干貨 | 電機(jī)控制器出現(xiàn)的一種偶發(fā)故障排查與分析

來(lái)源 | 電氣新科技

電子產(chǎn)品故障類(lèi)別中，偶發(fā)故障由于故障現(xiàn)象的不可重復(fù)性，通常查找原因較為困難。本文針對(duì)一種電機(jī)控制器產(chǎn)品出現(xiàn)的通信偶發(fā)故障現(xiàn)象，通過(guò)認(rèn)真細(xì)致的分析輔以器件硬件檢查結(jié)果，最終確定故障原因是塑封集成電路內(nèi)部分層。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題及隱患，可以從器件選型、篩選、儲(chǔ)存、工藝等方面進(jìn)行控制，采取相應(yīng)措施，避免故障的發(fā)生，提高產(chǎn)品可靠性。

1 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，在一些特殊的使用場(chǎng)合，如醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，可靠性是一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品可靠性代表責(zé)任、信譽(yù)和效益。因此產(chǎn)品研制過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)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(lèi)，對(duì)于能夠輕易復(fù)現(xiàn)的故障，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法，查找原因較為簡(jiǎn)單。而另一類(lèi)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(huì)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(jī)控制器產(chǎn)品串行通信功能在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)曾出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)故障，經(jīng)過(guò)耐心細(xì)致的分析及測(cè)試，我們對(duì)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。

2 控制器功能及串行通信故障現(xiàn)象概述

2.1 永磁電機(jī)控制器工作狀況

永磁電機(jī)是總體系統(tǒng)若干執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一個(gè)，控制器用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)依次向電機(jī)三相繞組供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該控制器同時(shí)具有通信和鍵盤(pán)控制方式。

與上位總控系統(tǒng)之間通過(guò)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(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速指令，同時(shí)向總控系統(tǒng)反饋電機(jī)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(jiàn)圖1。

圖1 通信接口硬件原理

圖中SCI_RXD、SCI_RXD信號(hào)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(shí)現(xiàn)同時(shí)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(dòng)定時(shí)向總控系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信息。

2.2 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(yùn)行數(shù)月，在某次例行檢查測(cè)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(jī)控制器發(fā)出1280rpm轉(zhuǎn)速指令，電機(jī)啟動(dòng)，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200rpm變速指令時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制器無(wú)響應(yīng)，電機(jī)未減速，狀態(tài)信息不上傳，上位總控系統(tǒng)再發(fā)出停機(jī)和復(fù)位指令，控制器均不響應(yīng)，顯示通信發(fā)生故障，無(wú)法傳輸指令和信息，此時(shí)，鍵盤(pán)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(jìn)入故障狀態(tài)。約20分鐘后，通信恢復(fù)正常，重復(fù)進(jìn)行上述測(cè)試，一切正常。

2.3 故障發(fā)生后補(bǔ)充測(cè)試

控制器出現(xiàn)通信故障后又進(jìn)行了幾百次重復(fù)測(cè)試，測(cè)試時(shí)用示波器同時(shí)監(jiān)視圖1中U6前后、U7之后的上傳信號(hào)及RS422通信電源電壓共4個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，結(jié)果故障現(xiàn)象未能復(fù)現(xiàn)，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)觀測(cè)到的信號(hào)完全正常。

3 通信故障原因分析與確認(rèn)

上述故障現(xiàn)象和補(bǔ)充測(cè)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(jìn)行的目的為復(fù)現(xiàn)故障的測(cè)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(jī)構(gòu)的永磁無(wú)刷電機(jī)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?cè)敿?xì)了解了故障發(fā)生時(shí)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(shù)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(lèi)：硬件原因、軟件原因和電磁干擾。具體做出故障樹(shù)，按照故障樹(shù)對(duì)引起通信中斷的原因進(jìn)行逐一分析。

圖2 故障樹(shù)

3.1 控制器軟件檢查測(cè)試

電機(jī)控制器采用DSP作為處理器，匯編語(yǔ)言編程，程序中利用一個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)控制器定時(shí)向總控系統(tǒng)上傳狀態(tài)信息；接收指令設(shè)計(jì)為中斷方式，一旦收到總控系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)或停機(jī)指令，程序立即響應(yīng)中斷跳入指令處理段。

通過(guò)對(duì)通信相關(guān)程序進(jìn)行測(cè)試和分析，認(rèn)為控制邏輯簡(jiǎn)單清晰、控制合理，編程方面也無(wú)漏洞，不會(huì)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(huì)持續(xù)20分鐘左右自行恢復(fù)，而且同批產(chǎn)品中也不可能只有一臺(tái)出現(xiàn)通信故障，因此排除軟件出錯(cuò)的可能。

3.2 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(gè)外在電應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品的影響可能是永久的，也可能是暫時(shí)的，引發(fā)的故障具有偶發(fā)特征，這點(diǎn)與控制器通信故障在一定程度上吻合。但從產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)；同時(shí)，了解到故障發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境無(wú)變化，同在現(xiàn)場(chǎng)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。

3.3 控制器硬件檢查

從硬件角度考慮，器件的管腳虛焊、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。

3.3.1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(jìn)行上行和下行數(shù)據(jù)通信，整個(gè)通道上使用了2個(gè)航空插頭進(jìn)行連接，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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2項(xiàng)檢查：

（1） 由總控系統(tǒng)發(fā)出指令啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(hào)波形，同時(shí)用絕緣棒輕輕晃動(dòng)航空插頭焊杯處線纜，觀測(cè)上傳數(shù)據(jù)波形的變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通信信號(hào)波形正常（圖3），晃動(dòng)線纜時(shí)，未出現(xiàn)通信中斷現(xiàn)象。

圖3 通信上行通道信號(hào)波形

（2） 停機(jī)后仔細(xì)檢查2個(gè)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(wèn)題。因此排除通信線纜虛接的可能性。

3.3.2控制器印制板上通信相關(guān)管腳虛焊

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，管腳細(xì)小密集，如果與通信有關(guān)的個(gè)別管腳存在虛焊，也會(huì)導(dǎo)致偶發(fā)的通信故障。將該控制器全部器件焊點(diǎn)置于光學(xué)放大鏡下做詳細(xì)檢查，重點(diǎn)檢查DSP、RS422收發(fā)器件管腳焊點(diǎn)情況，檢查結(jié)果顯示器件焊接狀況良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)虛焊和短路。詳見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 PCB板上集成電路焊接形貌1

圖5 PCB板上集成電路焊點(diǎn)形貌2

3.3.3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(jì)時(shí)將通信電路做隔離處理，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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，必然導(dǎo)致通信中斷。用示波器觀測(cè)通信隔離電源在電機(jī)運(yùn)行與停機(jī)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(kāi)關(guān)電源，故障發(fā)生時(shí)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。

3.3.4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(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)這三種器件進(jìn)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2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(jiàn)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(jiàn)圖9），圖9中黃色圈住的區(qū)域內(nèi)部顯示紅色的點(diǎn)，表示內(nèi)部集成電路引線與管腳連接處出現(xiàn)分離，這種現(xiàn)象與器件管腳虛焊情況類(lèi)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(jìn)一步確認(rèn)故障原因，我們對(duì)控制器進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)的溫度沖擊試驗(yàn)，高溫60℃、低溫-40℃，之后立即進(jìn)行通信功能測(cè)試，結(jié)果出現(xiàn)通信故障，更換收發(fā)器件后，再次測(cè)試通信情況，一切正常。這就證實(shí)了偶發(fā)的通信故障確由收發(fā)器內(nèi)部分層引起。進(jìn)一步的機(jī)理分析見(jiàn)圖10。

圖10 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是：A為芯片與塑封料界面；B為引線架與塑封料界面；C為引線架與塑封料界面；D為基板邊緣與塑封料界面；E為基板與塑封料界面。

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(huì)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。

4 預(yù)防改進(jìn)措施

針對(duì)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(wèn)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(chǎng)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(yàn)時(shí)對(duì)塑封器件質(zhì)量要重點(diǎn)檢查，剔除有明顯缺陷的器件；

（3）將塑封器件儲(chǔ)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(shí)間。

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

5 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(shí)，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者而言不易查清根源，本文分析了電機(jī)控制器通信故障發(fā)生的原因，進(jìn)一步探究了由于塑封半導(dǎo)體器件分層引發(fā)故障的機(jī)理。只要從器件選型、檢驗(yàn)、儲(chǔ)存、工藝等環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施，這一類(lèi)偶發(fā)故障就可以得到控制，產(chǎn)品可靠度得以提高。