動車組門控器常見故障規律分析與改進措施

陳 拓

（中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段，上海 201800）

0 引言

中國高鐵歷經13 a跨越式發展，隨著動車組運營數量和里程的不斷增加，對動車組關鍵部件的運維技術提出了更高要求。門控系統是動車組十大關鍵部件之一，DCU作為核心組成，其性能穩定關系動車組的運行安全。CRH3型動車組的DCU在長期運維過程中存在一定的故障率。因此，研究動車組DCU的工作原理、分析故障原因、探索改進措施，對提升DCU工作性能的穩定性，保障動車組安全高效地運營具有重要意義。此外，將有助于掌握動車組關鍵部件自主檢修技術，達到節支降耗、降本增效的企業目標。

1 門控單元

CRH3動車組門控系統包括硬件架構和軟件控制[1]。硬件架構包括驅動電機、門扇傳動機構以及門DCU[2]等，如圖1所示。主/從DCU間通過CAN總線，主DCU與車輛控制單元間通過MVB總線實現通信[3]。

圖1 動車組塞拉門門控系統

2 門控單元電路模塊原理和故障分析

為了使該文的門控單元故障原理研究更貼近現場運用檢修，基于調研獲取某動車段CRH3型動車組DCU運維數據，DCU內部各功能模塊如圖2所示。

2.1 電源電路模塊

2.1.1 電源電路模塊原理

電源電路模塊作為DCU供電單元，為整個系統提供了穩定的電源，保證了系統功能的穩定性。模塊設計采用單輸入電源形式，相較于備用電源形式在成本和穩定性方面具有優勢。該模塊主要包括防雷電路、EMI電路、整流濾波電路和降壓電路等，如圖3所示。在過壓情況下，瞬時高壓串入DCU的LN電源接口。防雷電路FSI保險等保護元件泄放尖峰高壓保護后級；EMI高頻扼流圈可以有效地濾除差模干擾和共模干擾；降壓電路的初級和次級降壓2個階段，形成12 V、5 V以及3.3 V等多級電壓，保障各類元器件所需要的供電；整流濾波電路實現穩定直流輸出。

2.1.2 電源電路故障分析

降壓電路核心為PWM降壓電路或DC-DC降壓電路，如圖4所示。PWM降壓電路中PWM控制器通過輸出占空比控制MOS管開斷，如果PWM控制器或MOS管損壞，則輸出電壓波動或無輸出。相較于PWM降壓電路，DC-DC降壓電路具有集成度高、結構簡單的特點。DCU電源電路故障集中在降壓電路，表現為降壓電路關鍵元件損壞，如PWM控制器、MOS管以及DC-DC全橋磚塊等。原因歸包括3點：1）DCU長期運行內部元器件性能下降。2）DCU安裝環境相對封閉，上述元件運行狀態產生了較高的熱量，散熱無法保證易造成損壞。3）在故障DCU拆解過程中集中暴露出灰塵問題，通電情況下易導致元件短路。

2.2 核心控制電路模塊

2.2.1 核心控制電路模塊原理

核心控制電路模塊主要包括MPU（Micro Processor Unit，微處理器單元）主芯片模塊、FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）以及存儲模塊。DCU采用雙核異構處理器模式[4]，即ARM+FPGA，通過總線方式完成核與核這間的通信，如圖5所示。FPGA的DSO算法具有低系統開銷、低成本的特點。DCU存儲模塊包括FLASH存儲器、SRAM存儲器等。FLASH存儲器是一種非易失性存儲器，結合ROM和RAM的特點，不僅具有EEPROM可擦除可讀寫性能，還具有NARAM快速讀取數據的能力，且訪問速度快。在嵌入式系統中，FLASH存儲器用于存儲程序代碼或數據。SRAM存儲器利用雙穩態觸發器保存信息，讀寫速度快，常用于CPU的一級緩沖、二級緩沖。

圖2 DCU內部功能模塊

2.2.2 核心控制電路故障分析

DCU核心控制電路作為數據處理和邏輯控制中心[5]，基于運維數據分析故障原因集中表現為存儲器故障，非芯片硬件故障。在DCU核心控制電路中，ARM和FPGA芯片周圍分布保護元件，構成外圍保護電路可避免過壓硬件損壞。存儲器內有供ARM，FPGA等芯片調用的DCU程序。不同DCU采用不同的存儲模塊，康尼采用FLASH存儲器，IFE采用SRAM存儲器，如圖6所示。DCU運行過程中，存儲器VCC引腳上電壓波動易造成存儲程序文件損壞丟失，導致DCU報存儲器故障[6]。

2.3 電機驅動電路模塊

2.3.1 電機驅動電路模塊原理

DCU核心控制電路中FPGA芯片對信號分析處理并反饋，控制占空比實現驅動電機正反轉帶動塞拉門開關門動作。舊版本DCU中，該模塊采用MOS管構建逆變電路方案，實現電機控制。新版本DCU中，該模塊選用集成度更高智能功率模塊IRAMX20UP60A來實現，如圖6所示。Driver IC驅動芯片，VCC、VSS、COM為模塊供電引腳，RCIN有RC電路構成實現電源濾波。VB1、VS1，VB2、VS2，VB3、VS3對應驅動電機三相接線端子。HIN、HO和LIN、LO對應驅動端口輸入輸出引腳的高低電平。F和ITRIP為模塊保護電路引腳，電流比較器電路檢測工作電路防止過流損壞。相較于舊版本，新方案將驅動橋和驅動芯片集成封裝，在驅動能力、耐壓能力、溫度監測方面表現出更高性能。此外，DIP封裝配合散熱片節約空間，避免熱量傳導至電路板上影響其他元件。

2.3.2 電機驅動電路故障分析

基于運維數據分析，該類故障原因為以下2點：1）核心控制電路模塊故障，發出錯誤反饋控制信號驅動電機。2）功率模塊IRAMX20UP60A發生硬件故障，導致無法執行相應的反饋控制信號。前者屬于DCU其他功能模塊故障因素，后者是由于過壓過流等因素導致故障。

3 實際應用

通過上述關于DCU各功能模塊工作原理及故障原因的分析，結合調研獲取某動車段CRH3型動車組DCU運維故障統計數據，對故障部件進行檢修，相關修復率見表1，并對DCU運維過程提出優化建議。

表1 故障部件檢修統計表

1）對于電源電路模塊故障[7]，單輸入的電源形式可靠性較低，易產生偶發故障，應提高關鍵元件的穩定性。改善EMI整流濾波電路保護設計，增加高頻扼流圈和過壓保護元件，提高抗高頻干擾能力，降低電壓波動對電路的沖擊，提高電源供應穩定性。2）對于核心控制電路模塊，因VCC電壓波動導致的存儲器[8]軟件故障最為集中。在控制電路中增加穩壓模塊，關注通斷電保護功能。3）對于電機驅動電路模塊，FPGA發送控制信號驅動電機動作。該過程加強電路保護設計，采用集成化程度高且性能穩定的元件。

圖3 電源電路

圖4 DCU降壓電路

圖5 ARM+FPGA雙核異構處理器模式

圖6 IRAMX20UP60A原理圖

4 結語

該文基于某動車段CRH3型動車組DCU故障統計規律，對導致DCU故障的原因進行研究。分析DCU主要功能模塊的設計工作原理和控制邏輯，涉及模塊主要包括電源電路模塊、核心控制電路模塊以及電機驅動電路模塊等。研究結果顯示，電源電路模塊作為DCU供電單元故障集中為降壓電路DC全橋磚塊，MOS管等關鍵元件損壞；核心控制電路故障歸結為存儲器VCC引腳電壓波動導致程序損壞；電機驅動模塊故障由功率基礎模塊硬件故障導致。通過對DCU各功能模塊及故障因素的研究，結合動車組故障運維數據，對故障DCU進行分類并檢修測試。測試結果表明，相較于其他故障類型，在技術層面供電故障和存儲器程序異常具有較高的修復率，建議進行自主檢修。此外，針對上述研究結果，該文提出了DCU的優化改進措施，關注提升DCU系統供電穩定性和EMI性能，通過分析運維數據提升DCU產品質量，降低動車運維成本，達到降本增效的企業目標。