BTM 設(shè)備電源模塊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

張海淵，趙曉林，王瑞，劉磊

（1.中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司呼和浩特電務(wù)段，內(nèi)蒙古呼和浩特，010050；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京，100081）

0 引言

應(yīng)答器傳輸模塊(Balise Transmission Module，BTM)作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的車載設(shè)備，處理與應(yīng)答器間的上行鏈路和下行鏈路信號(hào)和報(bào)文，并與列控車載設(shè)備通信，是保障列車安全運(yùn)行的重要設(shè)備。BTM及天線單元由車載蓄電池供電，BTM 輸入電源應(yīng)符合GB/T 25119-2010 相關(guān)要求，輸入電壓標(biāo)稱值一般為DC24V 或DC110V，通過電源模塊轉(zhuǎn)化為BTM 所需內(nèi)部工作電壓，保證BTM 主機(jī)正常工作。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，會(huì)偶發(fā)BTM 主機(jī)異常斷電導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)故障，中斷BTM 與列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATP(Automatic Train Protection，ATP)間的通信，影響列車運(yùn)行效率。而電源紋波是影響電源模塊正常工作的重要因素，紋波過大甚至?xí)龤гO(shè)備元器件，采用正確的BTM 電源板測(cè)試方法可以幫助現(xiàn)場(chǎng)快速、高效的查找故障原因，及時(shí)提供解決方案，保證列車高效運(yùn)營(yíng)。

1 BTM 電源紋波

■1.1 電源紋波產(chǎn)生機(jī)理

BTM 主機(jī)電源單元工作原理如圖1 所示，輸入為穩(wěn)定電壓為DC24V 或DC110V，由車載外部電源提供，電源模塊將輸入電壓轉(zhuǎn)換為BTM 主機(jī)工作所需工作電壓，首先經(jīng)過保護(hù)電路，當(dāng)經(jīng)過電流過大時(shí)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，然后通過濾波電路濾除從輸入電源端引入的干擾信號(hào)，提高設(shè)備抗電源干擾能力，之后通過電源轉(zhuǎn)換模塊將輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定輸出工作電壓以保障其他模塊正常工作。

圖1 電源模塊工作原理

電源的主要作用是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能，電源的好壞對(duì)BTM 設(shè)備整體工作性能起著決定性作用。BTM 設(shè)備電源模塊輸出一個(gè)固定的直流電壓供其他模塊正常工作，直流電壓是由輸入的交流電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理過程后得到的，其中整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流電，幅值并不固定，需要濾波電路利用儲(chǔ)能電子元件對(duì)脈動(dòng)直流電進(jìn)行去干擾處理，將其轉(zhuǎn)換成較平坦的直流電，但由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，不同濾波電路的濾波性能會(huì)有差異，同時(shí)由于電能變換過程影響及相互之間電磁干擾的存在，無法濾除其中所有的交流成分，所以輸出的直流電壓中會(huì)包含一定的雜波信號(hào)，導(dǎo)致產(chǎn)生一定的紋波電壓。

紋波是圍繞在電源輸出直流電壓值上下波動(dòng)的周期信號(hào)，但是這種信號(hào)的周期和振幅不是固定的，會(huì)隨時(shí)間不斷變化，不同電源設(shè)備由于性能上的差異產(chǎn)生的紋波波形也不一樣。紋波的存在導(dǎo)致負(fù)載的穩(wěn)定性降低，會(huì)影響電源的使用壽命。對(duì)于電子設(shè)備來說，電源產(chǎn)生的紋波電壓可能會(huì)使負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生共振，干擾設(shè)備正常工作，降低設(shè)備使用效率，同時(shí)還會(huì)影響模擬與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，無法進(jìn)行正常的信號(hào)輸出，若出現(xiàn)的紋波較大，會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，超出電源模塊承受范圍，嚴(yán)重的會(huì)燒毀設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備異常掉電。所以在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)BTM 設(shè)備異常重啟問題時(shí)，需要排查電源紋波的問題。

紋波電壓的值一般可以用有效值或峰值來表示，紋波系數(shù)可以客觀地評(píng)價(jià)直流電源的濾波性能，紋波系數(shù)F可定義為紋波電壓的有效值Vt與直流輸出電壓Vo的百分比，即:

紋波系數(shù)是評(píng)價(jià)電源穩(wěn)定性能的一個(gè)重要指標(biāo)，要得到紋波系數(shù)，需要首先測(cè)量紋波電壓即可計(jì)算得到。

■1.2 濾波電路原理

紋波是無法完全抑制的，但是可以通過濾波法濾除一定的紋波，改善電源輸出穩(wěn)定性，而濾波電路的功能就是過濾電源輸入的交流信號(hào)，輸出穩(wěn)定的直流電壓。LC 濾波電路是常見的諧波補(bǔ)償裝置，即將電容和電感綜合起來應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中可靠性、安全性更高。電容可以將干擾信號(hào)和波動(dòng)進(jìn)行旁路掉，其容抗會(huì)隨著干擾信號(hào)頻率的升高而降低，電感可以將干擾信號(hào)吸收，其感抗會(huì)隨著干擾信號(hào)頻率升高而增大，所以電感和電容按照不同的串并聯(lián)方式使用，他們組成的整體裝置的阻抗會(huì)隨著信號(hào)頻率的變化產(chǎn)生不一樣的變化，實(shí)現(xiàn)過濾某些頻率信號(hào)的功能，最終濾除干擾信號(hào)。

傳統(tǒng)的LC 濾波電路通過非線性元件搭建而成，一般有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2 所示。圖2(a)濾波電路使用L型濾波器，這種電路負(fù)載的阻抗比較高，但源阻抗較低；圖2(b)濾波電路是倒L 型濾波法，這種電阻和電容組合電路的負(fù)載阻抗比較低，但源阻抗相對(duì)較高；圖2(c)濾波電路是T 型濾波法，這種組合電路負(fù)載阻抗比較低，而且源阻抗也相對(duì)較低；圖2(d)濾波電路是Π 型濾波法，這種電阻和電容組合電路的特點(diǎn)是負(fù)載阻抗比較高，而且源阻抗也相對(duì)較高。若濾波電路中的電容或電感元器件損壞，很容易造成濾波電路無法正常工作，從而無法濾除干擾信號(hào)，最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

圖2 濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

■1.3 電源模塊測(cè)試方法

當(dāng)故障顯示報(bào)告“應(yīng)答器傳輸模塊故障”時(shí)，說明BTM 設(shè)備與ATP 設(shè)備通信出現(xiàn)中斷，電源模塊故障造成BTM 設(shè)備重啟會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)該問題此時(shí)需要檢測(cè)BTM 電源模塊，測(cè)試方法流程如圖3 所示，首先檢查線纜是否有松動(dòng)，接扣除是否完好，然后拔出P3 插頭，觀察P3 插頭插孔和J3 插座插針是否有松動(dòng)、破損、裂痕等問題，若有問題則及時(shí)更換插頭或緊固連接處，然后繼續(xù)測(cè)試；若無線纜插頭問題，則測(cè)量電源板輸入電壓值是否穩(wěn)定，ATP 正常上電觀察萬用表或者示波器的讀數(shù)，確認(rèn)該電源模塊24V 輸入是否正常，如出現(xiàn)明顯波動(dòng)，超出閾值范圍，則說明電源板發(fā)送故障需及時(shí)更換或進(jìn)一步檢測(cè)元器件；若電源板輸出穩(wěn)定無異常，則利用萬用表或示波器測(cè)試控制組匣BTM 電源模塊的+OUT 和-OUT 兩端輸出電壓，觀察萬用表或者示波器的讀數(shù)，確認(rèn)該電源模塊24V 輸出是否正常，若有明顯波動(dòng)超出閾值范圍，則更換ATP 控制組匣繼續(xù)測(cè)試。最后恢復(fù)故障BTM 主機(jī)，ATP 設(shè)備上電，BTM 設(shè)備上電，多次重啟并拷機(jī)測(cè)試，測(cè)試是否能復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障問題。

圖3 電源模塊測(cè)試流程圖

現(xiàn)場(chǎng)用示波器測(cè)量穩(wěn)壓電源電源紋波時(shí)可以采用電壓信號(hào)測(cè)量法，即使用示波器測(cè)試電源設(shè)備輸出端疊加在直流電壓信號(hào)上的交流紋波電壓信號(hào)。對(duì)于BTM 電源設(shè)備的測(cè)試可以直接用電壓探頭測(cè)量輸出電壓，將BTM 設(shè)備電源模塊的輸出端與示波器兩個(gè)探頭分別連接，首先調(diào)節(jié)示波器的顯示時(shí)間間隔和位置捕獲整個(gè)紋波波形，然后將捕獲到的紋波進(jìn)行放大，觀察和測(cè)量紋波相關(guān)參數(shù)。如圖4 所示，測(cè)試時(shí)示波器的兩個(gè)探頭分別與電源正負(fù)極輸出端連接，測(cè)試電源輸出的紋波電壓。由于紋波電壓的測(cè)試易受到周邊環(huán)境噪聲的干擾，尤其是對(duì)高頻紋波的測(cè)試結(jié)果影響比較明顯，為減少周邊環(huán)境的電磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備測(cè)試干擾，防止紋波電壓測(cè)試結(jié)果受到影響，應(yīng)使用專用示波器探頭可有效較小干擾的影響，需要注意的是在測(cè)量時(shí)要保證探頭接觸可靠有效。

圖4 紋波測(cè)量系統(tǒng)框圖

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

針對(duì)BTM 設(shè)備電源板故障問題，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5 所示。選擇動(dòng)車組兩端為測(cè)試對(duì)象，保證測(cè)試環(huán)境條件一致，其中一端為故障端，按照上述方法測(cè)試兩端車載BTM 設(shè)備的電源模塊，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

動(dòng)車組01 端為正常端，00 端為故障端，首先針對(duì)動(dòng)車組故障端BTM 主機(jī)設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，檢查線纜連接，主要包括電源線纜、通信線纜、控制組匣內(nèi)部線纜，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、破損或裂痕等現(xiàn)象；檢查P3 線纜和P1 線纜接頭插孔和插針，未發(fā)現(xiàn)塌陷和松脫現(xiàn)象。

在升弓條件下，01 正常端BTM 設(shè)備上電，作為對(duì)比測(cè)試，利用示波器觀察BTM 設(shè)備電源模塊輸入電壓值，如圖6 所示，電源紋波持續(xù)時(shí)間只有3.67μs，時(shí)間極短，紋波系數(shù)為：35.3%，由于產(chǎn)生紋波時(shí)間極短，且紋波電壓在電源正常工作范圍內(nèi)，BTM 設(shè)備能夠正常工作。

圖6 正常端 BTM 電源模塊紋波電壓

在升弓條件下，00 端故障端BTM 設(shè)備上電，利用示波器觀察BTM 設(shè)備電源模塊輸入電壓值，如圖7 所示，與01 端電源板電壓輸入值對(duì)比分析可知，00 端BTM 設(shè)備電源板電壓出現(xiàn)異常紋波，電壓波動(dòng)值較大，持續(xù)時(shí)間達(dá)到123.1μs，紋波系數(shù)為：55.8%，遠(yuǎn)高于01 正常端BTM 設(shè)備電源的紋波系數(shù)，因此推斷BTM 電源板前端濾波器失效，導(dǎo)致濾波性能下降，輸入到電源板電源模塊的電壓紋波較大，可能造成電源模塊工作不正常，導(dǎo)致BTM設(shè)備異常掉電。

圖7 故障端 BTM 電源模塊紋波電壓

在升弓條件下，將00 端BTM 設(shè)備更換為故障電源板后上電測(cè)試，利用示波器同時(shí)觀察BTM 設(shè)備故障電源板輸入電壓和控制組匣電源模塊輸出電壓，拷機(jī)90 分鐘后，BTM 設(shè)備故障電源板輸入電壓和控制組匣電源模塊輸出電壓突降至9.9V（BTM 正常能夠容忍的輸入電壓為18V～36V)，BTM 設(shè)備掉電停止工作后立即重啟，DMI 報(bào)“應(yīng)答器接收模塊故障”。后續(xù)多次（3 次）出現(xiàn)經(jīng)過一段時(shí)間上電拷機(jī)后報(bào)“應(yīng)答器接收模塊故障”現(xiàn)象，下載ATP 數(shù)據(jù)、BTM 數(shù)據(jù)并分析確認(rèn)在拷機(jī)過程中BTM 設(shè)備發(fā)生過異常掉電重啟故障，故障現(xiàn)象一致，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 紋波系數(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)BTM 設(shè)備電源板輸入和輸出電壓測(cè)試以及長(zhǎng)時(shí)間拷機(jī)測(cè)試，分析結(jié)果可知，故障端BTM 偶發(fā)紋波電壓輸出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，紋波電壓較大，明顯高于正常端電源設(shè)備的紋波系數(shù)值，判斷問題原因是BTM 電源板前端濾波器失效，導(dǎo)致濾波電路性能下降，輸入到電源模塊的電壓紋波較大，造成電源模塊工作不正常，導(dǎo)致BTM 設(shè)備異常掉電重啟。

3 總結(jié)

本論文針對(duì)BTM 設(shè)備電源單元現(xiàn)場(chǎng)電源紋波測(cè)試方法進(jìn)行了闡述，并在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中證明了測(cè)試方法的可行性。電源的電壓波動(dòng)較大存在BTM 設(shè)備斷電重啟的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)會(huì)減少電源模塊的使用壽命，為了預(yù)防和減少此類故障問題的發(fā)生，在生產(chǎn)階段就應(yīng)全面有效的測(cè)量和分析，確保出廠電源設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，才能保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全、可靠的工作。同時(shí)維修人員在ATP 設(shè)備維修過程中，可適當(dāng)增加應(yīng)答器信息傳輸系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目，例如設(shè)備拷機(jī)測(cè)試，提前掌握系統(tǒng)工作穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

論文提出的BTM 設(shè)備電源模塊測(cè)試方法主要使用示波器進(jìn)行測(cè)試，示波器操作有些繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有一些不便，后續(xù)會(huì)考慮研制和采用更加便攜式且易操作的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用。