▲ 图2.6.1 驱动电路改造接地实物图

§01 故障描述

2021年初,因噪音过大问题, SST59D1200 电机四个固定螺母处增加硅胶管和橡胶减震垫。

▲ 图1.1 SST59D1200 电机外观及其外部引线

▲ 图1.1 SST59D1200 电机外观及其外部引线

2021年5月起,在空载情况下,出现20台运行过程中偶发突然停机,停机后驱动电路 A3979 芯片、电阻R1和78M05迅速升温1至80°以上,步进电机处于松脱状态。断电后,再次通电芯片恢复正常,再次运行再次停机。间隔一晚后,再次运行故障没有重现,间隔某个时间后故障重现。故障仪器均基于A3979芯片设计驱动电路。更换TA8435芯片驱动电路,该故障没有重现。

▲ 图1.2 电机驱动电路信号逻辑电源转换部分电路图

▲ 图1.2 电机驱动电路信号逻辑电源转换部分电路图

▲ 图1.3 A3979内部功能图

▲ 图1.3 A3979内部功能图

A3979 驱动电路于2017年12月7日,采购20套作为第一批次测试;2018年1月18号生产300片,作为第二批次供应市场;2018年12月7日生产500套,作为第三批次供应市场;2020年8月生产500套,作为第四批次。前三批次偶发出现,无具体数量。该故障在第四批次出现,已连续出现20台。

§02 诊断与分析

2.1 输入信号分析

2.1.1 故障猜测

SST59D1200驱动电路输入端接线端子的STEP驱动信号、DIR换向信号、12V电源和电源地输入异常。

2.1.2 猜测验证

未接驱动电路,示波器测量STEP信号如图 1,脉冲周期为1ms,脉冲宽度为12μs(脉冲非等分设计,脉冲占空比为1.2%)。其余信号类似方式测量。

▲ 图2.1.1 步进电机驱动STEP信号

▲ 图2.1.1 步进电机驱动STEP信号

▲ 图2.1.2 正常的STEP信号

▲ 图2.1.2 正常的STEP信号

2.1.3 结论

STEP驱动信号、DIR换向信号、12V电源和电源地输入信号可保持4h以上正常,符合A3979手册设计需求(最小STEP脉冲宽度为1.0μs)。该故障非输入端接线端子信号异常导致。

2.2 芯片元器件分析

2.2.1 故障猜测

SST59D1200驱动电路的采购元器件、芯片为翻新件,性能不稳定导致。

2.2.2 验证猜测

采购5片原厂芯片更换测试,或更换新的核心电阻电容器件,或更换为18年焊接生产的驱动电路,故障依然存在!

2.2.3 结论

该故障非翻新芯片或其他核心元器件导致。

2.3 市电偶发脉冲

对静电、市电偶发电脉冲分析。

2.3.1 故障猜测

静电、市电偶发脉冲,导致芯片逻辑混乱。

2.3.2 猜测验证

加液结构未接地,直接测量加液结构对地波形,接线方式见图 2。存在50Hz与24KHz混合波形,故障发生时,伴随明显的电脉冲。人体触摸加液结构,故障偶发率增高。加液结构单元接地后,可以明显降低人体静电的脉冲强度,见图 3。

▲ 图2.3.1 加液结构对地测量脉冲时参考地线接线示意图

▲ 图2.3.1 加液结构对地测量脉冲时参考地线接线示意图

▲ 图2.3.2 测量波形

▲ 图2.3.3 测量波形展开后的波形

▲ 图2.3.3 测量波形展开后的波形

▲ 图2.3.4 未接地人体触碰机械结构出现的脉冲

▲ 图2.3.4 未接地人体触碰机械结构出现的脉冲

▲ 图2.3.5 接地后出现的脉冲

▲ 图2.3.5 接地后出现的脉冲

加液结构对地脉冲信号示意图:

左上图,未接地整体脉冲轮廓图。

右上图,未接地脉冲局部放大图。

左下图,未接地,人体静电带来的较大脉冲,峰高-25V。

右下图,加液结构接地后,人体静电带来脉冲,峰高-10V。

▲ 图2.3.6 抓拍DIR, STEP信号

▲ 图2.3.6 抓拍DIR, STEP信号

▲ 图2.3.7 抓拍DIR, STEP信号

▲ 图2.3.7 抓拍DIR, STEP信号

▲ 图2.3.8 监测STEP和DIR输入电压波形,捕捉故障点时,两者的异常波形

▲ 图2.3.8 监测STEP和DIR输入电压波形,捕捉故障点时,两者的异常波形

2.3.3 结论

静电(或市电脉冲,未模拟)可能会带来巨大脉冲,STEP、DIR均伴随故障出现异常脉冲信号,12V功率电压未见异常波形,造成驱动电路击穿或逻辑混乱,导致芯片功能异常,并出现发热等异常现象。

◎ 评述: 对于出现故障时出现的脉冲波形的检测,只能够说明这两种现象之间存在着时间上的同时性。但对于这两种现象之间的因果关系并不能够给出说明。此间存在三种可能性:

测量的脉冲是引起芯片发热的原因;

芯片发热是引起干扰脉冲的原因;

两者都是有第三个因素引起的;

2.4 芯片桥式电路分析

2.4.1 故障猜测

桥式电路上下桥失控,对地短路。

2.4.2 猜测验证

在采样电阻与GND之间串联电流表,人为热插拔电机接线端子后,芯片出现类似突然停机现象。电流表连接方式见图 5,此时电流表测量值为0mA(电极A、B两相绕组均未通电)。但人为切断上下桥电流表插头,无论单独插拔还是同时插拔,此现象没有重现,但上下桥电路随机出现某路大电流、另一路无电流,或两路均分电流值的情况。

在偶发热停机时,监测A+、B+、A-、B-四路电压,发现四路电压均为0V概率高于四路均为12V的概率。分析可知,四路电压均为0V时上桥全断下桥全通,四路均为12V时上桥全通下桥全断。

2.4.3 结论

热插拔可导致类似驱动电路发热故障现象,但两者现象完全不同,不存在关联。另外,插拔驱动板接线端子和电流表插头现象也不一致,仍需探究。

▲ 图2.4.1 人为模拟芯片发热故障,监测上下桥电流接线示意图

▲ 图2.4.1 人为模拟芯片发热故障,监测上下桥电流接线示意图

2.5 故障发热点分析

2.5.1 故障猜测

5V逻辑控制电路对地短路。

2.5.2 猜测验证

无论人为热插拔(同2.4.1),还是加液单元热停机,R1电压约为5.15V,计算回路电流为0.515A,78M05输入为5.67V、输出为3.46V,该部分电路图见图 7。两种情况下,电阻R1发热功率最大,A3979次之,78M05芯片最小,三者组成故障发热回路。

▲ 图2.5.1 A3979其它电路部分分压情况,该部分与故障关联不大

▲ 图2.5.1 A3979其它电路部分分压情况,该部分与故障关联不大

2.5.3 结论

人为热插拔,或加液单元热停机,芯片发热原因在逻辑电路5V回路上。导致电阻R1、78M05和A3979短接回路,故障原因待查。

2.6 PCB接地干扰分析

2.6.1 故障猜测

PCB布线不规范,12V功率地干扰5V逻辑地。

2.6.2 猜测验证

将采样电阻地单独使用接地线直接接回12V功率地,详细改动见图 8。故障依然存在。按照A3979手册电路增加采集电路电容,故障仍未排除。

2.6.3 结论

12V功率地未干扰5V逻辑地,该故障非PCB布线接地不规范导致。

驱动电路接地改造电路实物图。信号采集处直接使用粗导线连接电源地,以去除12V接地影响。同时两个信号采集电阻并联两个22μF电容,以保证驱动电路符合A3979手册要求。

▲ 图2.6.1 驱动电路改造接地实物图

▲ 图2.6.1 驱动电路改造接地实物图

2.7 减震装置分析

2.7.1 故障猜测

加液单元步进电机SST59D1200加装减震后,由于加装电机与挡板之间的硅胶管、橡胶垫引起步进电机与机械结构完全悬空,失去电气连接,导致电机运行过程中与尼龙齿轮摩擦产生的静电无泄放回路,或电机自身电感产生高频电压对尼龙轮,进行储能而无泄放回路,串扰进驱动电路造成驱动电路逻辑混乱,进而出现热停机。加装减震结构详见图 9。

进电机加装减震实物示意图。左上图为整体四角紧箍图,右上图为局部单个紧箍图,下方两个图显示了减震硅胶套装螺钉细节图。

▲ 图2.7.1 步进电机加装减震

▲ 图2.7.1 步进电机加装减震

▲ 图2.7.2 减震硅胶套装螺钉细节图

▲ 图2.7.2 减震硅胶套装螺钉细节图

2.7.2 猜测分析与问题复现

现有7台步进加液结构已经连续测试两周,在尼龙齿轮上面已经产生大量黑色衍生物,且这些加液装置热停机故障率已大幅度降低,部分甚至连续两天均未出现。估计其中原因为:黑色衍生物可以减小摩擦,进而减少静电的产生,因此在第二周的测试过程中7台仪器均为出现热停机现象;或黑色衍生物为铜粉末,可将电机电感产生电荷均匀分布于尼龙轮,从而降低尼龙轮局部静电电压,从而大大降低故障率。

为此,更换为全新的尼龙齿轮,使用电子打火机的压电陶瓷对其中6台设备电机或机械结构进行放电,立刻出现热停机现象,另1台仪器立刻出现热重启现象(主板芯片混乱,重启滴定仪)。不进行放电,有6台设备运行一个或多个行程也出现热停机现象。

2.7.3 解决方案

维持现有的减震效果,对上述有7台步进加液结构均采取电机与机械结构电气连接后,再与大地相接,连续运行8小时,未出现热停机,电路连接详见图 10。且使用电子打火机的压电陶瓷对电机或机械结构连续放电20回,仪器仍能正常工作。选取一型一台;二型、三型、600型电位滴定仪各三台,同时开展无故障运行168小时,并生成对应的10份无故障运行报告。

▲ 图2.7.3 电机与机械结构接地实物示意图

▲ 图2.7.3 电机与机械结构接地实物示意图

(1)三型滴定仪接地实施方案

使用黄绿专用接地线,分两段进行连接。第一段:电机固定螺钉与加液结构支撑柱(长度:约5cm接头方式:焊接);第二段:加液结构任意支撑柱与电路板支撑柱连接处,首先加装厚红色垫片,然后加装黄绿接地线焊片,最后加固(长度:约15cm接头方式:焊接)。接地线固定方式采取悬空。使用万用表测量电机外壳体(至少3点)与加液结构任意金属位置、AC220V接地线必须导通。

▲ 图2.7.4 左图为电机接地位置图;中间图为加液结构接地图;右侧为机壳接地图

▲ 图2.7.4 左图为电机接地位置图;中间图为加液结构接地图;右侧为机壳接地图

(2)600型滴定仪接地实施方案

使用黄绿专用接地线,分两段进行连接。第一段:电机固定螺钉与加液结构支撑柱(长度:约5cm接头方式:焊接);第二段:加液结构任意支撑柱与电路板支撑柱连接处相接后接入AC220V接地处(长度:约20cm接头方式:焊接)。使用万用表测量电机外壳体(至少3点)与加液结构任意金属位置、AC220V接地线必须导通。

▲ 图2.7.5 左图为600型滴定仪接地位置图;右图为一型滴定仪接地图

▲ 图2.7.5 左图为600型滴定仪接地位置图;

右图为一型滴定仪接地图

 

§03 诊断总结

3.1 故障诊断结论

A3979驱动电路偶发停机故障原因为:步进电机SST59D1200与机械结构间加装减震装置,以减小加液单元噪声,造成电机与机械结构完全悬空,失去电气连接,电机与尼龙轮之间静电逐渐积蓄,导致最后放电,影响A3979驱动电路逻辑,产生偶发停机发热现象。

使用导线将步进电机SST59D1200和机械结构同时接地,提供静电泄放回路,减少静电放电效应,该故障即可完全消除。

3.2 展望与讨论

该故障属于典型技术革新后,为仪器局部性能提升或优化而做的升级改造,另外导致了仪器其他功能或部件故障。

任何仪器设备的工作均需整体配合完成,仪器性能也同样由每一个局部组成的整体决定。牵一发而动全身,窥一斑可知全豹。任何局部设计、改动,同样需从整体考虑,从机械配合、机械精度考虑,从电气控制、电路逻辑、接地回路考虑,从应用场景的物理、化学等角度考虑,从公司决策、管理、研发、生产和质量控制等多部门考虑。

在管理决策层面上,建议”建立健全项目负责人制度”。首先,由项目负责人牵头,成立项目小组,项目小组应尽量涵盖多专业、多部门的人员。然后,项目负责人发挥带头作用,调动组内所有人员积极性,整体考虑,消除各方面故障隐患和问题,顺利完成项目。最后,项目负责人对该项目负主要责任,后续所有相关责权利均由项目负责人承担。针对此故障,管理层应考虑”增加减震装置由哪些人、哪些部门负责”等问题。

在技术研发层面上,在模块选型时应注意抗干扰、接地等问题。电路和机械设计时,应充分考虑接地问题,尤其是金属导体、机壳、非测量电路。电路设计时,应充分考虑芯片的选型,尤其芯片耐受静电等的冲击能力和抗干扰能力。针对此故障,技术研发人员应考虑”如何设计抗干扰能力强的控制电路”、”电路如何能降低干扰的产生”等问题。

在生产层面上,应建立量化的、过程的质量控制,确保产品的整体性能。针对此故障,生产人员应考虑”减震效果如何评价”、”减震增加会带来哪些改变,优点和缺点各有哪些”等问题。

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