海寶HPR260XD等離子主板“116”報警的芯片級維修技術研究

粟小寶

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

海寶HPR260XD等離子是美國海寶生產的一款精細等離子電源，最大切割電流260安培，適宜切割0.5～64 mm金屬材料。因具有高精細低熔渣切割質量及優異的切割速度表現，該等離子電源廣泛用于各類高端精細等離子切割機（系統）。在實際使用過程中控制主板041993故障導致的“116”報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[1]的錯誤代碼診斷表可知，“116”報警代碼指“控制主板與氣控臺之間的CAN通訊系統出錯”，手冊建議“檢查并更換控制主板、氣體控制臺主板、CAN通訊電纜三個方面”。關于該主板芯片級維修文獻是空白，之前因控制主板故障引發HPR260XD電源的“116”報警只能通過更換控制主板方式解決。由于控制主板是進口部件，不僅價格高而且供貨周期長，亟需開發一套針對“116”的報警方案。

1 HPR260XD等離子切割系統

完整的海寶HPR260XD等離子切割系統由等離子電源、切割機床控制器、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切割系統的功率輸出設備極其關鍵，將三相交流輸入轉換為可控的恒定直流輸出（15A-260A）。控制主板041993如圖1所示，其作為等離子電源控制核心發揮著關鍵作用，與氣體控制箱（圖1）通過CAN（Controller Area Network）總線通訊，總線將控制主板當前設定電流、實際水流量、報警信息發送到氣體控制臺，同時接收氣體控制臺回傳的氣體壓力等數據。此外，控制主板通過IO端子與斬波器連接，在切割時電流傳感器將斬波器工作電流反饋回控制主板，以調整向斬波器輸入PWM（Pulse Width Modulation）占空比，實現切割電流的恒定。等離子切割系統有較為完善的報警功能，HPR260XD對于高性能等離子互鎖出錯的檢測由傳感器來讀取并反饋給主控板DSP（Digital Signal Processing）數字信號處理器，即設備上電時等離子電源系統首先按開機時序進行自檢，判斷與氣體控制臺的通訊、割炬水流量、斬波器、電流檢測、氣壓、各路溫度傳感器是否工作在正常狀態。等離子電源會將出錯指示代碼以數碼顯示在氣體控制箱上（手動氣體控制箱），或顯示在CNC控制器上（自動氣體控制箱）。

圖1 等離子系統

2 控制主板“116”報警的傳統維修方法

由于設備廠商將控制主板電路圖視為保密資料，使得傳統的維修是在沒有電路圖指引情況下的“盲修”。即使用萬用表對電路中的電阻、電容、二級管等有明顯特性的器件開展拉網式的逐一排查，找出差異點。但由于元器件焊接在電路上已構成回路，在線測量的數值往往與器件實際參數有較大偏差，很容易產生誤判錯判等情況，頻繁的拆焊可疑元器件進行離線的再檢測不僅浪費大量時間，而且不良的拆焊手法還會導致故障進一步擴大。由于芯片是極其復雜的器件，好壞的判斷通常使用功能測試法，傳統的阻值測量法難以作出準確判斷。可見傳統的維修方法高度依賴于經驗，對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器件的準確測量及判定是一個難以完成的任務，傳統維修方法不僅可行性差，而且成功率低。

3 控制主板“116”報警的芯片級維修方案

雖然手冊[1]對“116”報警指出了檢查方向，但在控制板上影響通訊異常的因素仍然很多，需構建一套高效、可行的芯片級檢修方案解決傳統維修方法的諸多不足。CAN通訊是ISO國際標準化的串行通信協議，硬件維修方案基于CAN電路的構成及運行狀態識別展開，重點對CAN控制器、信息收發器、數據傳輸終端三方面開展信號流檢查。而開展信號檢查首先要搭建主板模擬運行環境，讓控制主板得電運行，通觀察主板上的LED燈狀態（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入下一步的信號流檢修。信號檢查階段首先要測繪主板的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流向，結合硬件邊界在電路圖中設定關鍵測試點，最后設計出信號檢查流程，使維修過程標準化、流程化。所以維修方案設計為搭建測試環境、狀態分析判定、信號流向分析、設置關鍵測試點、制定快速檢查流程五個階段。

3.1 搭建模擬測試環境

搭建控制板的模擬測試環境為控制主板提供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、內存、可編程邏輯芯片等提供工作電源。

3.2 主板狀態分析判定

狀態分析階段是通過觀察圖2控制板LED狀態指示燈，并和表1控制板（PCB3）LED狀態分析表進行對比分析，從而縮小故障范圍。電源指示燈D100、D101狀態反映5 V、3.3 V是否正常工作，同時需要觀測電源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%說明電源負載存在問題，重點檢查負載方向；錯誤指示燈D322、D324狀態反映CPU運行情況，在上電后5～10 s D324、D322依次亮起（紅燈）標注著控制主板能夠自檢，CPU、內存、可編程邏輯芯片已工作，若未能亮起說明控制板存在嚴重故障，需要運用仿真器進行檢修（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狀態分析

圖2 控制板LED狀態指示燈

3.3 信號流向分析

系統性檢修海寶控制板通訊電路，需對信號流向進行深入分析，基于分析才能建立關鍵測試點及測試步驟。運用CAN總線分析儀對控制主板與氣體控制板CAN總線進行數據監聽得知，設備得電后控制主板首先向氣體控制板發出通訊報文，氣體控制板收到報文并返回報文，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通訊狀態指示燈交替閃爍。通過上述分析，無需解析CAN通訊報文，只需在通訊電路中識別設置關鍵測試點，運用數字示波器進行波形測量就能找到故障點。為深入研究海寶041993控制板通訊電路，測繪了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收發器兩部分構成[2]，兩部分通過TTL（Transistor-transistor logic）電平的收發信號（CANRX、CANTX）連接，由CAN收發器將CANTX的TTL信號轉換為CAN規范差分信號輸出（CANH、CANL)、同時接收插分線上的實際信號并轉換為TTL信號輸出到CANRX管腳上。CAN收發器與CAN控制器的CANTX和CANRX經過信號轉換及光耦合相連，最后由CAN收發器CANH和CANL引腳對外輸出標準的CAN信號。

圖3 CAN通訊狀態指示燈

3.4 設置關鍵測試點

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，除負責整個等離子電源內外部信號處理外，芯片還集成了CAN通訊控制器[3]，U100-72為CANTX（發送端），U100-70為（CANRX）接收端。CAN收發信號信號經過U111（SN74LVC541AD）[4]三態輸出緩沖器轉換后與U108、U109光耦合（圖3）電路相連，最后進入CAN收發器芯片U10（SN65HVD230DR)，該芯片可實現高達1Mbps的數據通訊速率[5]，經過差分的信號從接線插頭J103-2、J103-7（圖4）向外輸出，為抑制外部的寄生干擾增強主板防護性，還加入了保護管D105、D106，型號SMBJ33A，用于吸收電路中的尖峰電壓及浪涌電流，將總線對地電壓限制在33 V以下。根據信號流向設置3個關鍵測試點，如圖3所示U111-16、U108-6、U109-6。控制主板在模擬運行測試環境下，即使未連接外部CAN總線，用數字示波器測量關鍵測試點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

為了更準確、高效地確定故障部位，僅有關鍵測試點仍然不夠，還需要將故障檢查與診斷作業過程標準化、流程化。基于信號流向為主線繪制出主控板“116”報警故障檢查流程如圖5所示，流程圖中融合了詳細檢查步驟、測量方法、判定標準以及處置方式，按檢查流程開展檢修工作能快速解決“116”報警問題。

圖5 故障檢查流程

圖6 CAN總線通訊波形

圖7 CAN收發器芯片

4 結束語

通過對海寶HPR260XD控制主板041993的芯片級維修技術的研究，構建了一套“116”報警的芯片級維修方案。通過電路測繪及信號流向的分析，識別確定了關鍵測試點，并運用故障檢查流程將測試點、檢查步驟、判定基準、處置方式融合在一起，讓維修作業過程標準化、流程化，解決傳統維修模式耗時長成功率低等問題。經過實際驗證，在海寶HPR260XD控制板出現“116”報警時，運用研究的芯片級維修方案，使用常規的儀器儀表，能在較短時間內自主開展系統性檢查，準確鎖定故障元件，最終實現芯片級的自主維修，不僅大幅減少故障停機時間，而且對減少備件儲備、降低委外維修費用方面發揮重要的作用，芯片級維修技術研究成果（方案）可行、有效，具有現實意義。