海寶HPR260XD等離子主板“116”報(bào)警的芯片級(jí)維修技術(shù)研究

粟小寶

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

海寶HPR260XD等離子是美國海寶生產(chǎn)的一款精細(xì)等離子電源，最大切割電流260安培，適宜切割0.5～64 mm金屬材料。因具有高精細(xì)低熔渣切割質(zhì)量及優(yōu)異的切割速度表現(xiàn)，該等離子電源廣泛用于各類高端精細(xì)等離子切割機(jī)（系統(tǒng)）。在實(shí)際使用過程中控制主板041993故障導(dǎo)致的“116”報(bào)警是海寶等離子電源常見故障之一。查閱海寶HPR260XD Manual Gas使用手冊(cè)[1]的錯(cuò)誤代碼診斷表可知，“116”報(bào)警代碼指“控制主板與氣控臺(tái)之間的CAN通訊系統(tǒng)出錯(cuò)”，手冊(cè)建議“檢查并更換控制主板、氣體控制臺(tái)主板、CAN通訊電纜三個(gè)方面”。關(guān)于該主板芯片級(jí)維修文獻(xiàn)是空白，之前因控制主板故障引發(fā)HPR260XD電源的“116”報(bào)警只能通過更換控制主板方式解決。由于控制主板是進(jìn)口部件，不僅價(jià)格高而且供貨周期長(zhǎng)，亟需開發(fā)一套針對(duì)“116”的報(bào)警方案。

1 HPR260XD等離子切割系統(tǒng)

完整的海寶HPR260XD等離子切割系統(tǒng)由等離子電源、切割機(jī)床控制器、氣體控制箱、THC（Torch Height Control）割炬高度控制模塊、割槍等5部分組成[1]，如圖1所示。等離子電源作為整個(gè)切割系統(tǒng)的功率輸出設(shè)備極其關(guān)鍵，將三相交流輸入轉(zhuǎn)換為可控的恒定直流輸出（15A-260A）?？刂浦靼?41993如圖1所示，其作為等離子電源控制核心發(fā)揮著關(guān)鍵作用，與氣體控制箱（圖1）通過CAN（Controller Area Network）總線通訊，總線將控制主板當(dāng)前設(shè)定電流、實(shí)際水流量、報(bào)警信息發(fā)送到氣體控制臺(tái)，同時(shí)接收氣體控制臺(tái)回傳的氣體壓力等數(shù)據(jù)。此外，控制主板通過IO端子與斬波器連接，在切割時(shí)電流傳感器將斬波器工作電流反饋回控制主板，以調(diào)整向斬波器輸入PWM（Pulse Width Modulation）占空比，實(shí)現(xiàn)切割電流的恒定。等離子切割系統(tǒng)有較為完善的報(bào)警功能，HPR260XD對(duì)于高性能等離子互鎖出錯(cuò)的檢測(cè)由傳感器來讀取并反饋給主控板DSP（Digital Signal Processing）數(shù)字信號(hào)處理器，即設(shè)備上電時(shí)等離子電源系統(tǒng)首先按開機(jī)時(shí)序進(jìn)行自檢，判斷與氣體控制臺(tái)的通訊、割炬水流量、斬波器、電流檢測(cè)、氣壓、各路溫度傳感器是否工作在正常狀態(tài)。等離子電源會(huì)將出錯(cuò)指示代碼以數(shù)碼顯示在氣體控制箱上（手動(dòng)氣體控制箱），或顯示在CNC控制器上（自動(dòng)氣體控制箱）。

圖1 等離子系統(tǒng)

2 控制主板“116”報(bào)警的傳統(tǒng)維修方法

由于設(shè)備廠商將控制主板電路圖視為保密資料，使得傳統(tǒng)的維修是在沒有電路圖指引情況下的“盲修”。即使用萬用表對(duì)電路中的電阻、電容、二級(jí)管等有明顯特性的器件開展拉網(wǎng)式的逐一排查，找出差異點(diǎn)。但由于元器件焊接在電路上已構(gòu)成回路，在線測(cè)量的數(shù)值往往與器件實(shí)際參數(shù)有較大偏差，很容易產(chǎn)生誤判錯(cuò)判等情況，頻繁的拆焊可疑元器件進(jìn)行離線的再檢測(cè)不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，而且不良的拆焊手法還會(huì)導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大。由于芯片是極其復(fù)雜的器件，好壞的判斷通常使用功能測(cè)試法，傳統(tǒng)的阻值測(cè)量法難以作出準(zhǔn)確判斷。可見傳統(tǒng)的維修方法高度依賴于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)維修人員提出了很高的要求。加上該控制主板PCB（Printed Circuit Board）表面涂抹了防水披覆膠，大幅增加了檢查的難度，要完成電路上幾百個(gè)器件的準(zhǔn)確測(cè)量及判定是一個(gè)難以完成的任務(wù)，傳統(tǒng)維修方法不僅可行性差，而且成功率低。

3 控制主板“116”報(bào)警的芯片級(jí)維修方案

雖然手冊(cè)[1]對(duì)“116”報(bào)警指出了檢查方向，但在控制板上影響通訊異常的因素仍然很多，需構(gòu)建一套高效、可行的芯片級(jí)檢修方案解決傳統(tǒng)維修方法的諸多不足。CAN通訊是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，硬件維修方案基于CAN電路的構(gòu)成及運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別展開，重點(diǎn)對(duì)CAN控制器、信息收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸終端三方面開展信號(hào)流檢查。而開展信號(hào)檢查首先要搭建主板模擬運(yùn)行環(huán)境，讓控制主板得電運(yùn)行，通觀察主板上的LED燈狀態(tài)（表1）來判斷主板是否完成自檢，只有完成自檢的控制主板才進(jìn)入下一步的信號(hào)流檢修。信號(hào)檢查階段首先要測(cè)繪主板的CAN總線通訊電路圖（圖4），基于電路圖上芯片功能來分析信號(hào)流向，結(jié)合硬件邊界在電路圖中設(shè)定關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)出信號(hào)檢查流程，使維修過程標(biāo)準(zhǔn)化、流程化。所以維修方案設(shè)計(jì)為搭建測(cè)試環(huán)境、狀態(tài)分析判定、信號(hào)流向分析、設(shè)置關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)、制定快速檢查流程五個(gè)階段。

3.1 搭建模擬測(cè)試環(huán)境

搭建控制板的模擬測(cè)試環(huán)境為控制主板提供2路供電，其中插座（圖1）J105-1針接+24 V，J105-2針接24 V電源的0 V，限流100mA，24 V為CAN總線通訊電路提供電源；排插J105-4針接+5V，J105-5針接5 V電源0 V，限流250 mA，5 V為控制板上的CPU、內(nèi)存、可編程邏輯芯片等提供工作電源。

3.2 主板狀態(tài)分析判定

狀態(tài)分析階段是通過觀察圖2控制板LED狀態(tài)指示燈，并和表1控制板（PCB3）LED狀態(tài)分析表進(jìn)行對(duì)比分析，從而縮小故障范圍。電源指示燈D100、D101狀態(tài)反映5 V、3.3 V是否正常工作，同時(shí)需要觀測(cè)電源5 V工作電流（正常200～220 mA），24 V工作電流（正常30～50 Ma），超出20%說明電源負(fù)載存在問題，重點(diǎn)檢查負(fù)載方向；錯(cuò)誤指示燈D322、D324狀態(tài)反映CPU運(yùn)行情況，在上電后5～10 s D324、D322依次亮起（紅燈）標(biāo)注著控制主板能夠自檢，CPU、內(nèi)存、可編程邏輯芯片已工作，若未能亮起說明控制板存在嚴(yán)重故障，需要運(yùn)用仿真器進(jìn)行檢修（不在本次研究范圍）；通訊指示燈D113、D114反映CAN通訊是否已建立，沒有閃爍說明故障在通訊電路。

表1 控制板(PCB3)LED狀態(tài)分析

圖2 控制板LED狀態(tài)指示燈

3.3 信號(hào)流向分析

系統(tǒng)性檢修海寶控制板通訊電路，需對(duì)信號(hào)流向進(jìn)行深入分析，基于分析才能建立關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試步驟。運(yùn)用CAN總線分析儀對(duì)控制主板與氣體控制板CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽得知，設(shè)備得電后控制主板首先向氣體控制板發(fā)出通訊報(bào)文，氣體控制板收到報(bào)文并返回報(bào)文，在板卡硬件、軟件、總線正常的情況下兩塊板建立起正常通訊，圖3所示D113、D114CAN通訊狀態(tài)指示燈交替閃爍。通過上述分析，無需解析CAN通訊報(bào)文，只需在通訊電路中識(shí)別設(shè)置關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字示波器進(jìn)行波形測(cè)量就能找到故障點(diǎn)。為深入研究海寶041993控制板通訊電路，測(cè)繪了CAN電路圖（圖4）。從圖4可知，完整的CAN電路是由CAN控制器和CAN收發(fā)器兩部分構(gòu)成[2]，兩部分通過TTL（Transistor-transistor logic）電平的收發(fā)信號(hào)（CANRX、CANTX）連接，由CAN收發(fā)器將CANTX的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN規(guī)范差分信號(hào)輸出（CANH、CANL)、同時(shí)接收插分線上的實(shí)際信號(hào)并轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)輸出到CANRX管腳上。CAN收發(fā)器與CAN控制器的CANTX和CANRX經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換及光耦合相連，最后由CAN收發(fā)器CANH和CANL引腳對(duì)外輸出標(biāo)準(zhǔn)的CAN信號(hào)。

圖3 CAN通訊狀態(tài)指示燈

3.4 設(shè)置關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)

控制主板的微處理器U100為德州儀器TMS320LF2407A，芯片為16位DSP、40 MHz頻率、32 k閃存、144引腳，除負(fù)責(zé)整個(gè)等離子電源內(nèi)外部信號(hào)處理外，芯片還集成了CAN通訊控制器[3]，U100-72為CANTX（發(fā)送端），U100-70為（CANRX）接收端。CAN收發(fā)信號(hào)信號(hào)經(jīng)過U111（SN74LVC541AD）[4]三態(tài)輸出緩沖器轉(zhuǎn)換后與U108、U109光耦合（圖3）電路相連，最后進(jìn)入CAN收發(fā)器芯片U10（SN65HVD230DR)，該芯片可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)通訊速率[5]，經(jīng)過差分的信號(hào)從接線插頭J103-2、J103-7（圖4）向外輸出，為抑制外部的寄生干擾增強(qiáng)主板防護(hù)性，還加入了保護(hù)管D105、D106，型號(hào)SMBJ33A，用于吸收電路中的尖峰電壓及浪涌電流，將總線對(duì)地電壓限制在33 V以下。根據(jù)信號(hào)流向設(shè)置3個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，如圖3所示U111-16、U108-6、U109-6。控制主板在模擬運(yùn)行測(cè)試環(huán)境下，即使未連接外部CAN總線，用數(shù)字示波器測(cè)量關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)也能鎖定故障芯片或元件。

圖4 控制板CAN通訊電路

3.5 制定快速檢查流程

為了更準(zhǔn)確、高效地確定故障部位，僅有關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)仍然不夠，還需要將故障檢查與診斷作業(yè)過程標(biāo)準(zhǔn)化、流程化?；谛盘?hào)流向?yàn)橹骶€繪制出主控板“116”報(bào)警故障檢查流程如圖5所示，流程圖中融合了詳細(xì)檢查步驟、測(cè)量方法、判定標(biāo)準(zhǔn)以及處置方式，按檢查流程開展檢修工作能快速解決“116”報(bào)警問題。

圖5 故障檢查流程

圖6 CAN總線通訊波形

圖7 CAN收發(fā)器芯片

4 結(jié)束語

通過對(duì)海寶HPR260XD控制主板041993的芯片級(jí)維修技術(shù)的研究，構(gòu)建了一套“116”報(bào)警的芯片級(jí)維修方案。通過電路測(cè)繪及信號(hào)流向的分析，識(shí)別確定了關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，并運(yùn)用故障檢查流程將測(cè)試點(diǎn)、檢查步驟、判定基準(zhǔn)、處置方式融合在一起，讓維修作業(yè)過程標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，解決傳統(tǒng)維修模式耗時(shí)長(zhǎng)成功率低等問題。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，在海寶HPR260XD控制板出現(xiàn)“116”報(bào)警時(shí)，運(yùn)用研究的芯片級(jí)維修方案，使用常規(guī)的儀器儀表，能在較短時(shí)間內(nèi)自主開展系統(tǒng)性檢查，準(zhǔn)確鎖定故障元件，最終實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的自主維修，不僅大幅減少故障停機(jī)時(shí)間，而且對(duì)減少備件儲(chǔ)備、降低委外維修費(fèi)用方面發(fā)揮重要的作用，芯片級(jí)維修技術(shù)研究成果（方案）可行、有效，具有現(xiàn)實(shí)意義。