№21C?S 型絡筒機槽筒電機驅動板的維修

曲延昌 杜紅梅

（1.山東工業職業學院，山東淄博， 256416；2.淄博市職業教育研究院，山東淄博， 255046）

村田№21C?S 型自動絡筒機具有車速高、維護量小、故障率低等優點，生產出的紗線成形好、張力均勻，在我國多用于高端棉紡織品的生產。前些年，我國各地紡織企業對這種設備進行了大量的引進，現在不少設備已陸續進入維修保養期，但外方出于技術保密和經濟因素的考慮，并不主張我國企業自行對故障設備進行維修，這給國內企業的生產帶來了極大的被動性。本研究對槽筒電機驅動板進行了剖析，分析了其工作原理，并對幾種典型故障給出了維修實例。

1 電氣框圖

村田№21C?S 型絡筒機中槽筒電機（drum motor）使用的是調速性能優良的無刷直流電機，圖1 是無刷直流電機驅動常用的硬件系統框圖［1］。

圖1 無刷直流電機硬件系統框圖

主電路由交流電源、整流橋、逆變橋組成，輸入的交流電先經過整流電路整流后變換為直流電，逆變橋將此直流電變換后輸出，用來驅動無刷直流電機。微處理器CPU 是整個控制電路的核心，它產生三相脈沖寬度調制（PWM）邏輯信號，經驅動電路緩沖后形成逆變橋的輸入信號，逆變橋驅動無刷直流電機。微處理器會根據逆變橋的電流信號與設定值進行比較，通過軟件進行邏輯判斷，輸出合適的PWM 脈沖。如果電流超出安全范圍，就會中止三相邏輯脈沖信號的輸出，強制關閉逆變橋。位置檢測電路可實時將轉子位置信號傳送給CPU，CPU 根據接收到的轉子位置信息生成正確的三相PWM 脈沖序列。過熱電路和轉速電路可向CPU 傳遞電機繞組溫度信號和轉速信號。如果檢測到異常（如繞組過熱），CPU 就停止輸出三相PWM 邏輯信號。接口電路是本板與上位機的通信通道，負責本機與上位機之間的信息交換［2］。

2 電氣原理分析

村田№21C?S 型絡筒機中槽筒電機的驅動板型號是21C?N1100?501，其對無刷直流電機的驅動、控制原理與前述基本一致，只是具體電路存在差異。圖2 是根據驅動板PCB 實物繪制的槽筒電機的驅動與保護電路（局部）。IC2 是CPU，輸出三相驅動給逆變橋。

圖2 槽筒電機驅動與保護電路（局部）

IC2 的12 腳是模擬量輸入端，如果直流母線電壓欠、過壓或者是逆變橋輸出電流過流，IC2 立即中止逆變脈沖的輸出。IC2 的3 腳是電流信號輸入端，內接誤差放大器。放大后的電流信號經過數字化處理后，影響驅動脈沖的占空比，從而實現對電機的調速。IC4 是一款混合功率模塊［3］，內部有三相逆變橋，用6 路信號驅動，有效驅動電平是低電平，即當輸入驅動信號是低電平時，驅動橋的橋臂開關導通；驅動信號是高電平時，橋臂開關關閉。另外，IC4 內部還有一部分模擬/數字電路，它既有能輸出反映封裝內電路過流、過熱及欠壓等故障的數字信號FAULT，又有能輸出反映逆變橋電流的模擬信號ISO。IC5 是電壓比較器，負責產生過流封鎖信號。R40 和R41 構成分壓電路，在比較器的正極端產生一參考電壓，作為三相逆變橋輸出電流的過流閾值。如果逆變橋輸出電流正常，則加到比較器負極端的電壓低于閾值，比較器輸出高電平，三極管Q2（帶阻型開關PNP）截止，其集電極輸出電壓是0 V，相當于低電平，對IC11 邏輯或門的輸入來說，相當于無效輸入電平，逆變橋高側開關管的驅動脈沖就是IC2 輸出的三相驅動脈沖經過IC11 緩沖后的信號。如果逆變橋的輸出過流，IC4 的12 腳輸出電壓偏高，如果高于保護閾值，則IC5 的輸出立即變低，成為低電平，Q2 導通，其集電極電位變成高電平，IC11 中的3 個或門因輸入為高電平，即使此時IC2 輸出的驅動信號是有效的低電平，IC11 輸出也將保持高電平，三相驅動脈沖被封鎖，IC4 的驅動信號失效，內部的逆變橋中止工作。這種電路設計的好處是，在逆變橋出現輸出過流時，三相逆變橋中止工作的信號不是通過CPU 內部繁瑣的軟件邏輯判斷給出，而是由外部的硬件電路直接產生封鎖信號，因而動作更迅速，保護更徹底，這對逆變橋的保護是十分有效的。

圖3 是根據驅動板PCB 實物繪制出的電路圖。圖3（a）是與槽筒電機反饋信號有關的電路細節，脈沖編碼調制（PCSD）外接的是電機的信號電纜，輸入的信號包括三路轉子位置信號和一路繞組溫度信號。轉子位置通過安裝在電機內部的3 個霍爾開關檢測，正常情況下，三路信號的電氣參數完全一致，分別經施密特觸發器后送入IC2。通過信號發生器可產生一個模擬信號，分別加載到PCSD 的2 引腳、3 引腳、4 引腳，用示波器測量IC2 的35 引腳、37 引腳、39 引腳上的信號，并進行比較，可知有關電路是否正常工作。PC?DR 外接的是轉速傳感器，該信號除了送入IC2外，還通過接口送到上位機。

圖3（b）和圖3（c）是根據驅動板PCB 實物繪制出的低壓電源原理圖。+280 V 是高壓直流母線電壓，主要為電機供電。為逆變橋驅動電路和霍爾開關供電的+15 V 直流電壓則是經DC/DC變換器MIP0223S［4］將母線電壓進行變換獲得。為CPU 及邏輯芯片供電的+5 V 直流電壓則是經開 關 穩 壓 器NJM2360AD［5］從+15 V 變 換 獲 得。該板與上位機的接口電路比較簡單，主要提供通信、槽筒電機及直流電壓等信息，也包括啟動信號等。該板還包括凸輪電機的驅動電路，也是采用一塊混合IC 電路，原理與槽筒電機的基本一樣，只是逆變橋容量較小，型號不同，此處略述。

圖3 相關電路圖

3 故障維修

盡管電路設計周密，保護措施完善，但由于工作環境潮濕，以及受粉塵、靜電等因素的影響，再加上元件老化等原因，槽筒電機驅動板在使用一段時間后會出故障。然而出于保密的原因，設備生產商隨機提供的技術資料只給出故障代碼，對于維修所需的電氣原理圖和故障檢修流程等資料則概不提供。有些企業曾嘗試對故障電路板進行維修，但由于各方面原因，效果并不理想。有些企業與技術優勢明顯的高校合作，實現了大部分故障板的芯片級維修，節省了大量費用。實踐證明，這種做法是可行的，以下是部分維修實例。

3.1 逆變橋功率模塊擊穿

故障現象：逆變橋功率模塊的上殼爆裂，多個管腳上有可見的黑色污跡。

分析與檢修：根據故障現象，逆變模塊爆裂，說明故障發生時，管芯內部瞬間有大量的熱量產生。黑色污跡是電弧放電造成的。這種故障可能的產生原因有兩個：一是槽筒電機突然停轉，其繞組中的再生發電電勢造成高壓直流母線瞬間過壓，擊穿逆變橋中的開關管；二是局部管芯發熱異常，形成熱斑，開關性能變差，與同一橋臂上的開關管直通短路。解決的辦法是除了更換新的逆變橋模塊，還要測試直流母線的尖峰吸收電容的有效容量，如果容量不足，需要更換合格的電容。另外逆變橋功率模塊爆裂產生的電弧，也有可能危及周圍電路，因此，還需要重點檢查逆變橋模塊周圍元件，包括電流信號ISO 的傳輸路徑及IC5 等，確認無誤后，方可加電試運行。

3.2 主機顯示故障代碼“6B”

分析與檢修：故障代碼“6B”系CS 傳感器脈沖輸入錯誤。CS 傳感器是轉子位置傳感器，位于電機內部，系統能報此故障，在于檢測到的信號異常，比如高、低電平對應的電壓值不符合要求。在電路中，為保證安全，設置了限幅電路（DN5、DN6、DN7 等），還通過施密特觸發器（IC6）提高抗干擾能力。 檢修時離線測試使用外加的+15 V 直流電壓，在PCSD 的2 引腳、3 引腳、4引腳上加模擬開關信號時，在IC2 的35 引腳、37引腳、39 引腳上測得的信號是正常的，但當上機后運行約半個小時，系統仍然報原故障代碼。這說明傳感器開關沒問題。通過現場測試發現+15 V 直流電壓上有明顯的紋波，這是該直流電源輸出端濾波欠佳的表現，反映在傳感器的輸出波形上，則是高低電平的紊亂。C77 是唯一的濾波電容，如果該電容有效容量變小，就會出現上述現象。此處提醒，更換的電容應盡量與原型號相同，如果沒有原型號電容，則優選高頻低感型電容，如果再加裝一個多層陶瓷電容器，與C77 并聯，則濾波效果會立即改善，故障消失。

3.3 主機頻繁顯示故障代碼“66”

分析與檢修：故障代碼“66”系指電機沒有在設定的轉速下運行。造成電機轉速不足的原因既有機械方面的，如阻力太大，也有電氣方面的原因，如驅動脈沖占空比太小，以及速度傳感器有問題。根據現場測試情況，排除了機械方面的原因。用示波器觀察轉速傳感器的輸出信號（位于PCSD 的2 腳），波形規整，沒有問題。再檢查其他電路發現，Q2 的集電極有很窄的正脈沖輸出，這個脈沖在每個驅動周期的末期出現，對驅動脈沖直接封鎖，這相當于逆變橋驅動脈沖占空比變小，電機轉速降低。造成故障的原因除了要查看過流信號ISO 外，還要檢查電壓比較器IC5 和三極管Q2。經過比對，故障的原因是IC5 性能不良造成的意外輸出。更換IC5 后，故障消失。

3.4 主機顯示故障代碼“80”

分析與檢修：故障代碼“80”系“與MPC 的通信超時”。槽筒電機驅動板是整個控制系統的一部分，在運行時，板上的CPU 與主機MPC 時刻保持通信聯系，一方面接收主機的控制命令，另一方面也把運行參數上傳給主機。每次開機后，主機發出查詢指令，等待本機回應，如果在一定時間內沒有得到本機回應，主機就報通信超時故障。本機未向主機發出回應信號，說明本機CPU 沒工作或程序丟失，檢查的重點是先檢查CPU 的供電電路，見圖3（c）。本機CPU 采用+5 V 供電，用萬用表測+5 V 端的實際電壓，表顯是0 V。根據電路圖，進一步檢查+15 V 端的電壓，也是0 V，再檢查，發現IC9（型號MIP0223）3 腳（D 極）存在虛焊現象，處理好后，故障消失。

4 結束語

№21C?S 型自動絡筒機當前在國內得到較廣泛使用，隨著使用年限的延長，絡筒機電氣方面的故障開始顯現，對維修保養人員的要求日益提高。只有從原理上弄清，才能更好進行相關維修和保養。根據PCB 實物可以繪制出絡筒電機驅動電路板的電氣原理圖，通過分析各部分的工作原理，可對常見故障提出維修建議和思路。一些成功維修的實例說明，依靠自身的技術力量，對國外設備的線路板故障進行芯片級維修是可行的。