动车组门控器常见故障规律分析与改进措施

陈 拓

（中国铁路上海局集团有限公司上海动车段，上海 201800）

0 引言

中国高铁历经13 a跨越式发展，随着动车组运营数量和里程的不断增加，对动车组关键部件的运维技术提出了更高要求。门控系统是动车组十大关键部件之一，DCU作为核心组成，其性能稳定关系动车组的运行安全。CRH3型动车组的DCU在长期运维过程中存在一定的故障率。因此，研究动车组DCU的工作原理、分析故障原因、探索改进措施，对提升DCU工作性能的稳定性，保障动车组安全高效地运营具有重要意义。此外，将有助于掌握动车组关键部件自主检修技术，达到节支降耗、降本增效的企业目标。

1 门控单元

CRH3动车组门控系统包括硬件架构和软件控制[1]。硬件架构包括驱动电机、门扇传动机构以及门DCU[2]等，如图1所示。主/从DCU间通过CAN总线，主DCU与车辆控制单元间通过MVB总线实现通信[3]。

图1 动车组塞拉门门控系统

2 门控单元电路模块原理和故障分析

为了使该文的门控单元故障原理研究更贴近现场运用检修，基于调研获取某动车段CRH3型动车组DCU运维数据，DCU内部各功能模块如图2所示。

2.1 电源电路模块

2.1.1 电源电路模块原理

电源电路模块作为DCU供电单元，为整个系统提供了稳定的电源，保证了系统功能的稳定性。模块设计采用单输入电源形式，相较于备用电源形式在成本和稳定性方面具有优势。该模块主要包括防雷电路、EMI电路、整流滤波电路和降压电路等，如图3所示。在过压情况下，瞬时高压串入DCU的LN电源接口。防雷电路FSI保险等保护元件泄放尖峰高压保护后级；EMI高频扼流圈可以有效地滤除差模干扰和共模干扰；降压电路的初级和次级降压2个阶段，形成12 V、5 V以及3.3 V等多级电压，保障各类元器件所需要的供电；整流滤波电路实现稳定直流输出。

2.1.2 电源电路故障分析

降压电路核心为PWM降压电路或DC-DC降压电路，如图4所示。PWM降压电路中PWM控制器通过输出占空比控制MOS管开断，如果PWM控制器或MOS管损坏，则输出电压波动或无输出。相较于PWM降压电路，DC-DC降压电路具有集成度高、结构简单的特点。DCU电源电路故障集中在降压电路，表现为降压电路关键元件损坏，如PWM控制器、MOS管以及DC-DC全桥砖块等。原因归包括3点：1）DCU长期运行内部元器件性能下降。2）DCU安装环境相对封闭，上述元件运行状态产生了较高的热量，散热无法保证易造成损坏。3）在故障DCU拆解过程中集中暴露出灰尘问题，通电情况下易导致元件短路。

2.2 核心控制电路模块

2.2.1 核心控制电路模块原理

核心控制电路模块主要包括MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元）主芯片模块、FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）以及存储模块。DCU采用双核异构处理器模式[4]，即ARM+FPGA，通过总线方式完成核与核这间的通信，如图5所示。FPGA的DSO算法具有低系统开销、低成本的特点。DCU存储模块包括FLASH存储器、SRAM存储器等。FLASH存储器是一种非易失性存储器，结合ROM和RAM的特点，不仅具有EEPROM可擦除可读写性能，还具有NARAM快速读取数据的能力，且访问速度快。在嵌入式系统中，FLASH存储器用于存储程序代码或数据。SRAM存储器利用双稳态触发器保存信息，读写速度快，常用于CPU的一级缓冲、二级缓冲。

图2 DCU内部功能模块

2.2.2 核心控制电路故障分析

DCU核心控制电路作为数据处理和逻辑控制中心[5]，基于运维数据分析故障原因集中表现为存储器故障，非芯片硬件故障。在DCU核心控制电路中，ARM和FPGA芯片周围分布保护元件，构成外围保护电路可避免过压硬件损坏。存储器内有供ARM，FPGA等芯片调用的DCU程序。不同DCU采用不同的存储模块，康尼采用FLASH存储器，IFE采用SRAM存储器，如图6所示。DCU运行过程中，存储器VCC引脚上电压波动易造成存储程序文件损坏丢失，导致DCU报存储器故障[6]。

2.3 电机驱动电路模块

2.3.1 电机驱动电路模块原理

DCU核心控制电路中FPGA芯片对信号分析处理并反馈，控制占空比实现驱动电机正反转带动塞拉门开关门动作。旧版本DCU中，该模块采用MOS管构建逆变电路方案，实现电机控制。新版本DCU中，该模块选用集成度更高智能功率模块IRAMX20UP60A来实现，如图6所示。Driver IC驱动芯片，VCC、VSS、COM为模块供电引脚，RCIN有RC电路构成实现电源滤波。VB1、VS1，VB2、VS2，VB3、VS3对应驱动电机三相接线端子。HIN、HO和LIN、LO对应驱动端口输入输出引脚的高低电平。F和ITRIP为模块保护电路引脚，电流比较器电路检测工作电路防止过流损坏。相较于旧版本，新方案将驱动桥和驱动芯片集成封装，在驱动能力、耐压能力、温度监测方面表现出更高性能。此外，DIP封装配合散热片节约空间，避免热量传导至电路板上影响其他元件。

2.3.2 电机驱动电路故障分析

基于运维数据分析，该类故障原因为以下2点：1）核心控制电路模块故障，发出错误反馈控制信号驱动电机。2）功率模块IRAMX20UP60A发生硬件故障，导致无法执行相应的反馈控制信号。前者属于DCU其他功能模块故障因素，后者是由于过压过流等因素导致故障。

3 实际应用

通过上述关于DCU各功能模块工作原理及故障原因的分析，结合调研获取某动车段CRH3型动车组DCU运维故障统计数据，对故障部件进行检修，相关修复率见表1，并对DCU运维过程提出优化建议。

表1 故障部件检修统计表

1）对于电源电路模块故障[7]，单输入的电源形式可靠性较低，易产生偶发故障，应提高关键元件的稳定性。改善EMI整流滤波电路保护设计，增加高频扼流圈和过压保护元件，提高抗高频干扰能力，降低电压波动对电路的冲击，提高电源供应稳定性。2）对于核心控制电路模块，因VCC电压波动导致的存储器[8]软件故障最为集中。在控制电路中增加稳压模块，关注通断电保护功能。3）对于电机驱动电路模块，FPGA发送控制信号驱动电机动作。该过程加强电路保护设计，采用集成化程度高且性能稳定的元件。

图3 电源电路

图4 DCU降压电路

图5 ARM+FPGA双核异构处理器模式

图6 IRAMX20UP60A原理图

4 结语

该文基于某动车段CRH3型动车组DCU故障统计规律，对导致DCU故障的原因进行研究。分析DCU主要功能模块的设计工作原理和控制逻辑，涉及模块主要包括电源电路模块、核心控制电路模块以及电机驱动电路模块等。研究结果显示，电源电路模块作为DCU供电单元故障集中为降压电路DC全桥砖块，MOS管等关键元件损坏；核心控制电路故障归结为存储器VCC引脚电压波动导致程序损坏；电机驱动模块故障由功率基础模块硬件故障导致。通过对DCU各功能模块及故障因素的研究，结合动车组故障运维数据，对故障DCU进行分类并检修测试。测试结果表明，相较于其他故障类型，在技术层面供电故障和存储器程序异常具有较高的修复率，建议进行自主检修。此外，针对上述研究结果，该文提出了DCU的优化改进措施，关注提升DCU系统供电稳定性和EMI性能，通过分析运维数据提升DCU产品质量，降低动车运维成本，达到降本增效的企业目标。