№21C?S 型絡(luò)筒機(jī)槽筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的維修

曲延昌 杜紅梅

（1.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東淄博， 256416；2.淄博市職業(yè)教育研究院，山東淄博， 255046）

村田№21C?S 型自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)具有車速高、維護(hù)量小、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)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(chǎn)。前些年，我國各地紡織企業(yè)對這種設(shè)備進(jìn)行了大量的引進(jìn)，現(xiàn)在不少設(shè)備已陸續(xù)進(jìn)入維修保養(yǎng)期，但外方出于技術(shù)保密和經(jīng)濟(jì)因素的考慮，并不主張我國企業(yè)自行對故障設(shè)備進(jìn)行維修，這給國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)帶來了極大的被動(dòng)性。本研究對槽筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)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(shí)例。

1 電氣框圖

村田№21C?S 型絡(luò)筒機(jī)中槽筒電機(jī)（drum motor）使用的是調(diào)速性能優(yōu)良的無刷直流電機(jī)，圖1 是無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)常用的硬件系統(tǒng)框圖［1］。

圖1 無刷直流電機(jī)硬件系統(tǒng)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(jīng)過整流電路整流后變換為直流電，逆變橋?qū)⒋酥绷麟娮儞Q后輸出，用來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。微處理器CPU 是整個(gè)控制電路的核心，它產(chǎn)生三相脈沖寬度調(diào)制（PWM）邏輯信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路緩沖后形成逆變橋的輸入信號，逆變橋驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。微處理器會(huì)根據(jù)逆變橋的電流信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過軟件進(jìn)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(huì)中止三相邏輯脈沖信號的輸出，強(qiáng)制關(guān)閉逆變橋。位置檢測電路可實(shí)時(shí)將轉(zhuǎn)子位置信號傳送給CPU，CPU 根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)子位置信息生成正確的三相PWM 脈沖序列。過熱電路和轉(zhuǎn)速電路可向CPU 傳遞電機(jī)繞組溫度信號和轉(zhuǎn)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(jī)的通信通道，負(fù)責(zé)本機(jī)與上位機(jī)之間的信息交換［2］。

2 電氣原理分析

村田№21C?S 型絡(luò)筒機(jī)中槽筒電機(jī)的驅(qū)動(dòng)板型號是21C?N1100?501，其對無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、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(jù)驅(qū)動(dòng)板PCB 實(shí)物繪制的槽筒電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路（局部）。IC2 是CPU，輸出三相驅(qū)動(dòng)給逆變橋。

圖2 槽筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(nèi)接誤差放大器。放大后的電流信號經(jīng)過數(shù)字化處理后，影響驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速。IC4 是一款混合功率模塊［3］，內(nèi)部有三相逆變橋，用6 路信號驅(qū)動(dòng)，有效驅(qū)動(dòng)電平是低電平，即當(dāng)輸入驅(qū)動(dòng)信號是低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋的橋臂開關(guān)導(dǎo)通；驅(qū)動(dòng)信號是高電平時(shí)，橋臂開關(guān)關(guān)閉。另外，IC4 內(nèi)部還有一部分模擬/數(shù)字電路，它既有能輸出反映封裝內(nèi)電路過流、過熱及欠壓等故障的數(shù)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(fù)責(zé)產(chǎn)生過流封鎖信號。R40 和R41 構(gòu)成分壓電路，在比較器的正極端產(chǎn)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(fù)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(guān)PNP）截止，其集電極輸出電壓是0 V，相當(dāng)于低電平，對IC11 邏輯或門的輸入來說，相當(dāng)于無效輸入電平，逆變橋高側(cè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖就是IC2 輸出的三相驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)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(hù)閾值，則IC5 的輸出立即變低，成為低電平，Q2 導(dǎo)通，其集電極電位變成高電平，IC11 中的3 個(gè)或門因輸入為高電平，即使此時(shí)IC2 輸出的驅(qū)動(dòng)信號是有效的低電平，IC11 輸出也將保持高電平，三相驅(qū)動(dòng)脈沖被封鎖，IC4 的驅(qū)動(dòng)信號失效，內(nèi)部的逆變橋中止工作。這種電路設(shè)計(jì)的好處是，在逆變橋出現(xiàn)輸出過流時(shí)，三相逆變橋中止工作的信號不是通過CPU 內(nèi)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(chǎn)生封鎖信號，因而動(dòng)作更迅速，保護(hù)更徹底，這對逆變橋的保護(hù)是十分有效的。

圖3 是根據(jù)驅(qū)動(dòng)板PCB 實(shí)物繪制出的電路圖。圖3（a）是與槽筒電機(jī)反饋信號有關(guān)的電路細(xì)節(jié)，脈沖編碼調(diào)制（PCSD）外接的是電機(jī)的信號電纜，輸入的信號包括三路轉(zhuǎn)子位置信號和一路繞組溫度信號。轉(zhuǎn)子位置通過安裝在電機(jī)內(nèi)部的3 個(gè)霍爾開關(guān)檢測，正常情況下，三路信號的電氣參數(shù)完全一致，分別經(jīng)施密特觸發(fā)器后送入IC2。通過信號發(fā)生器可產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)行比較，可知有關(guān)電路是否正常工作。PC?DR 外接的是轉(zhuǎn)速傳感器，該信號除了送入IC2外，還通過接口送到上位機(jī)。

圖3（b）和圖3（c）是根據(jù)驅(qū)動(dòng)板PCB 實(shí)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(jī)供電。為逆變橋驅(qū)動(dòng)電路和霍爾開關(guān)供電的+15 V 直流電壓則是經(jīng)DC/DC變換器MIP0223S［4］將母線電壓進(jìn)行變換獲得。為CPU 及邏輯芯片供電的+5 V 直流電壓則是經(jīng)開 關(guān) 穩(wěn) 壓 器NJM2360AD［5］從+15 V 變 換 獲 得。該板與上位機(jī)的接口電路比較簡單，主要提供通信、槽筒電機(jī)及直流電壓等信息，也包括啟動(dòng)信號等。該板還包括凸輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，也是采用一塊混合IC 電路，原理與槽筒電機(jī)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(guān)電路圖

3 故障維修

盡管電路設(shè)計(jì)周密，保護(hù)措施完善，但由于工作環(huán)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(jī)驅(qū)動(dòng)板在使用一段時(shí)間后會(huì)出故障。然而出于保密的原因，設(shè)備生產(chǎn)商隨機(jī)提供的技術(shù)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(yè)曾嘗試對故障電路板進(jìn)行維修，但由于各方面原因，效果并不理想。有些企業(yè)與技術(shù)優(yōu)勢明顯的高校合作，實(shí)現(xiàn)了大部分故障板的芯片級維修，節(jié)省了大量費(fèi)用。實(shí)踐證明，這種做法是可行的，以下是部分維修實(shí)例。

3.1 逆變橋功率模塊擊穿

故障現(xiàn)象：逆變橋功率模塊的上殼爆裂，多個(gè)管腳上有可見的黑色污跡。

分析與檢修：根據(jù)故障現(xiàn)象，逆變模塊爆裂，說明故障發(fā)生時(shí)，管芯內(nèi)部瞬間有大量的熱量產(chǎn)生。黑色污跡是電弧放電造成的。這種故障可能的產(chǎn)生原因有兩個(gè)：一是槽筒電機(jī)突然停轉(zhuǎn)，其繞組中的再生發(fā)電電勢造成高壓直流母線瞬間過壓，擊穿逆變橋中的開關(guān)管；二是局部管芯發(fā)熱異常，形成熱斑，開關(guān)性能變差，與同一橋臂上的開關(guān)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(chǎn)生的電弧，也有可能危及周圍電路，因此，還需要重點(diǎn)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(rèn)無誤后，方可加電試運(yùn)行。

3.2 主機(jī)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(cuò)誤。CS 傳感器是轉(zhuǎn)子位置傳感器，位于電機(jī)內(nèi)部，系統(tǒng)能報(bào)此故障，在于檢測到的信號異常，比如高、低電平對應(yīng)的電壓值不符合要求。在電路中，為保證安全，設(shè)置了限幅電路（DN5、DN6、DN7 等），還通過施密特觸發(fā)器（IC6）提高抗干擾能力。 檢修時(shí)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(guān)信號時(shí)，在IC2 的35 引腳、37引腳、39 引腳上測得的信號是正常的，但當(dāng)上機(jī)后運(yùn)行約半個(gè)小時(shí)，系統(tǒng)仍然報(bào)原故障代碼。這說明傳感器開關(guān)沒問題。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)+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(xiàn)，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(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。此處提醒，更換的電容應(yīng)盡量與原型號相同，如果沒有原型號電容，則優(yōu)選高頻低感型電容，如果再加裝一個(gè)多層陶瓷電容器，與C77 并聯(lián)，則濾波效果會(huì)立即改善，故障消失。

3.3 主機(jī)頻繁顯示故障代碼“66”

分析與檢修：故障代碼“66”系指電機(jī)沒有在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。造成電機(jī)轉(zhuǎn)速不足的原因既有機(jī)械方面的，如阻力太大，也有電氣方面的原因，如驅(qū)動(dòng)脈沖占空比太小，以及速度傳感器有問題。根據(jù)現(xiàn)場測試情況，排除了機(jī)械方面的原因。用示波器觀察轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號（位于PCSD 的2 腳），波形規(guī)整，沒有問題。再檢查其他電路發(fā)現(xiàn)，Q2 的集電極有很窄的正脈沖輸出，這個(gè)脈沖在每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期的末期出現(xiàn)，對驅(qū)動(dòng)脈沖直接封鎖，這相當(dāng)于逆變橋驅(qū)動(dòng)脈沖占空比變小，電機(jī)轉(zhuǎn)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(jīng)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(jī)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(shí)”。槽筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是整個(gè)控制系統(tǒng)的一部分，在運(yùn)行時(shí)，板上的CPU 與主機(jī)MPC 時(shí)刻保持通信聯(lián)系，一方面接收主機(jī)的控制命令，另一方面也把運(yùn)行參數(shù)上傳給主機(jī)。每次開機(jī)后，主機(jī)發(fā)出查詢指令，等待本機(jī)回應(yīng)，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有得到本機(jī)回應(yīng)，主機(jī)就報(bào)通信超時(shí)故障。本機(jī)未向主機(jī)發(fā)出回應(yīng)信號，說明本機(jī)CPU 沒工作或程序丟失，檢查的重點(diǎn)是先檢查CPU 的供電電路，見圖3（c）。本機(jī)CPU 采用+5 V 供電，用萬用表測+5 V 端的實(shí)際電壓，表顯是0 V。根據(jù)電路圖，進(jìn)一步檢查+15 V 端的電壓，也是0 V，再檢查，發(fā)現(xiàn)IC9（型號MIP0223）3 腳（D 極）存在虛焊現(xiàn)象，處理好后，故障消失。

4 結(jié)束語

№21C?S 型自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)當(dāng)前在國內(nèi)得到較廣泛使用，隨著使用年限的延長，絡(luò)筒機(jī)電氣方面的故障開始顯現(xiàn)，對維修保養(yǎng)人員的要求日益提高。只有從原理上弄清，才能更好進(jìn)行相關(guān)維修和保養(yǎng)。根據(jù)PCB 實(shí)物可以繪制出絡(luò)筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)例說明，依靠自身的技術(shù)力量，對國外設(shè)備的線路板故障進(jìn)行芯片級維修是可行的。