电机控制器出现的一种偶发故障排查与分析

在工程实际中，电子产品的故障表现形式多种多样，从故障征象是否随意马虎复现的角度，将其分为两类，对付能够轻易复现的故障，通过实验比拟的方法，查找缘故原由较为大略。
而另一类故障很难复现，每每只涌现一次或几次，极难捕获，缘故原由也较为暗藏，因而随意马虎被忽略，但它同样会使产品乃至系统失落效，导致严重后果。

我公司研制的一款永磁电机掌握器产品串行通信功能在现场运行时曾涌现过此类故障，经由耐心细致的剖析及测试，我们对各种情形逐一排查，终极查清缘故原由，打消了隐患。
以下做详细剖析。

2.1 永磁电机掌握器事情状况

永磁电机是总体系统多少实行机构中的一个，掌握器用于驱动电机，根据检测到的电机转子位置旗子暗记发出驱动旗子暗记，通过功率开关依次向电机三相绕组供电，驱动电机迁徙改变。
该掌握器同时具有通信和键盘掌握办法。

与上位总控系统之间通过RS422串行通信办法传输信息，掌握器吸收总控系统发出的电机启动和转速指令，同时向总控系统反馈电机的事情状态，包括电压、电流、转速、转向等信息。
通信接口硬件事理见图1。

图1 通信接口硬件事理

图中SCI_RXD、SCI_RXD旗子暗记与处理器串口连接， U7为RS422收发器件，U6为通信隔离器件，采取隔离电源为通信接口电路供电。
全双工事情模式，实现同时吸收掌握指令和反馈状态信息。
其事情特色是，掌握器上电复位后，自动定时向总控系统发送状态信息。

2.2 掌握器通信故障征象

该掌握器已在总体系统中稳定运行数月，在某次例行检讨测试中，掌握器溘然涌现通信连接故障，具表示象为：上位总控系统向电机掌握器发出1280rpm转速指令，电机启动，上传指令显示掌握器状态正常；上位总控系统再发出200rpm变速指令时，创造掌握器无相应，电机未减速，状态信息不上传，上位总控系统再发出停机和复位指令，掌握器均不相应，显示通信发生故障，无法传输指令和信息，此时，键盘显斧正常。

故障状态一贯保持，其间有2次可以正常上传信息，后又进入故障状态。
约20分钟后，通信规复正常，重复进行上述测试，统统正常。

2.3 故障发生后补充测试

掌握器涌现通信故障后又进行了几百次重复测试，测试时用示波器同时监视图1中U6前后、U7之后的上传旗子暗记及RS422通信电源电压共4个点的旗子暗记，结果故障征象未能复现，4个测试点不雅观测到的旗子暗记完备正常。

上述故障征象和补充测试表明，该掌握器发生的通信故障具有偶发性，只涌现一次，之后进行的目的为复现故障的测试中，未能再次捕获到通信中断征象，这使得排查故障缘故原由变得相称困难。
但该款产品可靠性哀求很高，通信功能一旦失落灵，作为实行机构的永磁无刷电机将不受控，导致总体系统失落效。

只要故障征象涌现一次，就证明了隐患的存在。
我们详细理解了故障发生时候干系信息，包括操作方法、环境条件、供电情形等，剖析了掌握器通信部分的事情事理，按照故障树自上而下的全部系剖析方法，将可能导致通信中断的缘故原由分为三大类：硬件缘故原由、软件缘故原由和电磁滋扰。
详细做出故障树，按照故障树对引起通信中断的缘故原由进行逐一剖析。

图2 故障树

3.1 掌握器软件检讨测试

电机掌握器采取DSP作为处理器，汇编措辞编程，程序中利用一个定时器实现掌握器定时向总控系统上传状态信息；吸收指令设计为中断办法，一旦收到总控系统发出的启动或停机指令，程序立即相应中断跳入指令处理段。

通过对通信干系程序进行测试和剖析，认为掌握逻辑大略清晰、掌握合理，编程方面也无漏洞，不会引起通信故障。
另一方面，如果通信故障由软件引起，故障征象不会持续20分钟旁边自行规复，而且同批产品中也不可能只有一台涌现通信故障，因此打消软件出错的可能。

3.2 电磁滋扰缘故原由剖析

电磁滋扰是导致电子产品故障发生的一个外在电应力，对产品的影响可能是永久的，也可能是暂时的，引发的故障具有偶发特色，这点与掌握器通信故障在一定程度上吻合。
但从产品设计方面，已经采纳了相应的屏蔽、隔离、滤波去藕、地线处理等电磁兼容方法，掌握器产品本身抗滋扰能力较强；同时，理解到故障发生时，现场电磁环境无变革，同在现场的同批次掌握器均未涌现非常情形，可以打消电磁滋扰的可能性。

3.3 掌握器硬件检讨

从硬件角度考虑，器件的管脚虚焊、线缆虚接和有关器件本身质量毛病可能引起偶发故障，详细到本案，可以分为以下几种情形剖析。

3.3.1掌握器内部及外接通信线缆虚接

RS422通信办法共4根线与上位总控系统进行上行和下行数据通信，全体通道上利用了2个航空插头进行连接，根据履历，航空插头焊杯与线缆的焊接处是焊接的薄弱环节，随意马虎发生虚焊、虚接。
为此，我们做了2项检讨：

（1） 由总控系统发出指令启动电机运行，再发送不同的转速指令，用示波器监视上传数据旗子暗记波形，同时用绝缘棒轻轻晃动航空插头焊杯处线缆，不雅观测上传数据波形的变革。
试验结果显示，通信旗子暗记波形正常（图3），晃动线缆时，未涌现通信中断征象。

图3 通信上行通道旗子暗记波形

（2） 停机后仔细检讨2个航空插头焊杯处的焊接情形，焊接较好，未创造焊接线缆连接不牢固问题。
因此打消通信线缆虚接的可能性。

3.3.2掌握器印制板上通信干系管脚虚焊

掌握器印制板上险些都是表贴器件，有些是大规模集成电路，管脚眇小密集，如果与通信有关的个别管脚存在虚焊，也会导致偶发的通信故障。
将该掌握器全部器件焊点置于光学放大镜下做详细检讨，重点检讨DSP、RS422收发器件管脚焊点情形，检讨结果显示器件焊接状况良好，没有创造虚焊和短路。
详见图4、图5。

图4 PCB板上集成电路焊接描述1

图5 PCB板上集成电路焊点描述2

3.3.3通信隔离电源事情状态检讨

为担保掌握器通信不被滋扰，可靠事情，产品设计时将通信电路做隔离处理，专门设计了一起5V隔离电源给收发器供电。

若该电源电压质量差或掉电，一定导致通信中断。
用示波器不雅观测通信隔离电源在电机运行与停机状态的波形，结果显示通信电源电压波形较好，质量稳定；而且，通信电源与处理器电源电压出自同一开关电源，故障发生时候处理器电源电压正常，通信电源并未掉电。

因此打消通信隔离电源非常导致通信故障的可能性。

3.3.4通信干系器件质量检讨

掌握电路中与通信有关的集成芯片包括处理器、隔离器件、收发器，都属于塑料封装半导体集成电路。
将掌握器拿到专业的实验室，对这三种器件进行了声学扫描显微镜检讨。

检讨结果显示：DSP处理器、通信隔离器2种集成电路内部引线架与塑封料界面、半导体基板与塑封料界面均连接良好，未涌现分层（详见图6 图7 图8）；RS422通信收发器集成电路内部引线架与塑封料界面涌现分层（详见图9），图9中黄色圈住的区域内部显示赤色的点，表示内部集成电路引线与管脚连接处涌现分离，这种征象与器件管脚虚焊情形类似，表明连接不可靠，有可能导致通信故障。

图6 掌握板上DSP集成电路声学扫描描述

图7 通信隔离器集成电路声学扫描描述1

图8 通信隔离器集成电路声学扫描描述2

图9 RS422收发器集成电路声学扫描描述

综上所述，偶发的通信故障极有可能是由通信收发器集成电路内部分层引起，为进一步确认故障缘故原由，我们对掌握器进行了3个循环的温度冲击试验，高温60℃、低温-40℃，之后立即进行通信功能测试，结果涌现通信故障，改换收发器件后，再次测试通信情形，统统正常。
这就证明了偶发的通信故障确由收发器内部分层引起。

进一步的机理剖析见图10。

图10 塑封半导体集成电路内部构造连接示意图

个中各界面表示含义是：A为芯片与塑封料界面；B为引线架与塑封料界面；C为引线架与塑封料界面；D为基板边缘与塑封料界面；E为基板与塑封料界面。

各界面若产生分层，表示内部电路布线连接状态非常，很可能发生虚接，直接影响其事情可靠性。
如果产生分层的器件再受到温度应力变革的影响，就会使隐性的故障成分显性化，故障征象由偶发变为确定。

塑封半导体器件产生分层的缘故原由在于器件内部残留少量水分，在温度应力浸染下，内部产生眇小形变，致使半导体内部门歧材料连接处罚离。

针对塑封半导体器件由于分层引起电子产品偶发故障的问题，应从几方面采纳方法加以办理和戒备：

（1）在可靠性哀求高的利用场合，关键电子器件的选型要慎用塑封器件；

（2）器件入厂考验时对塑封器件质量要重点检讨，剔除有明显毛病的器件；

（3）将塑封器件储存在干燥恒温的环境中；

（4）焊接工艺上应掌握好塑封器件的焊接温度和韶光。

（5）产品出厂前，要严格按照标准进行老练试验，以创造早期失落效器件。

电子产品的偶发故障不易捕获，特殊是器件本身存在毛病时，对付产品设计者而言不易查清根源，本文剖析了电机掌握器通信故障发生的缘故原由，进一步探究了由于塑封半导体器件分层引发故障的机理。
只要从器件选型、考验、储存、工艺等环节采纳相应方法，这一类偶发故障就可以得到掌握，产品可靠度得以提高。

（本文编自《电气技能》，作者为杨德荣。
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