SS4B型電力機(jī)車(chē)LCU研究與應(yīng)用

武新龍

（國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司機(jī)務(wù)分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著中國(guó)鐵路的發(fā)展，線路準(zhǔn)點(diǎn)率要求越來(lái)越高，線路運(yùn)輸越來(lái)越密集對(duì)機(jī)車(chē)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。降低機(jī)車(chē)故障率，提高機(jī)車(chē)可靠性、穩(wěn)定性、安全性、可維護(hù)性以及平均無(wú)故障時(shí)間等性能，已經(jīng)成為現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸?shù)幕疽蟆?/p>

1 電力機(jī)車(chē)LCU概述

軌道交通作為一個(gè)特種行業(yè)，對(duì)機(jī)車(chē)可靠性和安全性要求較高。一般電子產(chǎn)品的使用年限為10～15年，機(jī)車(chē)的使用環(huán)境惡劣，導(dǎo)致安裝在機(jī)車(chē)上的電子控制裝置使用壽命只能維持8～10年。LCU機(jī)車(chē)邏輯控制裝置于2002年，在直流機(jī)車(chē)上批量安裝投入使用后，至今絕大多數(shù)LCU裝置已經(jīng)超出使用壽命期限。電子元器件由于受高溫、潮濕、灰塵氧化等環(huán)境的影響會(huì)出現(xiàn)相關(guān)性能的變化，處于浴盆效應(yīng)的末端，從而引發(fā)電子裝置的不穩(wěn)定性，故障頻繁，大大增加了機(jī)車(chē)運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)。

此外，LCU機(jī)車(chē)邏輯控制開(kāi)發(fā)時(shí)代較早，受當(dāng)時(shí)電子技術(shù)水平約束，電路設(shè)計(jì)功能簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足機(jī)車(chē)后續(xù)技術(shù)的完善和革新，如驅(qū)動(dòng)電流更大的電磁接觸器、大量的故障日志存儲(chǔ)功能、MVB（車(chē)輛總線）控制功能等，因此研制新型LCU有重大意義。

2 電力機(jī)車(chē)二代LCU邏輯控制單元研究技術(shù)

2.1 主要功能及主要優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 主要功能

LCU是電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體的一種專門(mén)用于鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的大功率可編程邏輯控制裝置，其功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)的無(wú)觸點(diǎn)化，通過(guò)微機(jī)集成電路控制邏輯，取代機(jī)車(chē)低壓柜內(nèi)部繁瑣復(fù)雜的控制迂回電路，取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的集成化低壓控制。

2.1.2 主要優(yōu)點(diǎn)

二代LCU是基于一代LCU的升級(jí)產(chǎn)品，在保持原有基本功能和外部機(jī)械、電氣接口不變的條件下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)。采用更高性能的32位72 MHz主頻ARM微處理器，并引入高效實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；輸出通道驅(qū)動(dòng)電流是原LCU的兩倍以上；具備自身故障記錄分析功能；采用先進(jìn)的電路集成封裝技術(shù)，穩(wěn)定性高；系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，板件類(lèi)型少，控制板具有互換性，檢修備品投入少；優(yōu)化了電路線路設(shè)計(jì)、提高了關(guān)鍵電子器件參數(shù)性能，具有更高的可靠性、更長(zhǎng)壽命，能更好地保障機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

裝置型號(hào)TYLCU02-SS4B；額定輸入電壓：DC 110 V，波動(dòng)范圍DC 77～137.5 V；額定功率300 W；數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)128點(diǎn)；數(shù)字量輸入電壓范圍：低電平0～30 V，高電平77～137.5 V；數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)：96點(diǎn)（I類(lèi)型通道64路、II類(lèi)型通道32路）；額定輸出驅(qū)動(dòng)電流I類(lèi)型通道1 A，II類(lèi)型通道2 A；故障存儲(chǔ)量不低于1000條，下載通信速率120 kbps；數(shù)據(jù)記錄條件為L(zhǎng)CU輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)；每組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量32 M；適應(yīng)環(huán)境溫度-25～+70℃，裝置允許在不低于-40℃環(huán)境溫度下存放；機(jī)箱結(jié)構(gòu)尺寸498×380×274 mm；重量30 kg。

2.3 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.3.1 整體結(jié)構(gòu)組成介紹

一節(jié)SS4B型機(jī)車(chē)上裝有兩臺(tái)LCU02-SS4B裝置，分別安裝在兩個(gè)低壓柜中，兩臺(tái)LCU之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，具有雙冗余通信安全導(dǎo)向機(jī)制。LCU1為主控單元、LCU2為擴(kuò)展單元。

單個(gè)機(jī)箱系統(tǒng)組織架構(gòu)分為兩組一樣的硬件，具有冷備份冗余功能。每一組由電源通信板與控制板兩種板型組成，硬件主控均采用ARM微處理器，控制板功能一致，并可自動(dòng)識(shí)別板件身份，達(dá)到任意互換功能。

控制板采集機(jī)車(chē)上110 V輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入集成模塊IM110轉(zhuǎn)換為微控制器可處理的5 V信號(hào)?？刂瓢逦⒖刂破髟偻ㄟ^(guò)CAN通信模塊，將接收到的輸入信號(hào)發(fā)送到電源通信板。電源通信板整合所有控制板輸入的信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，再通過(guò)CAN通信將輸出通道數(shù)據(jù)發(fā)送到控制板?？刂瓢褰邮盏捷敵鲋噶詈螅刂瓢宓奈⑻幚砥魍ㄟ^(guò)輸出集成模塊，在相應(yīng)通道輸出110 V驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)外部負(fù)載。

2.3.2 電源通信板工作原理

電源通信板為L(zhǎng)CU整機(jī)中的核心部分，每只LCU只有1塊電源通信板，內(nèi)部分為A、B兩組用于冗余，兩組硬件與軟件均一致，主要負(fù)責(zé)各控制板的系統(tǒng)電源供給、CAN通信、邏輯運(yùn)算等功能。

（1）電源通信板主要技術(shù)參數(shù)：STM32F407處理器芯片主頻72 MHz，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器容量1 M；兩組電源模塊輸出電壓DC 5±0.25 V，每組電流14 A；隔離RS232接口A、B組各1個(gè)，主要用于程序下載及測(cè)試臺(tái)使用；隔離RS485接口1個(gè)，主要用于與外部機(jī)車(chē)顯示屏進(jìn)行通信（備用）；FLASH存儲(chǔ)器25DF321A單只容量32 M，主要用于故障日志的記錄；CAN2.0通信模塊兩個(gè)，自帶隔離，主要用于與控制板進(jìn)行通信。

（2）系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 電源板系統(tǒng)原理

（3）處理器及外圍電路。電源通信板主控芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F407微控制芯片，是性能高，集成度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的專業(yè)嵌入式ARM微處理器，主頻達(dá)到72 MHz，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器容量達(dá)到1 M。該微處理器芯片采用LQFP144貼片封裝，取代原LCU主控芯片采用的嵌入式安裝方式，可以有效避免震動(dòng)、灰塵等因素導(dǎo)致接觸不良。

原LCU在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用過(guò)后，由于受到鐵路震動(dòng)大、灰塵多的環(huán)境影響，以及維護(hù)過(guò)程多次對(duì)芯片拔插，主控芯片底座出現(xiàn)了破損、積灰，極易出現(xiàn)接觸不良。二代LCU主控芯片的直接焊接方式則更為可靠，同時(shí)引出ISP在線編程接口，方便軟件升級(jí)。

由于二代LCU主控芯片集成度高，需求的外部電路很少，主要是電源供應(yīng)、晶振電路和復(fù)位電路。STM32F407芯片要求2.0～3.6 V的供電電壓，這里通過(guò)SPX1587AT芯片提供穩(wěn)定的3.3 V電壓，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。STM32F407芯片VBAT引腳連接超級(jí)電容作為備用電池，在系統(tǒng)掉電時(shí)為備用寄存器以及RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元供電。晶振電路為系統(tǒng)提供主時(shí)鐘，使用外部晶振的優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生非常精確的主時(shí)鐘。復(fù)位電路可以在系統(tǒng)上電時(shí)候?yàn)閺?fù)位引腳提供大于300 ns的低脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位運(yùn)行。

（4）RS232/RS485通信電路。RS232通信電路采用專用的通信集成芯片，芯片內(nèi)部具有電源隔離、電氣隔離、RS232收發(fā)器，外圍電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。RS232通信電路主要用于現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)、歷史故障信息下載等功能。

RS485通信電路是為機(jī)車(chē)后續(xù)擴(kuò)能改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)與微機(jī)柜通信而預(yù)留的通信接口，RS485通信電路采用專用通信集成芯片，芯片內(nèi)部集成了電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線保護(hù)器件。芯片總線接口配置了偏置電阻以及終端電阻，外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。LCU通過(guò)機(jī)箱外部RS485總線接口與機(jī)車(chē)網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)與微機(jī)顯示器通信。

（5）雙CAN通信電路。二代LCU電源通信板主要通過(guò)CAN通信網(wǎng)絡(luò)與控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CAN通信電路采用專用的CAN通信集成芯片，芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，外圍電路簡(jiǎn)單。這里使用了雙CAN冗余設(shè)計(jì)，若出現(xiàn)一路通道故障，自動(dòng)切換到另一通道，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。

2.3.3 控制板工作原理

控制板為輸入輸出采集控制部分，各控制板硬件與軟件保持一致，可以互換通用，各控制板與電源通信板的通信均采用CAN進(jìn)行通信，將接收到的機(jī)車(chē)外部輸入信號(hào)經(jīng)控制板微處理器再通過(guò)雙CAN通信發(fā)送到電源通信板進(jìn)行邏輯運(yùn)算，再返回到控制板，通過(guò)控制板微處理器控制輸出集成模塊，輸出110 V電壓驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

無(wú)觸點(diǎn)輸出通道：共12路，4路持續(xù)2 A帶載通道，其中第1路為獨(dú)立電源設(shè)計(jì)；2～8路為一組，共用一路負(fù)載供電電源；9～12為一組，共用一路負(fù)載供電電源。輸出通道均帶有過(guò)流保護(hù)、防反向功能。

二代LCU控制板主控芯片同電源通信板一樣，采用意法半導(dǎo)體的STM32F407微控制芯片，并且重新設(shè)計(jì)輸入輸出電路，以提高通道帶載能力，同時(shí)使用專用的輸入集成模塊，減少控制板焊點(diǎn)數(shù)量，降低故障發(fā)生次數(shù)。

（1）控制板主要參數(shù)。STM32F407處理器芯片主頻72 MHz，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器容量1 M；供電DC 5 V，波動(dòng)范圍：4.5～6.0 V；無(wú)觸點(diǎn)輸入通道16路；無(wú)觸點(diǎn)輸出通道12路；輸入電壓高電平：DC 77～137.5V；輸入電壓低電平DC 0～30 V；RS232接口1個(gè)，不引出外部接口，主要用于程序下載；JTAG接口1個(gè)，主要用于程序仿真；帶隔離CAN2.0接口兩個(gè)，主要作用是與電源通信板通信。

（2）輸入通道電路原理。輸入電路采用專用的輸入集成模塊，模塊內(nèi)部集成4路電平轉(zhuǎn)換隔離電路，輸入電壓范圍DC 77～137.5 V，輸出DC 5 V電平。輸出電平一路送ARM微處理器，一路經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)LED燈顯。每塊控制板有16路輸入，需要使用4個(gè)輸入集成模塊IM110。

（3）輸出通道電路原理。所有輸出通道控制原理一致，由ARM微處理器通過(guò)OU1為低電平控制光耦U20內(nèi)部導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)外部大電流輸出。其中自恢復(fù)保險(xiǎn)RV1、RV2起過(guò)流保護(hù)作用，D17防止反向輸入，起輸出故障隔離作用，D20起外部續(xù)流作用。

（4）雙CAN通信電路?？刂瓢宀捎秒pCAN通信電路與電源通信板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其原理與電源通信板上的一樣?？刂瓢宓腃AN通信電路主要功能是實(shí)現(xiàn)與電源通信板通信，將采集到的機(jī)車(chē)輸入信號(hào)發(fā)送到電源通信板，同時(shí)接受來(lái)自電源通信板的輸出信號(hào)，輸出直流電壓控制機(jī)車(chē)上接觸器、繼電器等電器負(fù)載。

3 電力機(jī)車(chē)主要技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 輸出通道大電流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)原LCU輸出通道驅(qū)動(dòng)能力不夠問(wèn)題，二代邏輯控制單元在輸出通道驅(qū)動(dòng)能力方面需要提高。相比一代LCU產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電流增加到2倍以上，輸出通道帶載持續(xù)電流最高達(dá)到2 A。如何選擇合適的大功率開(kāi)關(guān)器件是該電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，并且多路大電流輸出通道同時(shí)運(yùn)行，散熱問(wèn)題也是要考慮的難點(diǎn)。

3.1.2 輸出通道過(guò)流自動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)

二代邏輯控制單元在輸出通道驅(qū)動(dòng)能力方面需要提高，那么相應(yīng)的過(guò)流保護(hù)電路就需要重新設(shè)計(jì)。當(dāng)任意輸出通道出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，需要自動(dòng)快速關(guān)斷輸出回路，這既是保證機(jī)車(chē)安全運(yùn)用的關(guān)鍵，也是二代LCU設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

3.1.3 器件的可靠性、通信穩(wěn)定性和抗電磁干擾性設(shè)計(jì)

鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境惡劣，在振動(dòng)大、溫差變化大，煤灰塵覆蓋大的情況下，提高通道驅(qū)動(dòng)電流后，整機(jī)功率增大。但在印刷線路較多，元器件布局緊湊，又在電路板尺寸和空間有限的情況下，要保證器件的可靠性、通信穩(wěn)定性和抗電磁干擾性是二代LCU設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 ARM微控制器芯片

二代LCU首次將32位ARM微控制器芯片引入到LCU板件設(shè)計(jì)中，替代原70年代落后的8位51單片機(jī)。該ARM微控制芯片無(wú)論是在運(yùn)算速度上，還是在Flash存儲(chǔ)器容量上都比51單片機(jī)有很大的提升，主頻由1 MHz提高到72 MHz，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器容量由8 k增加到1 M。主控制芯片性能參數(shù)的提升一方面提高了LCU板件的可靠性，另一方面也使得LCU引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、增加故障記錄存儲(chǔ)等功能成為可能。

3.2.2 統(tǒng)一控制板類(lèi)型

原SS4B機(jī)車(chē)LCU控制板數(shù)量達(dá)到8塊，各個(gè)控制板需要執(zhí)行各自獨(dú)立的輸入輸出任務(wù)，導(dǎo)致原LCU設(shè)計(jì)上出現(xiàn)8種類(lèi)型的控制板，而且控制板之間不可以互換，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，不便于日常維護(hù)。二代LCU創(chuàng)造性的統(tǒng)一了控制板類(lèi)型，所有的控制板硬件、軟件相同，當(dāng)控制板插入到LCU機(jī)箱時(shí)，控制板依靠機(jī)箱內(nèi)的布線電壓編碼，軟件自動(dòng)判斷自身類(lèi)型，執(zhí)行相應(yīng)輸出任務(wù)，并在控制板面板上顯示板子類(lèi)型。這樣控制板就不需區(qū)分型號(hào)，變得通用化，便于段方的維護(hù)、降低備品成本的投入。

3.2.3 故障記錄下載及地面數(shù)據(jù)分析功能

二代LCU開(kāi)創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了自身故障記錄功能以及地面數(shù)據(jù)分析功能。LCU不僅詳細(xì)地記錄故障信息，同時(shí)將所有的LCU輸入輸出動(dòng)態(tài)變化詳細(xì)地記錄下來(lái)，通過(guò)地面分析軟件，可以很方便地查看故障發(fā)生時(shí)間、故障類(lèi)型。必要的時(shí)候可以調(diào)取故障發(fā)生前后LCU輸入輸出變化情況，有效地幫助客戶重現(xiàn)故障時(shí)刻的機(jī)車(chē)狀態(tài)，分析機(jī)車(chē)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障。可以說(shuō)二代LCU自身故障記錄分析功能的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)啟了大數(shù)據(jù)時(shí)代直流機(jī)車(chē)LCU存儲(chǔ)記錄功能的先河。該功能適用于所有直流機(jī)車(chē)，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

3.2.4 LCU控制板輸出通道帶載能力

二代LCU將大功率開(kāi)關(guān)器件引入到輸出通道電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸出通道驅(qū)動(dòng)能力大大提高，相比原LCU產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電流增加到2倍以上。將LCU的I類(lèi)型通道帶載持續(xù)電流由0.5 A提高到1 A，II類(lèi)型通道帶載持續(xù)電流由0.7 A提高到2 A。不僅解決了原LCU通道驅(qū)動(dòng)能力方面的不足，同時(shí)支持機(jī)車(chē)后續(xù)電器部件擴(kuò)能改進(jìn)，如一路LCU通道驅(qū)動(dòng)多個(gè)接觸器等。

3.2.5 程序芯片直接焊接

傳統(tǒng)程序芯片采用嵌入式方式安裝，是為了能夠取下芯片進(jìn)行程序升級(jí)。然而，這種嵌入式安裝方式并不適用于機(jī)車(chē)運(yùn)用環(huán)境，在震動(dòng)大，灰塵多、溫差變化大的運(yùn)用環(huán)境下，極易出現(xiàn)接觸不良。二代LCU棄用這種安裝方式，采用更為可靠的直接焊接方式，同時(shí)預(yù)留程序升級(jí)接口，不僅解決了接觸不可靠問(wèn)題，而且可以很方便地進(jìn)行在線程序升級(jí)。因?yàn)樵摮绦蛐酒收下蕵O低，日常根本不需要更換，所以采用了直接焊接方式。

3.2.6 電路集成化設(shè)計(jì)

二代LCU采用先進(jìn)的電路集成封裝技術(shù)，對(duì)輸入通道電路、輸出通道電路、通信電路做了集成化設(shè)計(jì)，將成熟的硬件電路封裝到單一的集成模塊中，可以有效減少LCU板件上分立器件個(gè)數(shù)，進(jìn)而減少因震動(dòng)、灰塵、潮濕等環(huán)境因素引發(fā)的LCU板件故障。

3.2.7 風(fēng)扇智能化變速運(yùn)行

機(jī)箱散熱風(fēng)扇采用自動(dòng)溫度控制，當(dāng)環(huán)境溫度＜35℃時(shí)，風(fēng)扇停止；35℃≤環(huán)境溫度＜45℃時(shí)，風(fēng)扇低速運(yùn)行；45℃≤環(huán)境溫度＜55℃時(shí)，風(fēng)扇中速運(yùn)行；溫度≥55℃時(shí)，風(fēng)扇高速運(yùn)行。當(dāng)按下LCU后面板上的風(fēng)扇強(qiáng)制運(yùn)行按鈕開(kāi)關(guān)后，散熱風(fēng)扇將以高速運(yùn)行，不再受溫度控制。不僅可以方便檢修人員測(cè)試風(fēng)扇，而且可供特殊情況下強(qiáng)制風(fēng)扇工作，保障LCU安全運(yùn)行。此項(xiàng)智能化設(shè)計(jì)可以有效延長(zhǎng)風(fēng)扇使用壽命。

3.3 LCU邏輯控制裝置研制的創(chuàng)新性

（1）系統(tǒng)組織架構(gòu)簡(jiǎn)單，單個(gè)控制單元分為電源通信板與控制板，控制板（A～G）均可進(jìn)行任意調(diào)換，用戶維護(hù)方便，降低備品成本的投入。

（2）采用ARM微處理器配套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任務(wù)響應(yīng)速度快、軟件運(yùn)行可靠性高。

（3）硬件輸出通道除了具有本身的保護(hù)功能外，擴(kuò)大了輸出通道的帶載能力，在提高可靠性的同時(shí)也可廣泛適應(yīng)于機(jī)車(chē)的后期改進(jìn)。

（4）具有故障日志存儲(chǔ)功能，有利于LCU02故障或機(jī)車(chē)相關(guān)故障原因的查找，降低檢修難度，做到有依有據(jù)。

（5）微處理器芯片采用直接焊接工藝，避免了熱脹冷縮、灰塵侵襲導(dǎo)致的芯片接觸不良故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展SS4B型機(jī)車(chē)二代LCU邏輯控制單元研究項(xiàng)目，旨在通過(guò)硬件電路和軟件的革新，打造具有更高可靠性、更長(zhǎng)壽命以及高效檢修的機(jī)車(chē)邏輯控制單元，更好地保障機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。