【电机控制器怎么修】电机控制器意外故障的排除与分析

在电子产品缺陷类别中，偶发障碍是现象的重复性不可能的，所以一般更难找到原因。本文对电机控制器产品中出现的通信偶发现象进行了细致的分析，完善了部件硬件检查结果，得出了故障原因是塑料集成电路内部分层的结论。针对这些问题和隐患，可以采取适当的措施来控制零部件的选择、过滤、存储、工艺等，防止故障，提高产品可靠性。

1引文

随着技术的发展，对电子产品质量的要求越来越高，在医疗、军工等特殊使用场所，可靠性是重要的指标。对生产企业来说，产品可靠性代表责任、信誉和利益。因此，如果产品开发过程出现故障，必须快速准确地找到故障原因，并采取有效措施防止故障再次发生。

工程中电子产品的故障表现多种多样。从症状是否容易再现的角度来看，分为两类。对于容易再现的故障，通过实验比较的方法找到原因更加简单。另一种故障很难再现，有时只出现一次或几次，很难抓住，原因也比较隐蔽，容易被忽略，但此外，产品也会引起系统故障，造成严重后果。(莎士比亚，奥赛罗)。

我公司开发的永磁电机控制器产品串行通信功能在现场运行时出现过这种故障，经过耐心细致的分析和测试，对各种情况一一调查，最终调查了原因，消除了隐患。下面进行具体分析。

2控制器功能和串行通信症状概述

2.1永磁电机控制器工作条件

永磁电机是整个系统的多个执行机构之一，控制器驱动电机，根据检测到的电机转子位置信号发射驱动信号，通过电源开关为电机三相绕组供电，驱动电机旋转。这个控制器既有通信方法，也有键盘控制方法。

通过与父主控制系统的RS422串行通信传输信息，控制器接收主控制系统发出的电机启动和转速命令，并将电压、电流、转速、转速等信息反馈给主控制系统。通信接口硬件原理如图1所示。

度1通信接口硬件原理

图中，SCI_RXD、SCI_RXD信号连接到处理器串行端口，U7是RS422收发器，U6是通信隔离器，隔离电源为通信接口电路供电。全双工操作模式允许同时接收控制命令和反馈状态信息。其特点是控制器复位后自动定期向主控系统发送状态信息。

2.2控制器通信症状

这个控制器在整个系统中稳定运行了数月，在特定的定期检查测试中，控制器突然出现了通信连接故障。特别是上层主系统向电机控制器发出1280rpm旋转命令，电机启动，上传命令显示控制器状态正常。当上级主控系统再次发出200rpm变速命令时，发现控制器没有响应，电机没有减速，状态信息没有上传，上级主控系统再次发出停机和重置命令，控制器没有响应，显示通信故障，命令和信息无法发送。此时键盘显示正常。

残疾状态保持不变，其间可以正常上传两次信息，然后再次进入残疾状态。大约20分钟后，通信恢复正常，重复了上面的测试，一切正常。

2.3故障后的补充测试

控制器出现通信故障后，进行了数百次重复测试，测试时使用示波器同时监测了图1中U6前后、U7后的上传信号和RS422通信电源电压的共4点信号。结果症状无再现，4个测试点观察到的信号完全正常。

3通信失败原因分析与确认

上述症状和补充测试表明，该控制器上发生的通信故障仅间歇性地发生一次，之后发生的目的是为了再现故障，测试无法再次捕获通信中断现象，从而使问题的解决变得困难。但是，该产品对可靠性要求高，通信功能失败时，执行机构永磁无刷电机不受控制，整个系统失效。

只要症状出现一次，就能证明隐患的存在。详细研究了操作方法、环境条件、供电等故障发生点的信息，分析了控制器通信部分的工作原理。根据故障树自上而下的全系统分析方法，通信中断的原因分为硬件原因、软件原因、电磁干扰三大类。具体地说，创建故障树，根据故障树逐一分析通信中断的原因。

图2故障树

3.1控制器软件检查测试

电机控制器使用DSP作为处理器，进行汇编语言编程，程序使用计时器定期将状态信息上传到主控制系统。接收命令是以中断方式设计的，当收到主控制系统发送的启动或停止命令时，立即响应中断，跳转到命令处理段。

测试和分析通信相关程序，认为控制逻辑简单，控制合理，编程方面也没有漏洞，不会引起通信故障。另一方面，如果通信故障是由软件引起的，症状在大约20分钟内无法自行恢复，只有同一产品中的一个不能出现通信故障，因此可以排除软件故障的可能性。

3.2电磁干扰分析

电磁干扰导致电子酸

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征，这点与控制器通信故障在一定程度上吻合。但从产品设计方面，已经采取了相应的屏蔽、隔离、滤波去藕、地线处理等电磁兼容措施，控制器产品本身抗干扰能力较强；同时，了解到故障发生时，现场电磁环境无变化，同在现场的同批次控制器均未出现异常情况，可以排除电磁干扰的可能性。

3.3 控制器硬件检查

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缺陷可能引起偶发故障，具体到本案，可以分为以下几种情况分析。

3.3.1控制器内部及外接通信线缆虚接

RS422通信方式共4根线与上位总控系统进行上行和下行数据通信，整个通道上使用了2个航空插头进行连接，根据经验，航空插头焊杯与线缆的焊接处是焊接的薄弱环节，容易发生虚焊、虚接。为此，我们做了2项检查：

（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信号波形，同时用绝缘棒轻轻晃动航空插头焊杯处线缆，观测上传数据波形的变化。试验结果显示，通信信号波形正常（图3），晃动线缆时，未出现通信中断现象。

图3 通信上行通道信号波形

（2） 停机后仔细检查2个航空插头焊杯处的焊接情况，焊接较好，未发现焊接线缆连接不牢靠问题。因此排除通信线缆虚接的可能性。

3.3.2控制器印制板上通信相关管脚虚焊

控制器印制板上几乎都是表贴器件，有些是大规模集成电路，管脚细小密集，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。将该控制器全部器件焊点置于光学放大镜下做详细检查，重点检查DSP、RS422收发器件管脚焊点情况，检查结果显示器件焊接状况良好，没有发现虚焊和短路。详见图4、图5。

图4 PCB板上集成电路焊接形貌1

图5 PCB板上集成电路焊点形貌2

3.3.3通信隔离电源工作状态检查

为保证控制器通信不被干扰，可靠工作，产品设计时将通信电路做隔离处理，专门设计了一路5V隔离电源给收发器供电。

若该电源电压质量差或掉电，必然导致通信中断。用示波器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，故障发生时刻处理器电源电压正常，通信电源并未掉电。

因此排除通信隔离电源异常导致通信故障的可能性。

3.3.4通信相关器件质量检查

控制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。将控制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查。

检查结果显示：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，未出现分层（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出现分层（详见图9），图9中黄色圈住的区域内部显示红色的点，表示内部集成电路引线与管脚连接处出现分离，这种现象与器件管脚虚焊情况类似，表明连接不可靠，有可能导致通信故障。

图6 控制板上DSP集成电路声学扫描形貌

图7 通信隔离器集成电路声学扫描形貌1

图8 通信隔离器集成电路声学扫描形貌2

图9 RS422收发器集成电路声学扫描形貌

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，为进一步确认故障原因，我们对控制器进行了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，结果出现通信故障，更换收发器件后，再次测试通信情况，一切正常。这就证实了偶发的通信故障确由收发器内部分层引起。

进一步的机理分析见图10。

图10 塑封半导体集成电路内部结构连接示意图

其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异常，很可能发生虚接，直接影响其工作可靠性。如果产生分层的器件再受到温度应力变化的影响，就会使隐性的故障因素显性化，故障现象由偶发变为确定。

塑封半导体器件产生分层的原因在于器件内部残留少量水分，在温度应力作用下，内部产生微小形变，致使半导体内部不同材料连接处分离。

4 预防改进措施

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，应从几方面采取措施加以解决和防范：

（1）在可靠性要求高的使用场合，关键电子器件的选型要慎用塑封器件；

（2）器件入厂检验时对塑封器件质量要重点检查，剔除有明显缺陷的器件；

（3）将塑封器件储存在干燥恒温的环境中；

（4）焊接工艺上应控制好塑封器件的焊接温度和时间。

（5）产品出厂前，要严格按照标准进行老练试验，以发现早期失效器件。

5 结论

电子产品的偶发故障不易捕获，特别是器件本身存在缺陷时，对于产品设计者而言不易查清根源，本文分析了电机控制器通信故障发生的原因，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、检验、储存、工艺等环节采取相应措施，这一类偶发故障就可以得到控制，产品可靠度得以提高。

（本文编自《电气技术》，作者为杨德荣。）