動(dòng)車組門控器常見故障規(guī)律分析與改進(jìn)措施

陳 拓

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段，上海 201800）

0 引言

中國高鐵歷經(jīng)13 a跨越式發(fā)展，隨著動(dòng)車組運(yùn)營數(shù)量和里程的不斷增加，對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵部件的運(yùn)維技術(shù)提出了更高要求。門控系統(tǒng)是動(dòng)車組十大關(guān)鍵部件之一，DCU作為核心組成，其性能穩(wěn)定關(guān)系動(dòng)車組的運(yùn)行安全。CRH3型動(dòng)車組的DCU在長期運(yùn)維過程中存在一定的故障率。因此，研究動(dòng)車組DCU的工作原理、分析故障原因、探索改進(jìn)措施，對(duì)提升DCU工作性能的穩(wěn)定性，保障動(dòng)車組安全高效地運(yùn)營具有重要意義。此外，將有助于掌握動(dòng)車組關(guān)鍵部件自主檢修技術(shù)，達(dá)到節(jié)支降耗、降本增效的企業(yè)目標(biāo)。

1 門控單元

CRH3動(dòng)車組門控系統(tǒng)包括硬件架構(gòu)和軟件控制[1]。硬件架構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、門扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)通信[3]。

圖1 動(dòng)車組塞拉門門控系統(tǒng)

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(xiàn)場運(yùn)用檢修，基于調(diào)研獲取某動(dòng)車段CRH3型動(dòng)車組DCU運(yùn)維數(shù)據(jù)，DCU內(nèi)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(gè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電源，保證了系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。模塊設(shè)計(jì)采用單輸入電源形式，相較于備用電源形式在成本和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)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(shí)高壓串入DCU的LN電源接口。防雷電路FSI保險(xiǎn)等保護(hù)元件泄放尖峰高壓保護(hù)后級(jí)；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(jí)和次級(jí)降壓2個(gè)階段，形成12 V、5 V以及3.3 V等多級(jí)電壓，保障各類元器件所需要的供電；整流濾波電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(dòng)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(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。DCU電源電路故障集中在降壓電路，表現(xiàn)為降壓電路關(guān)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(diǎn)：1）DCU長期運(yùn)行內(nèi)部元器件性能下降。2）DCU安裝環(huán)境相對(duì)封閉，上述元件運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)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(dǎo)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(xiàn)場可編程門陣列）以及存儲(chǔ)模塊。DCU采用雙核異構(gòu)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(tǒng)開銷、低成本的特點(diǎn)。DCU存儲(chǔ)模塊包括FLASH存儲(chǔ)器、SRAM存儲(chǔ)器等。FLASH存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，結(jié)合ROM和RAM的特點(diǎn)，不僅具有EEPROM可擦除可讀寫性能，還具有NARAM快速讀取數(shù)據(jù)的能力，且訪問速度快。在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序代碼或數(shù)據(jù)。SRAM存儲(chǔ)器利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保存信息，讀寫速度快，常用于CPU的一級(jí)緩沖、二級(jí)緩沖。

圖2 DCU內(nèi)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(shù)據(jù)處理和邏輯控制中心[5]，基于運(yùn)維數(shù)據(jù)分析故障原因集中表現(xiàn)為存儲(chǔ)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(hù)元件，構(gòu)成外圍保護(hù)電路可避免過壓硬件損壞。存儲(chǔ)器內(nèi)有供ARM，F(xiàn)PGA等芯片調(diào)用的DCU程序。不同DCU采用不同的存儲(chǔ)模塊，康尼采用FLASH存儲(chǔ)器，IFE采用SRAM存儲(chǔ)器，如圖6所示。DCU運(yùn)行過程中，存儲(chǔ)器VCC引腳上電壓波動(dòng)易造成存儲(chǔ)程序文件損壞丟失，導(dǎo)致DCU報(bào)存儲(chǔ)器故障[6]。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊

2.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊原理

DCU核心控制電路中FPGA芯片對(duì)信號(hào)分析處理并反饋，控制占空比實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)塞拉門開關(guān)門動(dòng)作。舊版本DCU中，該模塊采用MOS管構(gòu)建逆變電路方案，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，如圖6所示。Driver IC驅(qū)動(dòng)芯片，VCC、VSS、COM為模塊供電引腳，RCIN有RC電路構(gòu)成實(shí)現(xiàn)電源濾波。VB1、VS1，VB2、VS2，VB3、VS3對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相接線端子。HIN、HO和LIN、LO對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)端口輸入輸出引腳的高低電平。F和ITRIP為模塊保護(hù)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(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)芯片集成封裝，在驅(qū)動(dòng)能力、耐壓能力、溫度監(jiān)測方面表現(xiàn)出更高性能。此外，DIP封裝配合散熱片節(jié)約空間，避免熱量傳導(dǎo)至電路板上影響其他元件。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路故障分析

基于運(yùn)維數(shù)據(jù)分析，該類故障原因?yàn)橐韵?點(diǎn)：1）核心控制電路模塊故障，發(fā)出錯(cuò)誤反饋控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2）功率模塊IRAMX20UP60A發(fā)生硬件故障，導(dǎo)致無法執(zhí)行相應(yīng)的反饋控制信號(hào)。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(dǎo)致故障。

3 實(shí)際應(yīng)用

通過上述關(guān)于DCU各功能模塊工作原理及故障原因的分析，結(jié)合調(diào)研獲取某動(dòng)車段CRH3型動(dòng)車組DCU運(yùn)維故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)故障部件進(jìn)行檢修，相關(guān)修復(fù)率見表1，并對(duì)DCU運(yùn)維過程提出優(yōu)化建議。

表1 故障部件檢修統(tǒng)計(jì)表

1）對(duì)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(chǎn)生偶發(fā)故障，應(yīng)提高關(guān)鍵元件的穩(wěn)定性。改善EMI整流濾波電路保護(hù)設(shè)計(jì)，增加高頻扼流圈和過壓保護(hù)元件，提高抗高頻干擾能力，降低電壓波動(dòng)對(duì)電路的沖擊，提高電源供應(yīng)穩(wěn)定性。2）對(duì)于核心控制電路模塊，因VCC電壓波動(dòng)導(dǎo)致的存儲(chǔ)器[8]軟件故障最為集中。在控制電路中增加穩(wěn)壓模塊，關(guān)注通斷電保護(hù)功能。3）對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，F(xiàn)PGA發(fā)送控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。該過程加強(qiáng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)，采用集成化程度高且性能穩(wěn)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(gòu)處理器模式

圖6 IRAMX20UP60A原理圖

4 結(jié)語

該文基于某動(dòng)車段CRH3型動(dòng)車組DCU故障統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)導(dǎo)致DCU故障的原因進(jìn)行研究。分析DCU主要功能模塊的設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊等。研究結(jié)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(guān)鍵元件損壞；核心控制電路故障歸結(jié)為存儲(chǔ)器VCC引腳電壓波動(dòng)導(dǎo)致程序損壞；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊故障由功率基礎(chǔ)模塊硬件故障導(dǎo)致。通過對(duì)DCU各功能模塊及故障因素的研究，結(jié)合動(dòng)車組故障運(yùn)維數(shù)據(jù)，對(duì)故障DCU進(jìn)行分類并檢修測試。測試結(jié)果表明，相較于其他故障類型，在技術(shù)層面供電故障和存儲(chǔ)器程序異常具有較高的修復(fù)率，建議進(jìn)行自主檢修。此外，針對(duì)上述研究結(jié)果，該文提出了DCU的優(yōu)化改進(jìn)措施，關(guān)注提升DCU系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和EMI性能，通過分析運(yùn)維數(shù)據(jù)提升DCU產(chǎn)品質(zhì)量，降低動(dòng)車運(yùn)維成本，達(dá)到降本增效的企業(yè)目標(biāo)。