制單元是一個復雜的連鎖系統，其采集和監控的每一路模擬或數字信號都必修符合設計邏輯，一旦某路信號不符合設計邏輯或出現異常，就說明逆變器出了故障，DCU根據故障類型分別給出不同的報警信息在車輛人機界面（HMI）顯示。

2.2DCU主要實現以下功能

（1）輸入信號和輸出信號的處理；

（2）牽引和制動運行的控制和調節；

（

3）保護和監控；

（4）診斷和自檢；

（5）測量速度；

（6）故障診斷和故障存儲。

3　逆變器控制單元簡易測試平臺搭建

3.1簡易測試平臺原理方框圖（見圖2）

通過分析逆變器控制單元電源與通信接口定義，搭建逆變器控制單元的簡易測試平臺，通過恒流源模擬外部傳感器電流輸入，借助DCU Term維護軟件實時查看各個變量數值的變化等，為逆變器控制單元故障的分析、測量和故障類型判斷提供有力條件。

圖2　簡易測試平臺

3.2測試裝置輔助插頭主要功能實現

（1）通過頻率發生電路模擬1 000，500，250和125 Hz信號輸入DCU邊插速度傳感器的各接入點；

（2）通過可調電阻接入DCU邊插溫度傳感器的各接入點；

（3）通過恒流源電路產生4，10，15，20 mA的電流輸入DCU邊插電流、電壓傳感器的各接入點，同時牽引級位PWM參考值（4～20 mA）也采用恒流源信號接入。

（4）通過電源模塊給DCU提供直流110 V、±24 V工作電源；

（5）通過短接跳線給DCU邊插賦予地址指令；

（6）各種需要高電平且需維持的指令均通過DC110V直接賦予；

（7）通過DCU Term維護軟件刷新DCU操作系統及應用軟件；

（8）通過DCU Term維護軟件實施DCU各項功能檢測及故障數據下載等。

4　逆變器控制單元典型故障及維修

4.1電源類故障

電源的工作狀態直接關系到DCU板件運行工況，一旦發生故障，將會導致DCU板件停止工作，封鎖逆變脈沖，跳高速斷路器，整個逆變器報嚴重故障，車輛失去牽引動力等，嚴重影響車輛正線運營。

圖3　DCU電源電路

針對電源故障展開維修工作，發現此類故障通常是電源調整IC芯片及電容擊穿短路造成。采用直觀法對DCU板進行檢查，是否發現元器件異常，如無異常，則采用無電電阻法，即用萬用表檢測圖3中元器件C1～C10電阻值，一般電容擊穿后，電阻值會很小，可以輕易判斷。對于L2952電源芯片的檢測，首先是測量Uin、Uout和GND引進之間的電阻，根據經驗，電阻值應大于1 kΩ，如果電阻值只有幾十歐姆甚至更小，可以判斷芯片內部擊穿損壞，更換相應芯片即可。如果電阻值沒有明顯的變小，需要通電進行電壓測量，Uout電壓為15 V，如果電壓偏高或偏低，應更換相應芯片。更換相應元器件后需用電阻法再次進行測量，確認沒問題則可進行短時間通電試驗，用電流法監測±24 V輸入電流，電壓法監測±15 V是否正常。

4.2通信類故障

發生通信故障時，車輛維護軟件無法通過端口下載故障數據，以及無法更新DCU操作系統和應用軟件，嚴重影響車輛故障數據分析和運營維護。通信接口原理圖見圖4。

圖4　DCU通信接口

通信電路主要包括通信收發芯片、隔離保護電路，其中易損壞的為收發芯片，帶有隔離元件的收發芯片故障率較低，大多數收發芯片直接對外連接，靜電、瞬變電壓都可能對芯片造成損壞。

當RS232端口無法連接電腦維護軟件時，可通過計算機端口調試軟件向R S232端口發送數據（設置正確的波特率），采用波形法檢測接口轉換芯片的輸入輸出是否正常、光電隔離部分的輸入輸出是否正常，這樣可判斷電子板件通訊端口收發通道哪些部分器件損壞。其次，采用電壓法也可簡單判斷芯片的好壞，根據經驗ST202E B其發送和接收管腳（T1OUT、R1IN）電壓范圍為-9～+9 V間，U+電壓為+10 V左右，U-電壓為-10 V左右，如不符，可以替換該芯片進行測試。

4.3LINE TRIP故障

LINE TRIP故障會導致高速斷路器合不上，車輛失去牽引動力。

一般情況下，是由于LINE TRIP繼電器損壞及繼電器驅動電路損壞造成，見圖5。電阻法檢測LINE TRIP繼電器線圈阻值是否正常，繼電器吸合后檢測常開觸頭阻值應少于0.5 Ω，如不符則更換繼電器。驅動部分電路，采用電壓法，在通電后檢查繼電器線圈兩端是否有電，如無電則檢查繼電器驅動電路圖中Q1、Q2是否損壞以及測量CPU控制信號是否發出。

圖5　Line Trip控制電路

4.4Udc電壓偏差過大故障

Udc電壓正偏過大，DCU控制單元會認為中間電壓過壓，頻繁開啟斬波器，導致制動電阻過熱發生故障，DCU控制單元同時會授權切除電制動，嚴重影響車輛制動效果和性能。

Udc電壓負偏過大，當網壓升高及再生制動引起中間電壓升高時，DCU控制單元會認為中間電壓不足，將不會開啟斬波器，網壓和中間電壓差值過大，導致DCU硬件保護故障，封鎖牽引逆變脈沖，車輛失去牽引動力。

針對Udc電壓偏差問題進行分析，故障主要原因是由于DCU板模擬數據采樣及模數轉換電路（AD7441BR）損壞造成。圖6中，R1是I/V取樣電阻，MC33274是運放芯片，AD7441BR是AD芯片。電壓傳感器輸出的電流信號在取樣電阻上轉換為電壓，進入運放芯片（電壓跟隨器）進行阻抗轉換，再送至AD7441BR芯片，實現模擬信號轉數字信號，最后送處理器處理。如果轉過程出現異常，就會造成最終的Udc電壓測量不準。

圖6　電壓測量取樣電路

采用無電電阻法檢測元件R1取樣電阻值是否開路，芯片MC33274、AD7441電源供電引腳和地之間的電阻值，根據經驗應大于1 kΩ，如有異常應替換芯片進行測試。采用信號注入法進行動態檢測，即采用恒流源（4～20 mA）連接CON2接口輸入恒電流，電壓表監測MC33274輸出電壓Uin、頻率計或者示波器測量AD輸出頻率fout，同時連接計算機維護軟件DCU Term查看Udc電壓值，隨著輸入端的恒電流變化，Udc電壓應跟隨變化。

5　逆變器控制單元故障維修流程

根據維修經驗，逆變器控制單元的故障維修流程，從直觀法、電阻測量法、波形法等方面進行測試，形成完善的故障處理流程（見圖7）。

圖7　故障處理流程

6　結束語

（1）在目前車輛核心電子板件壟斷的情況下，檢修人員通過對DCU控制單元典型故障的分析，采用有效的維修方式，對DCU控制單元的修復起著至關重要的作用。

（2）維修DCU控制單元創造了良好的經濟效益，典型故障的分析與維修對同行具有指導意義和參考價值。

［1］ 長客—龐巴迪軌道車輛有限公司.深圳地鐵一期工程維修保養、檢修及大修手冊［Z］.長春：長客—龐巴迪軌道車輛有限公司，2007.

［2］ 王成安，王洪慶.電子元器件檢測與識別［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［3］ 范次猛.機電設備電氣控制技術—基礎知識［M］.北京：高等教育出版社，2009.

Maintenance Analysis of Metro Vehicle Inverter Control Unit

WANG Yanping，LI Yubo
（1 Changsha Railway Rolling Stock Co.，Ltd.，Changsha 410000 H unan，China；2 Operating Branch of Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518052 Guangdong，China）

This paper introduces normal error and maintenance method of electronic device and Drive Control Unit（DCU）maintenance of metro vehicle.On the designed test platform，the maintenance flow of DCU is proposed.）

maintenance；DCU；test bench

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.20

1008-7842（2015）04-0087-04

3—）男，助理工程師（

2015-01-12）