電機控制器出現(xiàn)的一種偶發(fā)故障排查與分析

楊德榮

（天津航天鑫茂稀土機電科技有限公司，天津 300384）

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，在一些特殊的使用場合，如醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，可靠性是一項重要指標(biāo)，對生產(chǎn)企業(yè)來說，產(chǎn)品可靠性代表責(zé)任、信譽和效益。因此產(chǎn)品研制過程出現(xiàn)故障時，要求快速、準(zhǔn)確地定位故障原因，并采取有效措施避免故障再次發(fā)生。在工程實際中，電子產(chǎn)品的故障表現(xiàn)形式多種多樣，從故障現(xiàn)象是否容易復(fù)現(xiàn)的角度，將其分為兩類，對于能夠輕易復(fù)現(xiàn)的故障，通過實驗對比的方法，查找原因較為簡單。而另一類故障很難復(fù)現(xiàn)，往往只出現(xiàn)一次或幾次，極難捕獲，原因也較為隱蔽，因而容易被忽視，但它同樣會使產(chǎn)品乃至系統(tǒng)失效，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。我公司研制的一款永磁電機控制器產(chǎn)品串行通信功能在現(xiàn)場運行時曾出現(xiàn)過此類故障，經(jīng)過耐心細致的分析及測試，我們對各種情況逐一排查，最終查清原因，排除了隱患。以下做具體分析。

1 控制器功能及串行通信故障現(xiàn)象概述

1.1 永磁電機控制器工作狀況

永磁電機是總體系統(tǒng)若干執(zhí)行機構(gòu)中的一個，控制器用于驅(qū)動電機，根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號發(fā)出驅(qū)動信號，通過功率開關(guān)依次向電機三相繞組供電，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。該控制器同時具有通信和鍵盤控制方式。與上位總控系統(tǒng)之間通過 RS422串行通信方式傳輸信息，控制器接收總控系統(tǒng)發(fā)出的電機啟動和轉(zhuǎn)速指令，同時向總控系統(tǒng)反饋電機的工作狀態(tài)，包括電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等信息。通信接口硬件原理見圖1。

圖中 SCI_RXD、SCI_RXD信號與處理器串口連接，U7為RS422收發(fā)器件，U6為通信隔離器件，采用隔離電源為通信接口電路供電。全雙工工作模式，實現(xiàn)同時接收控制指令和反饋狀態(tài)信息。其工作特征是，控制器上電復(fù)位后，自動定時向總控系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信息。

1.2 控制器通信故障現(xiàn)象

該控制器已在總體系統(tǒng)中穩(wěn)定運行數(shù)月，在某次例行檢查測試中，控制器突然出現(xiàn)通信連接故障，具體現(xiàn)象為：上位總控系統(tǒng)向電機控制器發(fā)出1280r/min轉(zhuǎn)速指令，電機啟動，上傳指令顯示控制器狀態(tài)正常；上位總控系統(tǒng)再發(fā)出200r/min變速指令時，發(fā)現(xiàn)控制器無響應(yīng)，電機未減速，狀態(tài)信息不上傳，上位總控系統(tǒng)再發(fā)出停機和復(fù)位指令，控制器均不響應(yīng)，顯示通信發(fā)生故障，無法傳輸指令和信息，此時，鍵盤顯示正常。故障狀態(tài)一直保持，其間有2次可以正常上傳信息，后又進入故障狀態(tài)。約20min后，通信恢復(fù)正常，重復(fù)進行上述測試，一切正常。

1.3 故障發(fā)生后補充測試

控制器出現(xiàn)通信故障后又進行了幾百次重復(fù)測試，測試時用示波器同時監(jiān)視圖1中U6前后、U7之后的上傳信號及RS422通信電源電壓共4個點的信號，結(jié)果故障現(xiàn)象未能復(fù)現(xiàn)，4個測試點觀測到的信號完全正常。

圖1 通信接口硬件原理

2 通信故障原因分析與確認

上述故障現(xiàn)象和補充測試表明，該控制器發(fā)生的通信故障具有偶發(fā)性，只出現(xiàn)一次，之后進行的目的為復(fù)現(xiàn)故障的測試中，未能再次捕獲到通信中斷現(xiàn)象，這使得排查故障原因變得相當(dāng)困難。但該款產(chǎn)品可靠性要求很高，通信功能一旦失靈，作為執(zhí)行機構(gòu)的永磁無刷電機將不受控，導(dǎo)致總體系統(tǒng)失效。只要故障現(xiàn)象出現(xiàn)一次，就證明了隱患的存在。我們詳細了解了故障發(fā)生時刻相關(guān)信息，包括操作方法、環(huán)境條件、供電情況等，分析了控制器通信部分的工作原理，按照故障樹自上而下的全系統(tǒng)分析方法，將可能導(dǎo)致通信中斷的原因分為三大類：硬件原因、軟件原因和電磁干擾。具體做出故障樹，按照故障樹對引起通信中斷的原因進行逐一分析。

圖2 故障樹

2.1 控制器軟件檢查測試

電機控制器采用DSP作為處理器，匯編語言編程，程序中利用一個定時器實現(xiàn)控制器定時向總控系統(tǒng)上傳狀態(tài)信息；接收指令設(shè)計為中斷方式，一旦收到總控系統(tǒng)發(fā)出的啟動或停機指令，程序立即響應(yīng)中斷跳入指令處理段。通過對通信相關(guān)程序進行測試和分析，認為控制邏輯簡單清晰、控制合理，編程方面也無漏洞，不會引起通信故障。另一方面，假如通信故障由軟件引起，故障現(xiàn)象不會持續(xù)20min左右自行恢復(fù)，而且同批產(chǎn)品中也不可能只有一臺出現(xiàn)通信故障，因此排除軟件出錯的可能。

2.2 電磁干擾原因分析

電磁干擾是導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障發(fā)生的一個外在電應(yīng)力，對產(chǎn)品的影響可能是永久的，也可能是暫時的，引發(fā)的故障具有偶發(fā)特征，這點與控制器通信故障在一定程度上吻合。但從產(chǎn)品設(shè)計方面，已經(jīng)采取了相應(yīng)的屏蔽、隔離、濾波去藕、地線處理等電磁兼容措施，控制器產(chǎn)品本身抗干擾能力較強；同時，了解到故障發(fā)生時，現(xiàn)場電磁環(huán)境無變化，同在現(xiàn)場的同批次控制器均未出現(xiàn)異常情況，可以排除電磁干擾的可能性。

2.3 控制器硬件檢查

從硬件角度考慮，器件的引腳虛焊、線纜虛接和有關(guān)器件本身質(zhì)量缺陷可能引起偶發(fā)故障，具體到本案，可以分為以下幾種情況分析。

1）控制器內(nèi)部及外接通信線纜虛接

RS422通信方式共4根線與上位總控系統(tǒng)進行上行和下行數(shù)據(jù)通信，整個通道上使用了兩個航空插頭進行連接，根據(jù)經(jīng)驗，航空插頭焊杯與線纜的焊接處是焊接的薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生虛焊、虛接。為此，我們做了兩項檢查。

（1）由總控系統(tǒng)發(fā)出指令啟動電機運行，再發(fā)送不同的轉(zhuǎn)速指令，用示波器監(jiān)視上傳數(shù)據(jù)信號波形，同時用絕緣棒輕輕晃動航空插頭焊杯處線纜，觀測上傳數(shù)據(jù)波形的變化。試驗結(jié)果顯示，通信信號波形正常（圖3），晃動線纜時，未出現(xiàn)通信中斷現(xiàn)象。

圖3 通信上行通道信號波形

（2）停機后仔細檢查兩個航空插頭焊杯處的焊接情況，焊接較好，未發(fā)現(xiàn)焊接線纜連接不牢靠問題。

因此排除通信線纜虛接的可能性。

2）控制器印制板上通信相關(guān)引腳虛焊

控制器印制板上幾乎都是表貼器件，有些是大規(guī)模集成電路，引腳細小密集，如果與通信有關(guān)的個別引腳存在虛焊，也會導(dǎo)致偶發(fā)的通信故障。將該控制器全部器件焊點置于光學(xué)放大鏡下做詳細檢查，重點檢查DSP、RS422收發(fā)器件引腳焊點情況，檢查結(jié)果顯示器件焊接狀況良好，沒有發(fā)現(xiàn)虛焊和短路。詳見圖4、圖5。

圖4 PCB上集成電路焊接形貌1

圖5 PCB上集成電路焊點形貌2

3）通信隔離電源工作狀態(tài)檢查

為保證控制器通信不被干擾，可靠工作，產(chǎn)品設(shè)計時將通信電路做隔離處理，專門設(shè)計了一路5V隔離電源給收發(fā)器供電。若該電源電壓質(zhì)量差或掉電，則必然導(dǎo)致通信中斷。用示波器觀測通信隔離電源在電機運行與停機狀態(tài)的波形，結(jié)果顯示通信電源電壓波形較好，質(zhì)量穩(wěn)定；而且，通信電源與處理器電源電壓出自同一開關(guān)電源，故障發(fā)生時刻處理器電源電壓正常，通信電源并未掉電。

因此排除通信隔離電源異常導(dǎo)致通信故障的可能性。

4）通信相關(guān)器件質(zhì)量檢查

控制電路中與通信有關(guān)的集成芯片包括處理器、隔離器件、收發(fā)器，都屬于塑料封裝半導(dǎo)體集成電路。將控制器拿到專業(yè)的實驗室，對這三種器件進行了聲學(xué)掃描顯微鏡檢查。檢查結(jié)果顯示：DSP處理器、通信隔離器兩種集成電路內(nèi)部引線架與塑封料界面、半導(dǎo)體基板與塑封料界面均連接良好，未出現(xiàn)分層（詳見圖 6、圖 7、圖 8）。RS422通信收發(fā)器集成電路內(nèi)部引線架與塑封料界面出現(xiàn)分層（詳見圖9），圖9中黃色圈住的區(qū)域內(nèi)部顯示紅色的點，表示內(nèi)部集成電路引線與引腳連接處出現(xiàn)分離，這種現(xiàn)象與器件引腳虛焊情況類似，表明連接不可靠，有可能導(dǎo)致通信故障。

圖6 控制板上DSP集成電路聲學(xué)掃描形貌

圖7 通信隔離器集成電路聲學(xué)掃描形貌1

圖8 通信隔離器集成電路聲學(xué)掃描形貌2

圖9 RS422收發(fā)器集成電路聲學(xué)掃描形貌

綜上所述，偶發(fā)的通信故障極有可能是由通信收發(fā)器集成電路內(nèi)部分層引起，為進一步確認故障原因，我們對控制器進行了3個循環(huán)的溫度沖擊試驗，高溫 60℃，低溫-40℃，之后立即進行通信功能測試，結(jié)果出現(xiàn)通信故障，更換收發(fā)器件后，再次測試通信情況，一切正常。這就證實了偶發(fā)的通信故障確由收發(fā)器內(nèi)部分層引起。

進一步的機理分析見圖10。

圖10 塑封半導(dǎo)體集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接示意圖

其中各界面表示含義為

A：芯片與塑封料界面；

B：引線架與塑封料界面；

C：引線架與塑封料界面；

D：基板邊緣與塑封料界面；

E：基板與塑封料界面。

各界面若產(chǎn)生分層，表示內(nèi)部電路布線連接狀態(tài)異常，很可能發(fā)生虛接，直接影響其工作可靠性。如果產(chǎn)生分層的器件再受到溫度應(yīng)力變化的影響，就會使隱性的故障因素顯性化，故障現(xiàn)象由偶發(fā)變?yōu)榇_定。塑封半導(dǎo)體器件產(chǎn)生分層的原因在于器件內(nèi)部殘留少量水分，在溫度應(yīng)力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生微小形變，致使半導(dǎo)體內(nèi)部不同材料連接處分離。

3 預(yù)防改進措施

針對塑封半導(dǎo)體器件由于分層引起電子產(chǎn)品偶發(fā)故障的問題，應(yīng)從幾方面采取措施加以解決和防范：

（1）在可靠性要求高的使用場合，關(guān)鍵電子器件的選型要慎用塑封器件。

（2）器件入廠檢驗時對塑封器件質(zhì)量要重點檢查，剔除有明顯缺陷的器件。

（3）將塑封器件儲存在干燥恒溫的環(huán)境中。

（4）焊接工藝上應(yīng)控制好塑封器件的焊接溫度和時間。

（5）產(chǎn)品出廠前，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進行老練試驗，以發(fā)現(xiàn)早期失效器件。

4 結(jié)論

電子產(chǎn)品的偶發(fā)故障不易捕獲，特別是器件本身存在缺陷時，對于產(chǎn)品設(shè)計者而言不易查清根源，本文分析了電機控制器通信故障發(fā)生的原因，進一步探究了由于塑封半導(dǎo)體器件分層引發(fā)故障的機理。只要從器件選型、檢驗、儲存、工藝等環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施，這一類偶發(fā)故障就可以得到控制，產(chǎn)品可靠度就能得到提高。

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