廣州地鐵1號線A1型車RVC故障分析及解決措施

金文濤，夏耀天，李曉威

（廣州市地下鐵道總公司 運營事業(yè)總部基地 維修中心，廣東廣州510310）

廣州地鐵1號線A1型車RVC故障分析及解決措施

金文濤，夏耀天，李曉威

（廣州市地下鐵道總公司 運營事業(yè)總部基地 維修中心，廣東廣州510310）

論述了城市軌道交通列車RVC的主要特點，說明其重要性，以廣州地鐵1號線A1型車RVC為例，分析出導致其故障的常見原因與主要因素是部分元器件性能下降，提出了解決措施和建議。結果表明，解決措施行之有效，可以為城市軌道交通列車RVC故障維修提供參考。

城市軌道車輛；參考值轉換器；RVC；元件老化；PWM

RVC（Reference Value Converter：參考值變換器）在列車牽引、制動過程中，司機控制器通過角度變換器給出的信號和ATO模式產生的控制信號均是電流信號，而牽引控制單元DCU和制動控制單元ECU接收的是脈寬可調的脈沖信號，RVC器件的主要功能是將電流信號轉換成脈寬調制信號。RVC如果故障將導致列車無法正常進行牽引制動，從而影響軌道交通正線運營質量，它屬于列車上的重要設備。隨著廣州地鐵各型列車運行年限逐漸增加，RVC故障件越來越多，因此分析出RVC的故障原因，并提出可行可靠的解決方案對于城市軌道交通運營具有重要的意義。

1 廣州地鐵1號線A1型車牽引、制動控制簡介

廣州地鐵1號線A1型車牽引、制動控制設備主要包括司機控制器、ATO/ATP、RVC、ECU和DCU，這些設備在列車的分布如圖1所示。

圖1 牽引、制動控制設備的分布

廣州地鐵1號線A1型車既能人工駕駛，又能實現(xiàn)自動駕駛。人工駕駛是由司機通過操作司機控制器來控制列車牽引或制動；自動駕駛則是由ATO輸出控制信號對列車進行牽引或制動。

司機控制器簡稱司控器，是司機用來控制列車牽引和制動的設備，司控器主要由鑰匙開關、方向手柄和控制手柄組成。鑰匙開關有2個位置：“0”（關斷）和“1”（開啟）；方向手柄有3個位置：F（向前）、0（零位）、R（向后）；控制手柄有4個位置：D（牽引）、0（零位）、B（制動）、FB（快速制動）?？刂剖直撞窟B接了一個電位器，當控制手柄從零位移向100%牽引位（F）或100%制動位（R）時，該電位器相應輸出0～20 m A的電流，送給RVC。RVC輸出的是DC 70 V、420 Hz的脈寬調制信號，脈寬范圍從7.5%到45%，分別對應輸入的0～20 m A電流，如圖2所示，圖2（b）T1為實際脈沖寬度，T2為最大脈沖寬度。

圖2 RVC輸入輸出關系

列車DCU或ECU接收到調制后的脈沖信號，對列車施加相應大小的牽引力或制動力，從而實現(xiàn)對列車的調速控制。

當列車處于自動駕駛狀態(tài)下，ATO給出0～20 m A電流，經RVC轉換成脈寬調制信號，原理與人工駕駛一致。

2 RVC工作原理

2.1 電源部分

A1型車原裝進口RVC，涉及到電信號的轉換，因此需要解決電壓匹配的問題。首先通過電源板將外接的＋110 V直流電轉換成＋35 V、－35 V、＋24 V、－24 V 4組直流電；然后再通過LM120、LM140、LH0070等IC將＋24 V、－24 V轉換成＋15 V、－15 V、＋10 V等直流電，供內部電路使用，電路圖如圖3所示。

2.2 信號輸入部分

司控器的角度變換器輸入信號和ATO輸入信號為0～20 m A的電流信號，通過與500Ω電阻并聯(lián)，均轉換成0～10 V的電壓信號，兩者并聯(lián)輸入，信號電壓輸入給電壓跟隨器LM248后，取較大值為輸入信號，然后經過LM1558作一次電壓跟隨，輸出信號與基準電壓分出來的初始值、積分電路的輸出值作比較，形成加法電路，最終再輸入到西門子公司生產的PWM芯片TDA4700。

TDA4700芯片對輸入的信號進行調制，根據(jù)輸入電壓值的大小轉換成對應占空比的脈沖信號，PWM的輸出頻率為420 Hz。此外，為了驗證TDA4700是否有輸出，將輸出信號再反饋到積分電路，經積分后的電路和原本的輸入電路產生和差，重新給到TDA4700的輸入端，保持TDA4700的輸出連續(xù)性。信號輸入電路圖如圖4所示。

圖3 電源部分電路圖

圖4 信號輸入電路圖

2.3 信號輸出部分

TDA4700芯片輸出的PWM信號通過光耦隔離控制NPN三極管V3的通斷，V3管型號為BUY48，高電平情況下V3管導通，從而引起PNP三級管V2的基極接地也導通，此時RVC輸出70 V高電平；反之，當PWM信號為低電平時，V3管關斷，則RVC輸出低電平。信號輸出電路圖如圖5所示。

3 RVC故障分析及解決措施

3.1 找出故障點

RVC輸出脈寬調制信號的脈寬范圍是從7.5%到45%，脈寬范圍初始值7.5%是指在沒有任何輸入信號的情況下，由圖4中R17產生的基準值，這是為了讓DCU和ECU檢測到是否與RVC的連接正常，通過調節(jié)R17的電阻值，可以更改基準值。由于TDA4700芯片故障時會默認輸出占空比為50%的脈沖信號，因此設置正常輸出脈寬范圍最大值為45%，一旦輸出值超出45%，則認為是輸出故障。

圖5 信號輸出電路圖

通過對大量故障件RVC進行分析，發(fā)現(xiàn)在不給任何輸入信號的情況下，脈沖信號占空比已經是10%左右，這個值大于RVC初始化所設定的初始值7.5%，因此顯示出RVC參考值故障。

根據(jù)圖4所示，在不存在輸入信號的情況下，可能導致這種故障的原因有3點：（1）基準電壓可導致輸出初始值過大；（2）積分電路故障導致反饋值變小，因為是負值，所以使得初始值變大；（3）輸出電路滯后導致脈沖信號占空比變大。對于第1點，通過更換R17，并測量更換前后的基準電壓，發(fā)現(xiàn)基準電壓不存在問題。

（1）運算放大器（簡稱運放）芯片性能下降

積分電路故障。首先通過測量排除了是積分電路中電阻、電容的故障，那么有可能是運放芯片故障。測試運放芯片的故障采取最簡單有效的方式，即將RVC電路上的運放芯片LM248取下來進行基本反向比例運算電路測試，與一個全新的LM248作對比，通過對比可以測試出芯片的性能，測試原理如圖6所示。RVC中LM248是一個4運放的芯片，它有兩組運放應用在輸入信號的跟隨電路中，有一組應用在反饋信號的積分電路中，如圖4所示。

圖6 運放測試電路

根據(jù)反向比例運算電路計算公式（1）

通過測試，應用在積分電路中的這一組運放輸出結果出現(xiàn)了失真，在輸入ui＝10 V的情況下，輸出uo應該為－10 V，但通過測試對比，新的LM248芯片輸出為－10V，而舊的LM248芯片輸出卻為－8.7 V。在同樣的條件下測試，應用在電壓跟隨電路中的兩組運放測試結果沒有失真，說明LM248芯片本身并沒有故障，只是其中一組運放性能下降。

由于積分電路輸出的是負值，因而與基準值作加法后使得初始值變大，從而導致故障，通過測試試驗可以得出故障分析中第2點推斷是正確的。

（2）三極管性能下降

輸出電路滯后導致脈沖信號占空比變大。在沒有司控器信號輸入和ATO信號輸入的情況下，TDA4700芯片輸出的可調脈沖占空比應該為7.5%，RVC輸出的脈沖信號也應該是7.5%左右，利用示波器對故障RVC進行波形檢測，其波形圖為圖7（a）所示，上邊的波形是TDA4700芯片輸出的波形，下邊的波形為主電路繼電器K1的第8腳波形，圖7（b）為波形放大圖，可以明顯看出在經過光耦隔離和三極管之后，脈沖信號占空比變成了8.9%。那么可以確定導致這種故障的可能原因是光耦隔離器件和三極管損壞中的某個器件或者全部器件故障，通過更換器件的方式對故障點排查，發(fā)現(xiàn)導致信號占空比變大的原因是由于V3三極管性能下降，導致V2三級管達到深度放大區(qū)的時間延遲，從而導致輸出信號占空比變大。圖8為更換V3三極管后的波形對比圖，輸出信號基本上與輸入信號一致，符合使用要求。

圖7 TDA4700輸出與故障RVC輸出的波形

圖8 TDA4700輸出與正常RVC輸出的波形

3.2 故障分析

RVC電路上的2個故障點，均處在光電耦合器的輸出端，并且對于LM248這個芯片，在光電耦合器輸入端之前的運放均沒有發(fā)生性能下降的現(xiàn)象，而在其輸出端之后的運放出現(xiàn)了性能下降，因此，可以判斷整個芯片所處的外部環(huán)境并沒有對芯片的性能造成很大的影響。那么可以推斷，造成以上2個故障的原因有兩點：一是頻率為420 Hz的PWM在信號變換過程中產生的d i/d t、d v/d t給器件造成了沖擊，反復的過壓沖擊相當于對元器件進行疲勞試驗，加速了芯片的老化，所以造成了元器件性能下降。這可以很好的解釋為什么LM248只有處在積分電路中的運放性能下降，而處在電壓跟隨電路中的運放卻仍然工作正常。二是運放器件的內部是由許多三極管組成的，和V3管一樣，在PWM信號變換的過程，由于不斷的出現(xiàn)驅動電流短暫欠流的現(xiàn)象，三極管導通不完全，導致三極管基極與發(fā)射極之間驅動飽和電壓功耗增加，內部溫度上升，高溫加速元器件老化，造成元器件性能下降。

3.3 解決措施

在廣州地鐵1號線A1型車運營的過程中，不斷有RVC故障件出現(xiàn)，在這些故障件中由于LM248性能下降所導致的故障件占總數(shù)的57%，由于V3三極管性能下降的故障占43%，也就是說RVC的故障均是由這兩個故障點故障造成的。因此在維護的過程中，如果出現(xiàn)前面所說的故障，建議將LM248和V3三極管用性能完好的新器件替代。

4 結束語

通過對廣州地鐵1號線A1型車RVC故障件的研究和分析，發(fā)現(xiàn)A1型車運營十幾年以來，RVC故障件的故障點集中發(fā)生在運放LM248和V3三極管上。目前A1型車已經進入2次架修階段，即將進入20年期限的2次大修，接近列車的壽命2/3，通過對A1型車的RVC的故障研究，建議在2次大修時對于所有列車的RVC，將運放LM248和輸出信號V3三極管全部更換掉，以增強RVC的可靠性。

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圖9 加一根控制線的待機熱備份方案

在原來的基礎上添加了一根控制線。電源通電后，從電源工作在待機狀態(tài)。當主電源故障或無輸出時，從電源工作在滿載狀態(tài)。由主電源控制從電源的輸出。

3 結束語

目前軌道車輛行業(yè)對車輛照明的要求基本趨向于LED照明燈具。LED照明與傳統(tǒng)光源熒光燈相比，具有發(fā)光效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、燈光效果好的優(yōu)點，而且受空間限制少。它將成為今后軌道車輛照明應用的最終趨勢。本文中介紹的集中式驅動電源供電方案是LED客室照明的最佳照明系統(tǒng)供電方案，該方案對于LED照明在軌道車輛上的應用和推廣具有十分重要的意義。

參考文獻

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Abstract：This paper investigates and analyzes the application superiority of LED lighting in railway vehicle，and makes an intensive study of the latest and best LED power supply scheme（centralized power supply mode）.

Key words：LED lighting；railway vehicle；centralized power supply

Fault Analysis and Solutions of A1Type Vehicle’s RVC Fault in Guangzhou Metro Line 1

JIN Wentao，XIA Yaotian，LI Xiaowei
（Repair＆Overhaul Center，Guangzhou Metro Operation Division，Guangzhou 510310 Guangdong，China）

This paper discusses the main characteristics and importance of urban rail vehichles’RVC（Reference Value Converter）.A1-type vehicle RVC of Guangzhou Metro Line 1 as an example，this paper analyzes the common fault cause and the main factor of component aging and puts forward suggestions and solutions.The results show that the measures are effective and can provide a reference for repaining RVC.

urban rail vehicle；reference value converter；RVC；components aging；PWM

Application of LED Lighting and Centralized Power Supply Mode in Railway Vehicle

WEN Xingye，SUN Liping，LIU Yongzhi，WANG Xin，ZH AO Jinxing
（Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.13

1008－7842（2014）01－0063－05

7—）男，助理工程師（

2013－09－24）