SS4B型电力机车LCU研究与应用

武新龙

（国能新朔铁路有限责任公司机务分公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

0 引言

随着中国铁路的发展，线路准点率要求越来越高，线路运输越来越密集对机车的安全性、可靠性和稳定性提出了更高的要求。降低机车故障率，提高机车可靠性、稳定性、安全性、可维护性以及平均无故障时间等性能，已经成为现代铁路运输的基本要求。

1 电力机车LCU概述

轨道交通作为一个特种行业，对机车可靠性和安全性要求较高。一般电子产品的使用年限为10～15年，机车的使用环境恶劣，导致安装在机车上的电子控制装置使用寿命只能维持8～10年。LCU机车逻辑控制装置于2002年，在直流机车上批量安装投入使用后，至今绝大多数LCU装置已经超出使用寿命期限。电子元器件由于受高温、潮湿、灰尘氧化等环境的影响会出现相关性能的变化，处于浴盆效应的末端，从而引发电子装置的不稳定性，故障频繁，大大增加了机车运输安全风险。

此外，LCU机车逻辑控制开发时代较早，受当时电子技术水平约束，电路设计功能简单，无法满足机车后续技术的完善和革新，如驱动电流更大的电磁接触器、大量的故障日志存储功能、MVB（车辆总线）控制功能等，因此研制新型LCU有重大意义。

2 电力机车二代LCU逻辑控制单元研究技术

2.1 主要功能及主要优点

2.1.1 主要功能

LCU是电力电子技术和计算机控制技术于一体的一种专门用于铁路机车车辆的大功率可编程逻辑控制装置，其功能是实现机车控制系统的无触点化，通过微机集成电路控制逻辑，取代机车低压柜内部繁琐复杂的控制迂回电路，取代中间继电器、时间继电器等，实现机车的集成化低压控制。

2.1.2 主要优点

二代LCU是基于一代LCU的升级产品，在保持原有基本功能和外部机械、电气接口不变的条件下，对整个系统进行了升级改进。采用更高性能的32位72 MHz主频ARM微处理器，并引入高效实时操作系统；输出通道驱动电流是原LCU的两倍以上；具备自身故障记录分析功能；采用先进的电路集成封装技术，稳定性高；系统架构简单，板件类型少，控制板具有互换性，检修备品投入少；优化了电路线路设计、提高了关键电子器件参数性能，具有更高的可靠性、更长寿命，能更好地保障机车的安全运行。

2.2 主要技术参数

装置型号TYLCU02-SS4B；额定输入电压：DC 110 V，波动范围DC 77～137.5 V；额定功率300 W；数字量输入点数128点；数字量输入电压范围：低电平0～30 V，高电平77～137.5 V；数字量输出点数：96点（I类型通道64路、II类型通道32路）；额定输出驱动电流I类型通道1 A，II类型通道2 A；故障存储量不低于1000条，下载通信速率120 kbps；数据记录条件为LCU输入输出状态发生变化时；每组数据存储容量32 M；适应环境温度-25～+70℃，装置允许在不低于-40℃环境温度下存放；机箱结构尺寸498×380×274 mm；重量30 kg。

2.3 结构组成及工作原理

2.3.1 整体结构组成介绍

一节SS4B型机车上装有两台LCU02-SS4B装置，分别安装在两个低压柜中，两台LCU之间通过CAN总线进行通信，具有双冗余通信安全导向机制。LCU1为主控单元、LCU2为扩展单元。

单个机箱系统组织架构分为两组一样的硬件，具有冷备份冗余功能。每一组由电源通信板与控制板两种板型组成，硬件主控均采用ARM微处理器，控制板功能一致，并可自动识别板件身份，达到任意互换功能。

控制板采集机车上110 V输入信号，经过输入集成模块IM110转换为微控制器可处理的5 V信号。控制板微控制器再通过CAN通信模块，将接收到的输入信号发送到电源通信板。电源通信板整合所有控制板输入的信号数据，经过逻辑运算，再通过CAN通信将输出通道数据发送到控制板。控制板接收到输出指令后，控制板的微处理器通过输出集成模块，在相应通道输出110 V驱动机车外部负载。

2.3.2 电源通信板工作原理

电源通信板为LCU整机中的核心部分，每只LCU只有1块电源通信板，内部分为A、B两组用于冗余，两组硬件与软件均一致，主要负责各控制板的系统电源供给、CAN通信、逻辑运算等功能。

（1）电源通信板主要技术参数：STM32F407处理器芯片主频72 MHz，Flash存储器容量1 M；两组电源模块输出电压DC 5±0.25 V，每组电流14 A；隔离RS232接口A、B组各1个，主要用于程序下载及测试台使用；隔离RS485接口1个，主要用于与外部机车显示屏进行通信（备用）；FLASH存储器25DF321A单只容量32 M，主要用于故障日志的记录；CAN2.0通信模块两个，自带隔离，主要用于与控制板进行通信。

（2）系统原理如图1所示。

图1 电源板系统原理

（3）处理器及外围电路。电源通信板主控芯片采用意法半导体的STM32F407微控制芯片，是性能高，集成度高，稳定性强的专业嵌入式ARM微处理器，主频达到72 MHz，Flash存储器容量达到1 M。该微处理器芯片采用LQFP144贴片封装，取代原LCU主控芯片采用的嵌入式安装方式，可以有效避免震动、灰尘等因素导致接触不良。

原LCU在经过一定时间的使用过后，由于受到铁路震动大、灰尘多的环境影响，以及维护过程多次对芯片拔插，主控芯片底座出现了破损、积灰，极易出现接触不良。二代LCU主控芯片的直接焊接方式则更为可靠，同时引出ISP在线编程接口，方便软件升级。

由于二代LCU主控芯片集成度高，需求的外部电路很少，主要是电源供应、晶振电路和复位电路。STM32F407芯片要求2.0～3.6 V的供电电压，这里通过SPX1587AT芯片提供稳定的3.3 V电压，保证系统正常运行。STM32F407芯片VBAT引脚连接超级电容作为备用电池，在系统掉电时为备用寄存器以及RTC实时时钟单元供电。晶振电路为系统提供主时钟，使用外部晶振的优点是能产生非常精确的主时钟。复位电路可以在系统上电时候为复位引脚提供大于300 ns的低脉冲，使系统复位运行。

（4）RS232/RS485通信电路。RS232通信电路采用专用的通信集成芯片，芯片内部具有电源隔离、电气隔离、RS232收发器，外围电路简单，系统稳定可靠。RS232通信电路主要用于现场软件升级、历史故障信息下载等功能。

RS485通信电路是为机车后续扩能改进，实现与微机柜通信而预留的通信接口，RS485通信电路采用专用通信集成芯片，芯片内部集成了电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片和总线保护器件。芯片总线接口配置了偏置电阻以及终端电阻，外围电路简单，性能稳定可靠。LCU通过机箱外部RS485总线接口与机车网络相连，实现与微机显示器通信。

（5）双CAN通信电路。二代LCU电源通信板主要通过CAN通信网络与控制板进行数据交换，CAN通信电路采用专用的CAN通信集成芯片，芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，外围电路简单。这里使用了双CAN冗余设计，若出现一路通道故障，自动切换到另一通道，极大地提高了系统可靠性。

2.3.3 控制板工作原理

控制板为输入输出采集控制部分，各控制板硬件与软件保持一致，可以互换通用，各控制板与电源通信板的通信均采用CAN进行通信，将接收到的机车外部输入信号经控制板微处理器再通过双CAN通信发送到电源通信板进行逻辑运算，再返回到控制板，通过控制板微处理器控制输出集成模块，输出110 V电压驱动外部负载。

无触点输出通道：共12路，4路持续2 A带载通道，其中第1路为独立电源设计；2～8路为一组，共用一路负载供电电源；9～12为一组，共用一路负载供电电源。输出通道均带有过流保护、防反向功能。

二代LCU控制板主控芯片同电源通信板一样，采用意法半导体的STM32F407微控制芯片，并且重新设计输入输出电路，以提高通道带载能力，同时使用专用的输入集成模块，减少控制板焊点数量，降低故障发生次数。

（1）控制板主要参数。STM32F407处理器芯片主频72 MHz，Flash存储器容量1 M；供电DC 5 V，波动范围：4.5～6.0 V；无触点输入通道16路；无触点输出通道12路；输入电压高电平：DC 77～137.5V；输入电压低电平DC 0～30 V；RS232接口1个，不引出外部接口，主要用于程序下载；JTAG接口1个，主要用于程序仿真；带隔离CAN2.0接口两个，主要作用是与电源通信板通信。

（2）输入通道电路原理。输入电路采用专用的输入集成模块，模块内部集成4路电平转换隔离电路，输入电压范围DC 77～137.5 V，输出DC 5 V电平。输出电平一路送ARM微处理器，一路经过LED驱动模块驱动LED灯显。每块控制板有16路输入，需要使用4个输入集成模块IM110。

（3）输出通道电路原理。所有输出通道控制原理一致，由ARM微处理器通过OU1为低电平控制光耦U20内部导通，驱动外部大电流输出。其中自恢复保险RV1、RV2起过流保护作用，D17防止反向输入，起输出故障隔离作用，D20起外部续流作用。

（4）双CAN通信电路。控制板采用双CAN通信电路与电源通信板进行数据交换，其原理与电源通信板上的一样。控制板的CAN通信电路主要功能是实现与电源通信板通信，将采集到的机车输入信号发送到电源通信板，同时接受来自电源通信板的输出信号，输出直流电压控制机车上接触器、继电器等电器负载。

3 电力机车主要技术难点及关键技术创新点

3.1 主要技术难点

3.1.1 输出通道大电流驱动电路设计

针对原LCU输出通道驱动能力不够问题，二代逻辑控制单元在输出通道驱动能力方面需要提高。相比一代LCU产品，驱动电流增加到2倍以上，输出通道带载持续电流最高达到2 A。如何选择合适的大功率开关器件是该电路设计的难点，并且多路大电流输出通道同时运行，散热问题也是要考虑的难点。

3.1.2 输出通道过流自动保护设计

二代逻辑控制单元在输出通道驱动能力方面需要提高，那么相应的过流保护电路就需要重新设计。当任意输出通道出现过流时，需要自动快速关断输出回路，这既是保证机车安全运用的关键，也是二代LCU设计中的难点。

3.1.3 器件的可靠性、通信稳定性和抗电磁干扰性设计

铁路运营环境恶劣，在振动大、温差变化大，煤灰尘覆盖大的情况下，提高通道驱动电流后，整机功率增大。但在印刷线路较多，元器件布局紧凑，又在电路板尺寸和空间有限的情况下，要保证器件的可靠性、通信稳定性和抗电磁干扰性是二代LCU设计中的难点。

3.2 关键技术创新点

3.2.1 ARM微控制器芯片

二代LCU首次将32位ARM微控制器芯片引入到LCU板件设计中，替代原70年代落后的8位51单片机。该ARM微控制芯片无论是在运算速度上，还是在Flash存储器容量上都比51单片机有很大的提升，主频由1 MHz提高到72 MHz，Flash存储器容量由8 k增加到1 M。主控制芯片性能参数的提升一方面提高了LCU板件的可靠性，另一方面也使得LCU引入实时操作系统、增加故障记录存储等功能成为可能。

3.2.2 统一控制板类型

原SS4B机车LCU控制板数量达到8块，各个控制板需要执行各自独立的输入输出任务，导致原LCU设计上出现8种类型的控制板，而且控制板之间不可以互换，系统架构复杂，不便于日常维护。二代LCU创造性的统一了控制板类型，所有的控制板硬件、软件相同，当控制板插入到LCU机箱时，控制板依靠机箱内的布线电压编码，软件自动判断自身类型，执行相应输出任务，并在控制板面板上显示板子类型。这样控制板就不需区分型号，变得通用化，便于段方的维护、降低备品成本的投入。

3.2.3 故障记录下载及地面数据分析功能

二代LCU开创性地实现了自身故障记录功能以及地面数据分析功能。LCU不仅详细地记录故障信息，同时将所有的LCU输入输出动态变化详细地记录下来，通过地面分析软件，可以很方便地查看故障发生时间、故障类型。必要的时候可以调取故障发生前后LCU输入输出变化情况，有效地帮助客户重现故障时刻的机车状态，分析机车运行中出现的各种故障。可以说二代LCU自身故障记录分析功能的实现，开启了大数据时代直流机车LCU存储记录功能的先河。该功能适用于所有直流机车，具有一定的推广应用前景。

3.2.4 LCU控制板输出通道带载能力

二代LCU将大功率开关器件引入到输出通道电路设计当中，输出通道驱动能力大大提高，相比原LCU产品，驱动电流增加到2倍以上。将LCU的I类型通道带载持续电流由0.5 A提高到1 A，II类型通道带载持续电流由0.7 A提高到2 A。不仅解决了原LCU通道驱动能力方面的不足，同时支持机车后续电器部件扩能改进，如一路LCU通道驱动多个接触器等。

3.2.5 程序芯片直接焊接

传统程序芯片采用嵌入式方式安装，是为了能够取下芯片进行程序升级。然而，这种嵌入式安装方式并不适用于机车运用环境，在震动大，灰尘多、温差变化大的运用环境下，极易出现接触不良。二代LCU弃用这种安装方式，采用更为可靠的直接焊接方式，同时预留程序升级接口，不仅解决了接触不可靠问题，而且可以很方便地进行在线程序升级。因为该程序芯片故障率极低，日常根本不需要更换，所以采用了直接焊接方式。

3.2.6 电路集成化设计

二代LCU采用先进的电路集成封装技术，对输入通道电路、输出通道电路、通信电路做了集成化设计，将成熟的硬件电路封装到单一的集成模块中，可以有效减少LCU板件上分立器件个数，进而减少因震动、灰尘、潮湿等环境因素引发的LCU板件故障。

3.2.7 风扇智能化变速运行

机箱散热风扇采用自动温度控制，当环境温度＜35℃时，风扇停止；35℃≤环境温度＜45℃时，风扇低速运行；45℃≤环境温度＜55℃时，风扇中速运行；温度≥55℃时，风扇高速运行。当按下LCU后面板上的风扇强制运行按钮开关后，散热风扇将以高速运行，不再受温度控制。不仅可以方便检修人员测试风扇，而且可供特殊情况下强制风扇工作，保障LCU安全运行。此项智能化设计可以有效延长风扇使用寿命。

3.3 LCU逻辑控制装置研制的创新性

（1）系统组织架构简单，单个控制单元分为电源通信板与控制板，控制板（A～G）均可进行任意调换，用户维护方便，降低备品成本的投入。

（2）采用ARM微处理器配套实时操作系统，任务响应速度快、软件运行可靠性高。

（3）硬件输出通道除了具有本身的保护功能外，扩大了输出通道的带载能力，在提高可靠性的同时也可广泛适应于机车的后期改进。

（4）具有故障日志存储功能，有利于LCU02故障或机车相关故障原因的查找，降低检修难度，做到有依有据。

（5）微处理器芯片采用直接焊接工艺，避免了热胀冷缩、灰尘侵袭导致的芯片接触不良故障。

4 结束语

开展SS4B型机车二代LCU逻辑控制单元研究项目，旨在通过硬件电路和软件的革新，打造具有更高可靠性、更长寿命以及高效检修的机车逻辑控制单元，更好地保障机车的安全运行。