直流無刷電機反向運動控制異常故障分析

■ 關(guān)震/國營長虹機械廠

0 引言

一件直流無刷電機和伺服板在聯(lián)合測試過程中出現(xiàn)伺服板通道3無法控制電機反向運動的故障現(xiàn)象。為了確定故障部位，對直流無刷電機伺服電路進行檢查，發(fā)現(xiàn)伺服電路無反向控制信號輸出。通過對測試設(shè)備、直流無刷電機、伺服板進行深入分析，結(jié)合故障器件失效分析結(jié)果，查找故障發(fā)生原因，更換故障器件，最終排除故障。

1 技術(shù)分析

1.1 故障樹分析

針對直流無刷電機無法反向控制故障，以“直流無刷電機無法反向控制”為頂事件建立故障樹，如圖1所示，對各種可能的故障分支和底事件逐項進行分析。

圖1 故障樹

1.2 故障定位

1）測試設(shè)備故障

2）伺服板故障

直流無刷電機伺服板的主要功能是由外部輸入模擬量，對直流無刷電機進行控制，同時設(shè)置4路獨立通道的電機驅(qū)動電路。出現(xiàn)直流無刷電機控制異常故障時，采用的是伺服板通道3對直流無刷電機進行伺服控制，因此對伺服板進行獨立測試，發(fā)現(xiàn)伺服板通道3輸出的電機驅(qū)動信號異常，說明伺服板通道3存在器件故障。

3）直流無刷電機故障

直流無刷電機是伺服板的負載部件，與伺服板直接連接，使用檢測設(shè)備對直流無刷電機進行檢測，檢測指標合格，但是直流無刷電機連接伺服板后，運動無法實現(xiàn)反向控制。對直流無刷電機進行修理，拆解直流無刷電機，未發(fā)現(xiàn)電機內(nèi)部油脂變干、傳感器失效等問題。對直流無刷電機進行獨立測試，檢測合格。因此可以排除直流無刷電機故障的可能。

1.3 原理分析

如圖2所示，測試時直流無刷電機直接與電機伺服板相連，直流無刷電機的傳感器反饋信號由外部信號源提供的7V/2400Hz的正弦信號以及外部+27V直流電源進行驅(qū)動。伺服板測試過程中，由設(shè)備發(fā)送D/A輸出信號、電機角度反饋信號RVDT和霍爾傳感器信號，通過相位檢測、誤差放大、幅值檢測等電路轉(zhuǎn)換，得到直流無刷電機驅(qū)動芯片MC33035的3路控制信號（運動方向、相位誤差、制動開關(guān)）。輸出的3路PWM調(diào)制信號經(jīng)光耦隔離和功率放大電路，輸出至直流無刷電機，直流無刷電機內(nèi)部霍爾傳感器和RVDT信號反饋至伺服板，構(gòu)成閉環(huán)控制電路。伺服板與直流無刷電機的連接關(guān)系如圖3所示。由于測試過程中伺服板通道3出現(xiàn)無法控制直流無刷電機反向運動，因此對伺服板通道3涉及的運動方向控制電路進行分析。

圖2 測試連接關(guān)系圖

圖3 直流無刷電機伺服控制電路

D/A信號轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。伺服板電路U1A和U1B運算放大器組成的積分電路對D/A輸入信號進行濾波和波形轉(zhuǎn)換。對幅值變化的D/A輸入信號轉(zhuǎn)換成方波信號，對電壓穩(wěn)定的D/A輸入信號進行濾波和保持。U1C及外圍器件構(gòu)成濾波和限幅，將輸入信號轉(zhuǎn)換成幅值為±10V的方波信號，再經(jīng)過LM111電壓比較器與對0V電位比較后，形成運動方向控制信號，輸出至MC33035。其中，LM111電壓比較器輸出端接入MC33035輸出的參考電壓6.25V，因此正向運動狀態(tài)為高電平6.25V，反向運動狀態(tài)為低電平0V。

圖4 D/A輸入信號轉(zhuǎn)換電路

實際測試過程中，在輸入不同測試信號的情況下，伺服板電路U1A、U1B和U1C器件輸出信號正常，在LM111電壓比較器輸入端均存在電平變化過程。但是在電壓比較器輸出端一直保持低電平狀態(tài)，當斷開MC33035第3引腳后，電壓比較器輸出電壓比較結(jié)果，說明MC33035器件損壞。

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1.4 問題分析

MC33035是一種常用的直流無刷電機控制芯片，可通過片上電路控制端實現(xiàn)直流無刷電機閉環(huán)調(diào)速，與直流無刷電機霍爾傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制，實現(xiàn)三相直流無刷電機控制。在伺服板上，MC33035使用第3、11、23引腳實現(xiàn)直流無刷電機控制。

實際測試過程中，發(fā)現(xiàn)MC33035第3腳沒有正/反轉(zhuǎn)信號變化，直流無刷電機上電后直接向一個方向運動，沒有反向運動的跡象。使用數(shù)字萬用表直流電壓檔測量，測量數(shù)值為0V，正常狀態(tài)下信號應(yīng)出現(xiàn)0～6.25V的電壓交替變化。針對上述出現(xiàn)問題的伺服板，取下故障MC33035芯片，對信號異常的第3引腳進行測試，發(fā)現(xiàn)第3引腳對模擬地之間的阻值為50.3Ω，而性能正常的MC33035第3引腳對模擬地的電阻測量值應(yīng)為16.3kΩ，兩者阻值完全不符，說明測試的伺服板MC33035器件故障。

1.5 電路分析

根據(jù)圖4所示電路情況，考慮到MC33035第3引腳受到LM111輸出的電壓和MC33035第8引腳輸出的參考電壓影響，因此通過實際電路對兩型器件輸入輸出信號進行功能分析，找出可能導(dǎo)致故障發(fā)生的直接原因。

1）LM111電壓比較器

LM111作為一種寬范圍工作電壓的邏輯控制輸出器件，采用OC（Open Collection，集電極開路）結(jié)構(gòu)，輸出的信號由輸出端上拉電阻及電壓決定，輸出電平兼容TTL、CMOS電平，輸出電流最大可達到50mA。通過伺服板電路連接可知，MC33035第8引腳輸出的參考電壓經(jīng)10kΩ上拉電阻與LM111輸出端相接，局部電路圖如圖5所示。

2）MC33035電機驅(qū)動芯片

由 圖5可 知，MC33035第8腳 作為參考電壓輸出端為電壓比較器提供6.25V電壓，當LM111輸入信號高于參考電位時，輸出端受第8腳上拉電阻作用，高電平為6.25V，低電平為0V。由于第8腳可以向外部提供20mA電流，在接入10kΩ上拉電阻后，可為第3腳提供大約2mA電流。接入電壓比較器輸出端信號后，可出現(xiàn)兩路電流疊加情況。

圖5 LM111與MC33035連接局部電路圖

1.6 器件失效分析

通過電路分析，初步認定MC33035第3腳可能受到前級電路影響。為進一步掌握MC33035故障發(fā)生原因，對MC33035芯片開展失效分析。

1）X射線檢查

利用X射線檢測系統(tǒng)對失效器件進行X射線檢查，結(jié)果如圖6所示，失效芯片內(nèi)部第3針鍵合絲可見斷開形貌。

圖6 MC33035第3腳X射線下的形貌

2）聲學(xué)掃描顯微鏡檢查

利用掃描聲學(xué)顯微鏡對失效芯片進行聲學(xué)微區(qū)成像分析，發(fā)現(xiàn)芯片區(qū)域可見大面積分層（見圖7），說明器件經(jīng)歷了較長時間的貯存。

圖7 MC33035聲學(xué)正面掃描形貌

3）內(nèi)部目檢

失效芯片第3腳鍵合附近區(qū)域燒毀，第3引腳鍵合絲燒毀、熔斷，鍵合焊盤表面金屬熱熔、變色，表面碳化物附著，整體呈現(xiàn)長時間、大電流燒毀特征（見圖8）。

圖8 內(nèi)部檢查第3腳燒毀情況

4）芯片失效分析結(jié)論

經(jīng)器件失效分析確認，MC33035的第3引腳對模擬地短路，第3引腳鍵合區(qū)域嚴重燒毀，鍵合絲燒毀、熔斷，表明第3引腳曾經(jīng)流經(jīng)大電流。芯片表面與第3引腳相連的金屬熱熔、變色，表面碳化物附著，第3引腳端口整體呈現(xiàn)長時間、大電流燒毀特征。因此，認為第3引腳端口引入了異常電壓，誘發(fā)端口大電流燒毀失效。

2 分析結(jié)論

根據(jù)電路組成功能和元器件失效分析情況，導(dǎo)致MC33035大電流燒毀失效原因分為三方面：

1）通過器件失效分析可知，失效的芯片內(nèi)部存在大面積分層現(xiàn)象，說明器件經(jīng)歷了長期貯存，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在性能退化。

2）外部D/A輸入信號發(fā)生變化時，伺服板LM111的輸出電壓邏輯狀態(tài)發(fā)生變化，輸出端電流發(fā)生階躍性跳變（即從電流輸入轉(zhuǎn)為電流輸出），與MC33035第8腳通過上拉電阻對第3腳的電流疊加，導(dǎo)致第3腳輸入電流較大，在器件燒毀瞬間實際電流遠遠超出第3腳允許的最大電流。

3）在實際測試和使用過程中，伺服板控制直流無刷電機運動時間較長，在MC33035芯片性能退化情況下，第3引腳通入較大電流，最終導(dǎo)致大電流燒毀。

3 制定措施和落實情況

3.1 糾正情況

1）更換伺服板上故障的MC33035，對伺服板和直流無刷電機進行聯(lián)合測試，性能合格，故障排除。

2）為保證修理后的伺服板質(zhì)量穩(wěn)定，排除潛在故障，在伺服板測試過程中對D/A輸入信號由直流信號變更為交變周期信號，以考察伺服板電機轉(zhuǎn)向控制回路的性能。

3.2 預(yù)防措施

為了避免后續(xù)測試過程中出現(xiàn)因為電機控制器失效而發(fā)生直流無刷電機轉(zhuǎn)向無法控制的情況，對伺服板進行定期檢測與維護，控制伺服板工作時間，避免長時間通電造成驅(qū)動電路影響；對控制信號出現(xiàn)電壓下降的電機控制驅(qū)動芯片進行及時更換，確保伺服板性能工作正常。