梁士國(guó) 賈 旭 董濤濤 侯達(dá)明 馬 玄

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心， 130062， 長(zhǎng)春; 2. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司科技管理部， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 高級(jí)工程師)

1 客室座椅失效原因分析

動(dòng)車組客室座椅是乘客乘坐安全性和舒適性的最為直接相關(guān)的設(shè)備[1-3]，其功能的穩(wěn)定性是提供各項(xiàng)服務(wù)的前提。2019年12月，某動(dòng)車組客室座椅在其使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)“通風(fēng)/加熱”和“腰托/按摩”按鈕(以下簡(jiǎn)為“電控-舒適性系統(tǒng)”)失效的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：操作控制面板時(shí)舒適性系統(tǒng)沒(méi)有任何動(dòng)作執(zhí)行，指示燈不亮，但此時(shí)坐姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作正常。座椅斷電后再上電重啟，大部分座椅舒適性系統(tǒng)功能可恢復(fù)，但故障仍會(huì)不定時(shí)重現(xiàn)；小部分座椅重啟后仍失效，此部分座椅控制板指示燈不亮。某動(dòng)車組客室失效座椅及其控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 失效座椅及其控制系統(tǒng)Fig.1 Invalid seat and the control system

該動(dòng)車組客室座椅各功能按鍵如圖2所示。

圖2 客室座椅控制面板Fig.2 Control panel of passenger compartment seat

經(jīng)調(diào)查，該款座椅此批次共裝車16套，出現(xiàn)失效座椅14套。其故障原因主要為兩類：一類為座椅斷電重啟后故障消失，但后續(xù)還會(huì)復(fù)現(xiàn)，該故障座椅共12套；一種是座椅斷電重啟后仍失效，該故障座椅共2套。

1.1 客室座椅控制原理

座椅電控-舒適性系統(tǒng)部分模塊沿用了既有座椅的控制設(shè)計(jì)思路，其CAN(控制單元局域網(wǎng))總線通信方式具有良好的可擴(kuò)展性。DC 110 V直流電在MCU(管理控制單元)內(nèi)部經(jīng)濾波轉(zhuǎn)為DC 24 V直流電到主控板上，為控制單元、電機(jī)和控制面板的驅(qū)動(dòng)及控制提供電源。座椅新增加的“通風(fēng)/加熱”和“腰托/按摩”2個(gè)模塊的電源由MCU中的電源模塊(110 V轉(zhuǎn)24 V)經(jīng)轉(zhuǎn)接板變壓(24 V轉(zhuǎn)12 V)后提供。座椅電控-舒適性系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

注:VEU為視頻娛樂(lè)單元。圖3 電控-舒適性系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Electronic control-comfort system topology

1.2 客室座椅故障分析

根據(jù)故障的表現(xiàn)形式，主要分為控制電路板故障和控制面板故障。

1.2.1 控制電路板故障分析

依據(jù)座椅電控-舒適性系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初步分析，“通風(fēng)/加熱”、“腰托/按摩”2個(gè)模塊是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接板掛接在原電控系統(tǒng)下面的2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，且2個(gè)子系統(tǒng)的電力供應(yīng)、工作控制及狀態(tài)反饋均由轉(zhuǎn)接板完成。2個(gè)子系統(tǒng)自身同時(shí)失效的概率很低，故模塊失效的主要原因很可能是由于轉(zhuǎn)接板電源或者控制信號(hào)的異常導(dǎo)致的。

分別對(duì)座椅電控-舒適性系統(tǒng)零部件和現(xiàn)車座椅進(jìn)行測(cè)試。使用外接電源在車廂外分別對(duì)“通風(fēng)/加熱”、“腰托/按摩”2個(gè)模塊進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障無(wú)法重現(xiàn)；在現(xiàn)車車廂內(nèi)對(duì)座椅電控-舒適性系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)操作，發(fā)現(xiàn)故障重現(xiàn)。此時(shí)對(duì)電控-舒適性系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其12 V的供電電壓降至0，模塊失電。因此，可判定轉(zhuǎn)接板電源異常是故障產(chǎn)生的直接原因。

進(jìn)一步分別對(duì)“通風(fēng)/加熱”、“腰托/按摩”2個(gè)模塊的啟動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)試。

“通風(fēng)/加熱”模塊工作中的電壓和電流見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，該模塊的工作電壓實(shí)測(cè)值為12.00 V，工作電流實(shí)測(cè)值為3.97 A；在該模塊加熱啟動(dòng)瞬間，電流未發(fā)生變化，負(fù)載為電阻負(fù)載，無(wú)電流過(guò)沖。

圖4 “通風(fēng)/加熱”模塊工作過(guò)程中的電壓和電流Fig.4 Voltage and current during the operation of “ventilation/heating” module

“腰托/按摩”模塊工作中的電壓和電流如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，該模塊的工作電壓實(shí)測(cè)值為12.0 V，穩(wěn)態(tài)工作電流實(shí)測(cè)值為0.8 A；但其啟動(dòng)電流波動(dòng)較大，最大值為2 A，并在30 ms內(nèi)衰減至穩(wěn)定電流，在此過(guò)程中存在電流過(guò)沖。

圖5 “腰托/按摩”模塊工作過(guò)程中的電壓和電流Fig.5 Voltage and current during the operation of “l(fā)umbar support/massage” module

轉(zhuǎn)接板內(nèi)置12 V電源芯片，其型號(hào)為MP8675，最大工作電流為6 A。而“通風(fēng)/加熱”、“腰托/按摩”2個(gè)模塊同時(shí)啟動(dòng)瞬間的電流最大值可達(dá)6.07 A，即在“通風(fēng)/加熱”模塊工作時(shí)再啟動(dòng)“腰托/按摩”模塊的工況下的電流會(huì)超過(guò)芯片保護(hù)上限。特別是該電源芯片在外部電源不穩(wěn)定的工作環(huán)境中使用時(shí)，其相應(yīng)功能開啟瞬間更可能會(huì)發(fā)生芯片因過(guò)流自保護(hù)而停止電壓輸出的現(xiàn)象，表現(xiàn)為座椅電控-舒適性系統(tǒng)停止工作，而對(duì)座椅其他動(dòng)作無(wú)影響。

綜上，座椅電控-舒適性系統(tǒng)故障是由轉(zhuǎn)接板的電源功率余量不足導(dǎo)致的，其產(chǎn)生的瞬時(shí)電流引起電源模塊自動(dòng)保護(hù)。因此，為電控-舒適性系統(tǒng)提供電源的MCU內(nèi)部電源模塊必須能提供大于72 W(6.07 A)的功率，并有一定的冗余。

1.2.2 控制面板故障分析

控制面板結(jié)構(gòu)為塑料按鍵殼體，按壓電路板上開關(guān)按鍵時(shí)，按鍵殼體與電路板之間無(wú)其他隔絕零部件。

控制面板輸入電壓為3.3 V，電壓較低，理論上不會(huì)損壞LED。初步判斷可能是靜電導(dǎo)致的過(guò)流，當(dāng)靜電過(guò)大時(shí)反向漏電明顯增加[4]。

靜電主要來(lái)源于人體，通過(guò)人體觸碰按鍵傳遞到電路板上。人體靜電泄放時(shí)間極短,瞬時(shí)脈沖高,平均功率可達(dá)到千瓦以上，足以擊穿元器件,導(dǎo)致電子設(shè)備或系統(tǒng)失靈。元器件的電擊穿分為軟擊穿和硬擊穿,軟擊穿不但會(huì)造成設(shè)備工作失誤,更重要的是可能會(huì)造成毫無(wú)規(guī)律可行的潛在性失效,導(dǎo)致電子產(chǎn)品工作故障[5-6]。

對(duì)控制面板進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)其損壞表現(xiàn)為2種現(xiàn)象：一種為其中一半(9個(gè))白色LED(發(fā)光二極管)亮度降低，見(jiàn)圖6；另一種為燈不亮，所有功能失效，見(jiàn)圖7。

圖6 LED亮度降低的電路板Fig.6 Circuit board with reduced LED brightness

圖7 燈不亮的電路板Fig.7 Unlit circuit board

控制面板上有2個(gè)MP1528芯片(LED驅(qū)動(dòng)芯片)，且2個(gè)芯片的負(fù)載和外圍電路一致，但發(fā)生損壞的均為靠右側(cè)的芯片。

對(duì)按鍵指示燈不亮的控制面板進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖8)，發(fā)現(xiàn)不發(fā)光損壞的LED電流為6 mA，而正常發(fā)光的LED電流約為1 mA,說(shuō)明右側(cè)已被擊穿。

圖8 控制面板測(cè)試Fig.8 Control panel test

根據(jù)MP1528芯片的控制原理，分析故障原因有兩種：一種是芯片燒斷，芯片失去升壓作用，導(dǎo)致一半(9個(gè))白色LED亮度較低；一種是芯片擊穿，保險(xiǎn)絲起效，導(dǎo)致整個(gè)電路板完全失去供電。

為衡量控制面板的抗靜電能力，根據(jù)GB∕T 17626.2—2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》，使用靜電槍模擬±8 kV空氣放電與±6 kV接觸放電。在模擬過(guò)程中未見(jiàn)電弧，控制面板處于正常狀態(tài)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。繼續(xù)加大電壓至16 kV時(shí)有放電的電弧，但未見(jiàn)LED損壞。在極端條件下人體最大可產(chǎn)生20 kV的靜電[7]，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)工況，使用靜電槍模擬20 kV時(shí)有放電電弧，LED損壞。

綜上，控制面板故障主要是由新增的舒適性控制模塊功率匹配不當(dāng)，以及由靜電導(dǎo)致的控制面板電路過(guò)流損壞引起的。

2 電控-舒適性系統(tǒng)優(yōu)化措施

2.1 功率匹配優(yōu)化

2.1.1 臨時(shí)方案

轉(zhuǎn)接板使用MP8675電源芯片，其默認(rèn)工作頻率為420 kHz?？赏ㄟ^(guò)修改單片機(jī)程序，以PWM(脈寬調(diào)制)方式輸出650 kHz同步信號(hào)來(lái)提高開關(guān)頻率。更高的開關(guān)頻率，可讓DC-DC轉(zhuǎn)化系統(tǒng)耐受更大的瞬間過(guò)沖，但提升空間有限，在10%左右，這可在一定程度上降低故障，但不能消除故障。系統(tǒng)經(jīng)臨時(shí)處理后故障有所降低，但仍時(shí)常出現(xiàn)，不能徹底解決。因此，對(duì)于提升開關(guān)頻率后的故障仍需復(fù)位重啟。

2.1.2 最終方案

對(duì)轉(zhuǎn)接板進(jìn)行優(yōu)化，取消轉(zhuǎn)接板的電源轉(zhuǎn)換功能。對(duì)MCU進(jìn)行更改，增加獨(dú)立電源模塊(能承受8.5 A、100 W)為舒適性系統(tǒng)供電。

原電控-舒適性系統(tǒng)的電源來(lái)自MCU內(nèi)電源模塊，考慮到增加功率不對(duì)MCU造成影響，故取消原轉(zhuǎn)接板中的24 V轉(zhuǎn)12 V模塊，在MCU中單獨(dú)集成110 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊(能承受8.5 A、100 W)，為該系統(tǒng)提供電源。新增模塊以MCU濾波模塊濾波后的電源作為輸入，以保證電源品質(zhì)。優(yōu)化后的電控-舒適性系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 電控-舒適性系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.9 Electronic control-comfort system topology

該系統(tǒng)優(yōu)化后故障再未出現(xiàn)，故能完全解決此處問(wèn)題。

2.2 控制面板優(yōu)化

2.2.1 臨時(shí)方案

在控制面板上，通過(guò)附著絕緣膠布，以降低芯片MP1582和LED損壞的概率。控制面板臨時(shí)方案如圖10所示。

圖10 控制面板臨時(shí)方案Fig.10 Temporary solution for the control panel

對(duì)控制面板進(jìn)行靜電釋放試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好，能有效解決靜電問(wèn)題。

2.2.2 最終方案

改進(jìn)塑料外殼與電路板之間的連接，類似于臨時(shí)處理方案，增加硅膠墊，形成一個(gè)完整的中間絕緣層，使其有較強(qiáng)的抗靜電性能。經(jīng)優(yōu)化后裝車驗(yàn)證，此處故障再未出現(xiàn)。

3 結(jié)論

1) 控制系統(tǒng)的故障主要來(lái)源于新增的舒適性控制模塊和控制面板。

2) 控制電路板問(wèn)題源于電控-舒適性系統(tǒng)啟動(dòng)電流瞬間過(guò)沖造成的電路保護(hù)，電路保護(hù)切斷了電源，防止電路燒損。模塊功率匹配需要考慮啟動(dòng)電流的影響。

3) 控制面板失效為靜電過(guò)流造成的燒斷或擊穿失效?？刂泼姘逯虚g的隔離膠墊膜防靜電方案，有效提升了座椅控制的穩(wěn)定性。

4) 座椅控制面板上的按鈕抗靜電級(jí)別遠(yuǎn)比其試驗(yàn)指標(biāo)要高，但仍發(fā)生損壞。因此，控制面板按鍵類設(shè)計(jì)需要有覆膜隔絕靜電或能夠?qū)ё哽o電，以提升其抗靜電性能。