軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)故障機(jī)理分析

張邦成，王奕龍，高 智，尹曉靜，楊慧香

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長春 130012； 2.長春工業(yè)大學(xué)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 長春 130012)

引言

LED作為高效、環(huán)保、節(jié)能、抗震的新型光源，已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用到國民生活的各個(gè)方面[1-2]。以LED為照明光源的車輛LED照明系統(tǒng)也越來越多的出現(xiàn)在軌道車輛中。圖1為LED照明在地鐵中的應(yīng)用實(shí)例?；谲壍儡囕v的特殊性與電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，不僅會(huì)造成一節(jié)車廂照明系統(tǒng)的癱瘓、整車照明系統(tǒng)的癱瘓，還可能造成其它連帶系統(tǒng)的故障，如空調(diào)系統(tǒng)、運(yùn)行控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，甚至可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)，造成不可預(yù)估的損失。及時(shí)、準(zhǔn)確的確定軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)故障，進(jìn)行故障診斷與預(yù)報(bào)，對(duì)降低軌道車輛車廂照明系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高運(yùn)行效率及可靠性，保證車輛安全運(yùn)行具有重大意義[3]。

圖1 LED照明在地鐵中的應(yīng)用Fig.1 LED lighting in the subway Applications

為了及時(shí)、準(zhǔn)確的確定并排除軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的故障，對(duì)其常見故障類型做了一個(gè)較全面概述，并對(duì)其故障機(jī)理進(jìn)行了分析，為故障診斷與預(yù)報(bào)工作打下了基礎(chǔ)。

1 軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的組成與模版劃分

軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)以工控機(jī)為控制核心，通過CAN總線與下位機(jī)通信。利用照度傳感器采集車廂外部環(huán)境的照度值，將照度信息通過CAN總線傳輸至PC機(jī)，然后PC機(jī)根據(jù)外部環(huán)境的光照度值控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉，以及向單片機(jī)發(fā)送指令，控制單片機(jī)向LED驅(qū)動(dòng)器發(fā)送不同脈寬的PWM信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)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(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of the control system

軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)模塊：LED控制電路模塊、LED驅(qū)動(dòng)電源模塊、LED燈板模塊和傳感器采集模塊，如圖3所示。整個(gè)照明系統(tǒng)電路復(fù)雜，電子元器件多，在實(shí)際應(yīng)用中，任何一部分電路或者任何一個(gè)元器件出現(xiàn)故障，不能正常工作，都有可能造成局部甚至整車照明系統(tǒng)的癱瘓，影響正常行車安全。

圖3 軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)模塊組成關(guān)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(tǒng)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(yùn)行條件相結(jié)合，深入分析了軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的故障機(jī)理。

2 LED控制電路模塊故障機(jī)理分析

LED控制電路模塊是整個(gè)軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)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(qū)動(dòng)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(jī)。為了對(duì)LED控制電路的故障診斷打下基礎(chǔ)，對(duì)LED控制電路模塊的各個(gè)組成單元進(jìn)行了故障機(jī)理分析。

2.1 IPC故障機(jī)理分析

IPC是整個(gè)軌道車輛車廂照明系統(tǒng)的大腦，支配著每個(gè)單元及模塊的活動(dòng)，如果IPC出現(xiàn)故障，那么整個(gè)軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)將不能正常工作。一般情況下，軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)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(yùn)行中，強(qiáng)振動(dòng)對(duì)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(shè)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(jìn)行詳細(xì)討論；硬件故障主要就是指IPC的硬件出現(xiàn)問題，比如CPU、RAM等硬件出現(xiàn)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(tǒng)的軟件及程序出現(xiàn)異常。一般對(duì)IPC的故障排除步驟為先檢查連接，再檢查各個(gè)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(jī)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(shù)字電路組成。一般的數(shù)字電路只有0和1兩種狀態(tài)。由于數(shù)字電路狀態(tài)少，所以其受噪音、振動(dòng)等的影響較小。其工作機(jī)理也主要是邏輯運(yùn)算，沒有連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)，測試也相對(duì)準(zhǔn)確，所以，故障機(jī)理相對(duì)簡單。模擬電路故障的原因比較復(fù)雜，既有元器件在設(shè)計(jì)制造過程中的缺陷造成的，也有使用時(shí)間較長導(dǎo)致的元器件老化或者使用環(huán)境較惡劣引起的。同時(shí)，模擬電路的故障現(xiàn)象還具有多樣性，元器件參數(shù)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(dǎo)致的電路功能不能實(shí)現(xiàn)的硬故障和電路的元器件參數(shù)由于某些原因產(chǎn)生漂移并且超過了預(yù)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(tǒng)中，出現(xiàn)更多的就是模擬電路的軟故障。軟故障對(duì)系統(tǒng)造成的破壞是漸變的，難以識(shí)別。在軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)中，噪聲大、振動(dòng)強(qiáng)、環(huán)境惡劣是軌道車輛經(jīng)常處于的環(huán)境，這些噪聲、振動(dòng)更容易使元器件發(fā)生漂移，出現(xiàn)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(duì)象。為了方便實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路中功能相同的電阻在僅有一個(gè)R0出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行故障波形分析。圖4為LED照明系統(tǒng)波形采集圖，圖中波形2表示LED照明系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)電阻R0出現(xiàn)故障時(shí)，其波形會(huì)有所變化，斷路時(shí)如圖1中波形所示，短路時(shí)如圖3中波形所示。通過對(duì)輸出波形的比較分析可以確定電阻R0是否發(fā)生故障。

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

2.3 單片機(jī)故障機(jī)理分析

單片機(jī)是軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的微型控制器，在很多環(huán)節(jié)都起到控制核心的作用。例如，照度傳感器采集到的數(shù)據(jù)就需要傳給單片機(jī)進(jìn)行處理等。在軌道車輛運(yùn)行中，高溫、低溫、振動(dòng)等都會(huì)對(duì)單片機(jī)的正常工作造成威脅。環(huán)境溫度過高或裝置散熱不良均會(huì)造成單片機(jī)的加速老化或損壞，產(chǎn)生間斷性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等；環(huán)境溫度過低還可能會(huì)造成單片機(jī)芯片與引腳連線斷裂等。根據(jù)單片機(jī)的故障機(jī)理分析及一般的故障診斷方法可以概括，在軌道車輛中，對(duì)單片機(jī)的故障診斷一般步驟如圖5所示[5-6]。

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

3 LED驅(qū)動(dòng)電源模塊故障機(jī)理分析

在LED驅(qū)動(dòng)電源模塊中，主要的故障經(jīng)常出現(xiàn)在電路板或者LED驅(qū)動(dòng)芯片。其中電路板故障在上節(jié)已經(jīng)做過詳細(xì)故障機(jī)理分析，此處不再贅述。

在軌道車廂中，對(duì)燈光的光通量有一定的要求，所以LED驅(qū)動(dòng)芯片是控制電路必不可少的組成部分。芯片過熱時(shí)導(dǎo)致芯片發(fā)生故障的最主要原因，也是現(xiàn)階段制約LED發(fā)展的最主要的問題。芯片內(nèi)部器件短路，導(dǎo)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(shí)增大；散熱不好且長時(shí)間大負(fù)荷工作，導(dǎo)致芯片發(fā)燙；芯片輸出端口負(fù)載變重(負(fù)載阻抗變小)，導(dǎo)致芯片輸出功率增加；芯片輸出端口短路，導(dǎo)致芯片輸出功率驟增；芯片內(nèi)部部分器件參數(shù)變化(如器件參數(shù)時(shí)間漂移)或內(nèi)部部分器件損壞，引起芯片工作狀態(tài)改變而導(dǎo)致工作異常；芯片外部部分器件參數(shù)變化(如器件參數(shù)時(shí)間漂移)或外部部分器件損壞，引起芯片工作狀態(tài)改變而導(dǎo)致工作異常；芯片工作時(shí)，由于自激引起內(nèi)部信號(hào)振蕩，直接導(dǎo)致芯片輸出異常；芯片工作時(shí)，由于各種原因?qū)е聝?nèi)部數(shù)字脈沖信號(hào)占空比改變，直接導(dǎo)致芯片輸出異常；電脈沖干擾或干擾波耦合到芯片的信號(hào)電路引起的異常信號(hào)處理芯片；芯片外部關(guān)聯(lián)器件及線路接法錯(cuò)誤、短路、損壞等導(dǎo)致的芯片異常工作；芯片供電回路濾波故障，導(dǎo)致交流紋波過大并進(jìn)入芯片供電回路；交流電源電壓太高，導(dǎo)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(nèi)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(jī)理分析

LED燈板模塊是軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)的終端，是該系統(tǒng)的核心部件，是所有服務(wù)的控制對(duì)象的一部分。若LED燈板出現(xiàn)故障，則會(huì)使照明系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)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(huán)境因素等造成的，傳統(tǒng)的檢測方式有利用三用表、示波器等進(jìn)行手工測試。LED燈源故障包括兩類：電源、驅(qū)動(dòng)故障；LED燈故障。其中電源、驅(qū)動(dòng)故障已在LED電源模塊故障機(jī)理分析進(jìn)行了闡述，本節(jié)主要對(duì)LED燈故障進(jìn)行機(jī)理分析。造成LED燈故障的原因主要是由超強(qiáng)電流、高電壓(如閃電、電路通斷的瞬時(shí)噪聲、供電電壓不穩(wěn)定等)和靜電放電產(chǎn)生。其中，靜電放電損壞是LED照明中頻繁發(fā)生的一種故障。

5 LED照度傳感器采集模塊故障機(jī)理分析

傳感器是構(gòu)成測量與控制系統(tǒng)不可或缺的核心組成部分，同時(shí)也是完成信號(hào)采集的主要工具。在軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)中，照度傳感器是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照度調(diào)節(jié)的重要部分。軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)選用的照度傳感器核心部件為光電二極管，它在無光照時(shí)，電阻無窮大，有光照時(shí)，電阻立刻變小到幾百歐姆，我們利用它的這個(gè)特性來檢測有無光照及光照大小。

傳感器是相對(duì)可靠的電子元器件，但是在軌道車輛這種特殊的應(yīng)用環(huán)境中，會(huì)有相對(duì)于其他使用環(huán)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(fā)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(tǒng)中，由于列車運(yùn)行時(shí)天氣、振動(dòng)、沙塵等因素，會(huì)造成對(duì)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(huán)境照度不準(zhǔn)確，從而影響車廂照度調(diào)節(jié)。傳感器污染、腐蝕、震裂等均會(huì)對(duì)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(yùn)行中，由于環(huán)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(duì)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(shù)據(jù)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(jié)論

軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，很難對(duì)其機(jī)理進(jìn)行全面的分析。在研究其工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)故障機(jī)理進(jìn)行了分類分析，深入分析了軌道車輛車廂LED照明系統(tǒng)中控制電路、驅(qū)動(dòng)電源、LED燈板和傳感器采集模塊的故障機(jī)理，為LED照明系統(tǒng)故障診斷提供了參考依據(jù)。

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

[1] 倪濟(jì)宇,伍華嘉. LED照明產(chǎn)品各國(地區(qū))準(zhǔn)入要求分析綜述[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2013,24(2):21-29.

[2] 竇林平. 國內(nèi)LED照明應(yīng)用探討[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2011,22(6):51-58.

[3] 劉軍良，鐘碧弈. 城軌車輛客室LED照明的特點(diǎn)及燈具設(shè)計(jì)選型分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛, 2010,33(2):55-57.

[4] 史慧. 電路板維修測試與診斷技術(shù)綜述[J]. 航空制造技術(shù),2008,09:51-53.

[5] 吳曉艷. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的故障診斷方法[J]. 科技信息(科學(xué)教研),2007, 35: 579.

[6] 李玉聲. 單片機(jī)控制系統(tǒng)故障診斷[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2005, 02: 114-115.

[7] 蔣天堂. LED的特性及驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2011,22(3):58-60.

[8] Hou Fengze, Yang Daoguo, Zhang Guoqi. Thermal analysis of LED lighting system with different fin heat sinks[J]. Journal of Semiconductors,32(1).

[9] 何富君, 劉小磊, 盧曉昭, 等. 傳感器的故障診斷技術(shù)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 26: 6481-6487.

[10] 李文軍, 張洪坤, 程秀生. 基于小波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器故障診斷[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2004, 03: 491-495.