直流無刷電機反向運動控制異常故障分析

■ 關震/國營長虹機械廠

0 引言

一件直流無刷電機和伺服板在聯合測試過程中出現伺服板通道3無法控制電機反向運動的故障現象。為了確定故障部位，對直流無刷電機伺服電路進行檢查，發現伺服電路無反向控制信號輸出。通過對測試設備、直流無刷電機、伺服板進行深入分析，結合故障器件失效分析結果，查找故障發生原因，更換故障器件，最終排除故障。

1 技術分析

1.1 故障樹分析

針對直流無刷電機無法反向控制故障，以“直流無刷電機無法反向控制”為頂事件建立故障樹，如圖1所示，對各種可能的故障分支和底事件逐項進行分析。

圖1 故障樹

1.2 故障定位

1）測試設備故障

2）伺服板故障

直流無刷電機伺服板的主要功能是由外部輸入模擬量，對直流無刷電機進行控制，同時設置4路獨立通道的電機驅動電路。出現直流無刷電機控制異常故障時，采用的是伺服板通道3對直流無刷電機進行伺服控制，因此對伺服板進行獨立測試，發現伺服板通道3輸出的電機驅動信號異常，說明伺服板通道3存在器件故障。

3）直流無刷電機故障

直流無刷電機是伺服板的負載部件，與伺服板直接連接，使用檢測設備對直流無刷電機進行檢測，檢測指標合格，但是直流無刷電機連接伺服板后，運動無法實現反向控制。對直流無刷電機進行修理，拆解直流無刷電機，未發現電機內部油脂變干、傳感器失效等問題。對直流無刷電機進行獨立測試，檢測合格。因此可以排除直流無刷電機故障的可能。

1.3 原理分析

如圖2所示，測試時直流無刷電機直接與電機伺服板相連，直流無刷電機的傳感器反饋信號由外部信號源提供的7V/2400Hz的正弦信號以及外部+27V直流電源進行驅動。伺服板測試過程中，由設備發送D/A輸出信號、電機角度反饋信號RVDT和霍爾傳感器信號，通過相位檢測、誤差放大、幅值檢測等電路轉換，得到直流無刷電機驅動芯片MC33035的3路控制信號（運動方向、相位誤差、制動開關）。輸出的3路PWM調制信號經光耦隔離和功率放大電路，輸出至直流無刷電機，直流無刷電機內部霍爾傳感器和RVDT信號反饋至伺服板，構成閉環控制電路。伺服板與直流無刷電機的連接關系如圖3所示。由于測試過程中伺服板通道3出現無法控制直流無刷電機反向運動，因此對伺服板通道3涉及的運動方向控制電路進行分析。

圖2 測試連接關系圖

圖3 直流無刷電機伺服控制電路

D/A信號轉換電路如圖4所示。伺服板電路U1A和U1B運算放大器組成的積分電路對D/A輸入信號進行濾波和波形轉換。對幅值變化的D/A輸入信號轉換成方波信號，對電壓穩定的D/A輸入信號進行濾波和保持。U1C及外圍器件構成濾波和限幅，將輸入信號轉換成幅值為±10V的方波信號，再經過LM111電壓比較器與對0V電位比較后，形成運動方向控制信號，輸出至MC33035。其中，LM111電壓比較器輸出端接入MC33035輸出的參考電壓6.25V，因此正向運動狀態為高電平6.25V，反向運動狀態為低電平0V。

圖4 D/A輸入信號轉換電路

實際測試過程中，在輸入不同測試信號的情況下，伺服板電路U1A、U1B和U1C器件輸出信號正常，在LM111電壓比較器輸入端均存在電平變化過程。但是在電壓比較器輸出端一直保持低電平狀態，當斷開MC33035第3引腳后，電壓比較器輸出電壓比較結果，說明MC33035器件損壞。

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1.4 問題分析

MC33035是一種常用的直流無刷電機控制芯片，可通過片上電路控制端實現直流無刷電機閉環調速，與直流無刷電機霍爾傳感器構成閉環控制，實現三相直流無刷電機控制。在伺服板上，MC33035使用第3、11、23引腳實現直流無刷電機控制。

實際測試過程中，發現MC33035第3腳沒有正/反轉信號變化，直流無刷電機上電后直接向一個方向運動，沒有反向運動的跡象。使用數字萬用表直流電壓檔測量，測量數值為0V，正常狀態下信號應出現0～6.25V的電壓交替變化。針對上述出現問題的伺服板，取下故障MC33035芯片，對信號異常的第3引腳進行測試，發現第3引腳對模擬地之間的阻值為50.3Ω，而性能正常的MC33035第3引腳對模擬地的電阻測量值應為16.3kΩ，兩者阻值完全不符，說明測試的伺服板MC33035器件故障。

1.5 電路分析

根據圖4所示電路情況，考慮到MC33035第3引腳受到LM111輸出的電壓和MC33035第8引腳輸出的參考電壓影響，因此通過實際電路對兩型器件輸入輸出信號進行功能分析，找出可能導致故障發生的直接原因。

1）LM111電壓比較器

LM111作為一種寬范圍工作電壓的邏輯控制輸出器件，采用OC（Open Collection，集電極開路）結構，輸出的信號由輸出端上拉電阻及電壓決定，輸出電平兼容TTL、CMOS電平，輸出電流最大可達到50mA。通過伺服板電路連接可知，MC33035第8引腳輸出的參考電壓經10kΩ上拉電阻與LM111輸出端相接，局部電路圖如圖5所示。

2）MC33035電機驅動芯片

由 圖5可 知，MC33035第8腳 作為參考電壓輸出端為電壓比較器提供6.25V電壓，當LM111輸入信號高于參考電位時，輸出端受第8腳上拉電阻作用，高電平為6.25V，低電平為0V。由于第8腳可以向外部提供20mA電流，在接入10kΩ上拉電阻后，可為第3腳提供大約2mA電流。接入電壓比較器輸出端信號后，可出現兩路電流疊加情況。

圖5 LM111與MC33035連接局部電路圖

1.6 器件失效分析

通過電路分析，初步認定MC33035第3腳可能受到前級電路影響。為進一步掌握MC33035故障發生原因，對MC33035芯片開展失效分析。

1）X射線檢查

利用X射線檢測系統對失效器件進行X射線檢查，結果如圖6所示，失效芯片內部第3針鍵合絲可見斷開形貌。

圖6 MC33035第3腳X射線下的形貌

2）聲學掃描顯微鏡檢查

利用掃描聲學顯微鏡對失效芯片進行聲學微區成像分析，發現芯片區域可見大面積分層（見圖7），說明器件經歷了較長時間的貯存。

圖7 MC33035聲學正面掃描形貌

3）內部目檢

失效芯片第3腳鍵合附近區域燒毀，第3引腳鍵合絲燒毀、熔斷，鍵合焊盤表面金屬熱熔、變色，表面碳化物附著，整體呈現長時間、大電流燒毀特征（見圖8）。

圖8 內部檢查第3腳燒毀情況

4）芯片失效分析結論

經器件失效分析確認，MC33035的第3引腳對模擬地短路，第3引腳鍵合區域嚴重燒毀，鍵合絲燒毀、熔斷，表明第3引腳曾經流經大電流。芯片表面與第3引腳相連的金屬熱熔、變色，表面碳化物附著，第3引腳端口整體呈現長時間、大電流燒毀特征。因此，認為第3引腳端口引入了異常電壓，誘發端口大電流燒毀失效。

2 分析結論

根據電路組成功能和元器件失效分析情況，導致MC33035大電流燒毀失效原因分為三方面：

1）通過器件失效分析可知，失效的芯片內部存在大面積分層現象，說明器件經歷了長期貯存，內部結構存在性能退化。

2）外部D/A輸入信號發生變化時，伺服板LM111的輸出電壓邏輯狀態發生變化，輸出端電流發生階躍性跳變（即從電流輸入轉為電流輸出），與MC33035第8腳通過上拉電阻對第3腳的電流疊加，導致第3腳輸入電流較大，在器件燒毀瞬間實際電流遠遠超出第3腳允許的最大電流。

3）在實際測試和使用過程中，伺服板控制直流無刷電機運動時間較長，在MC33035芯片性能退化情況下，第3引腳通入較大電流，最終導致大電流燒毀。

3 制定措施和落實情況

3.1 糾正情況

1）更換伺服板上故障的MC33035，對伺服板和直流無刷電機進行聯合測試，性能合格，故障排除。

2）為保證修理后的伺服板質量穩定，排除潛在故障，在伺服板測試過程中對D/A輸入信號由直流信號變更為交變周期信號，以考察伺服板電機轉向控制回路的性能。

3.2 預防措施

為了避免后續測試過程中出現因為電機控制器失效而發生直流無刷電機轉向無法控制的情況，對伺服板進行定期檢測與維護，控制伺服板工作時間，避免長時間通電造成驅動電路影響；對控制信號出現電壓下降的電機控制驅動芯片進行及時更換，確保伺服板性能工作正常。