摘" 要：在高負載狀態(tài)下，電機重復出現(xiàn)異常停機情況，且每次異常的工況和反饋數(shù)據(jù)均一致。電機驅動芯片為MSK4322HD，測量發(fā)現(xiàn)該芯片某PWM信號管腳對地阻抗由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，開帽后，在相應PWM信號對應的MOS管處發(fā)現(xiàn)燒蝕痕跡，判斷為芯片內部MOS管損傷。針對該故障展開分析。首先，采用故障樹分析法列出相關底事件，根據(jù)電路遠離開展測試，逐一排查，最終定位故障為異常相序信號導致的過流損傷；其次，進行機理分析，發(fā)現(xiàn)異常相序信號是由電機實時換相、換相導致PWM低電平信號持續(xù)特定時間及高負載3種正常條件耦合引起的，對三者任一解耦即可解決。在此基礎上，進行故障復現(xiàn)，證明定位準確無誤；最后，對嵌入式軟件制定相應的改進措施，并通過試驗驗證其有效性。

關鍵詞：電機驅動芯片；故障樹法；MOS管；PWM信號；過流損傷

中圖分類號：V243" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0160-06

Abstract： In the high load condition， the motor repeatedly had abnormal stopping situation， and each abnormal working condition and feedback data are consistent. The motor driver chip is MSK4322HD. It was found that the impedance between a PWM signal pin and GND of the MSK4322HD chip is abnormal， changing from a high resistance state to a low resistance state. After opening the chip， ablation traces were found at the MOSFET location， which was judged to be the MOSFET damage inside the driver chip. In the light of the fault， analyses were conducted. First of all， the fault tree analysis method is used to list the relevant bottom events， and according to the circuit far away from testing and checking one by one， the fault is finally located as the over-current damage caused by the abnormal phase sequence signal; secondly， through the mechanism analysis， it is found that the abnormal phase sequence signal is caused by the coupling of the motor real-time commutation and commutation leading to the PWM low-level signal lasting for a specific time and high load， which can be solved by decoupling any of the three. On this basis， the fault recurrence is carried out to prove that the location is accurate; finally， the corresponding improvement measures are made for the embedded software， and its effectiveness is verified by experiments.

Keywords： motor driver chip; fault tree analysis; MOSFET; PWM signal; overcurrent damage

直流無刷電機具有結構簡單、調整性能優(yōu)良、運行可靠及易于維護等優(yōu)點，因此用途廣泛[1-2]。時至今日，使用單片機、DSP和FPGA等芯片，通過電機驅動芯片控制電機運動已十分成熟[3-7]。

本文所研究的設備采用FPGA和MSK公司的專用驅動芯片MSK4322HD電機驅動芯片驅動直流無刷電機。某次試驗中，電機在帶載工作時突然停機，控制界面未報錯，但無論是手動下發(fā)指令還是重新加電，都無法使電機恢復工作。

將控制回路切換至備份，工作正常，因此判斷為電機控制回路故障；隨后該故障又出現(xiàn)2次，形式、反饋數(shù)據(jù)和負載情況與首次基本一致，判斷為同一故障。

針對該故障，采用故障樹分析法進行了故障定位，通過故障復現(xiàn)驗證了定位的準確性，最后制定了改進措施，并驗證了改進措施準確、有效。

1" 概述

1.1" 故障描述

對電機控制回路進行測試，發(fā)現(xiàn)故障來自于電機驅動芯片MSK4322HD，其A相信號引腳對地阻抗為13.6 Ω（正常阻抗應大于40 MΩ），A相信號引腳對COM端二極管電壓為0 V（正常應為0.4 V），說明電機驅動芯片MSK4322HD的A相下橋MOS管漏源極出現(xiàn)低阻通路。將芯片進行開帽檢查，發(fā)現(xiàn)A相的下橋GDS燒毀，如圖1所示。

1.2" 電機驅動電路原理

電機為直流無刷電機，供電電壓范圍為57±9 V，內阻為2.7 Ω，電感為8.5 mH。MSK4322HD的最大驅動電壓為200 V，最大穩(wěn)態(tài)輸出電流為20 A，瞬時最大電流為44 A，內置MOSFET驅動電路、濾波電路和低電壓鎖定電路，最大開關頻率25 kHz，內部示意圖如圖 2所示。電機的負載不大于3 000 N，對應電機相電流不大于7.5 A，PWM開關頻率為20 kHz，電機驅動電路原理如圖3所示。

2" 故障定位

以“電機驅動芯片內部MOS管損傷”為頂事件進行了故障樹分析，針對可能的因素羅列底事件，故障樹如圖4所示，共包括9個底層事件。

根據(jù)圖4中的故障樹，對引起頂事件的所有可能性進行排查和定位。

2.1" 芯片功率供電異常

將驅動芯片的功率供電信號引出，通過高速數(shù)據(jù)采集設備對信號進行實時監(jiān)測，輸出正常，因此可排除底事件X1。

2.2" 芯片邏輯供電異常

MSK4322HD直接使用內部DC/DC轉換后的邏輯+12 V供電，根據(jù)手冊，若邏輯供電低于8.65 V，內部三相橋的6個MOS管就會關閉，不會對芯片造成物理損傷；且該12 V還為力傳感器等設備供電，相關設備均工作正常，因此可排除底事件X2。

2.3" 外部系統(tǒng)環(huán)境引入高壓

將三相電機繞組電壓信號引出，通過高速數(shù)據(jù)采集設備對信號進行實時監(jiān)測，輸出正常，因此可排除底事件X3。

2.4 電機瞬時換向產生高壓

電機運動過程中若出現(xiàn)瞬時反轉，等效電機反接制動工況，此時電機會產生反電動勢，疊加在電機供電電壓上，使電機繞組電壓和母線供電電壓均升高。反電動勢大小與電機轉動速度相關。

分別在空載和帶載條件下對電機進行200 rpm和400 rpm的跑合測試。經測試，繞組和母線電壓最高分別升高至80 V和95 V，均未超過MSK4322HD的200 V額定電壓。實際運行過程中電機的轉速為200 rpm，因此可排除底事件X4。

2.5 過載堵轉產生高壓

電機在運轉過程中如遇到較大阻力，可能發(fā)生堵轉或轉速突降至0 rpm的情況，此時電機的相電流很大，電機上的電感能量會通過三相橋驅動MOS管的體二極管對儲能電容充電，使母線電壓升高。將電機過流閾值設置為7 A，在轉速為200 rpm時，調整過流保護時間進行測試，時間范圍為30～100 ms。結果表明，繞組和母線電壓最高升至125 V，仍未超過MSK4322HD的供電電壓范圍，因此可排除底事件X5。

2.6 芯片控制異常產生高壓

若電機控制方式異常，同樣可能產生高壓。但在電機出現(xiàn)異常的時刻，高速數(shù)據(jù)采集設備采集的三相繞組以及功率供電信號，均未出現(xiàn)超過200 V的高壓，因此可排除底事件X6。

2.7 負載變化產生大電流

隨著試驗次數(shù)增多，負載也會出現(xiàn)較大變化，進而引起電機電流的快速波動。

電機采用60 V供電，相內阻為2.7 Ω，外部導線阻抗約為0.3 Ω，COM端采樣電阻0.1 Ω，PMOS管內阻為0.07 Ω，驅動芯片內部MOS管內阻也為0.07 Ω，因此若發(fā)生電機堵轉，產生的最大電流為18.52 A，仍小于芯片最大通流20 A。

同時，電路中設計了過流保護功能，過流閾值設置為7 A，過流保護時間為30 ms，觸發(fā)過流保護后會立即停機。該功能已經過多次驗證，包括2.5節(jié)的試驗驗證，能夠有效保護電路安全，因此可排除底事件X7。

2.8 邏輯控制信號幅值不足

電機驅動芯片MSK4322HD手冊要求，PWM信號可以使用5 V CMOS或者TTL邏輯電平，PWM的高電平不低于2.2 V，低電平不高于0.8 V。設備內部的6相PWM控制信號由FPGA輸出，轉換為5 V電平然后輸入給MSK4322HD。信號實測波形如圖5所示，可見PWM信號高電平為5 V，低電平為0 V，滿足設計要求。因此可排除底事件X8。

2.9 相序控制異常導致大電流產生

電機運動控制需要按照指定的相序進行開通控制，F(xiàn)PGA軟件則按照電機運動方向分別選擇了相應的開通相序。如相序控制異常，同樣可能產生大電流，燒毀MOS管。

經復核，當電機運動相序為A+C-→A+B-→C+B-→C+A-→B+A-→B+C-時，對應電機反向運動，帶動負載。FPGA內部軟件設計與電機實際運動需求相同，控制相序無錯誤。

將控制器及電機置于加載測試臺進行等效試驗驗證，加載范圍按照負載和電機轉矩的對應關系進行等效控制（負載0～3 500 N對應電機0～4 Nm），功率電源設置為60 V/8 A。使用離散模式控制電機按實際工作方向運行，轉速設定為200 rpm，通過示波器采集功率母線電流及三相繞組電壓，如圖6所示。

由圖6可見，電機運動相序符合要求，單相繞組處于斬波狀態(tài)時對應上橋打開，處于低電平時對應下橋關斷，其余狀態(tài)對應上下橋均關斷。

運動過程中通過加載測試臺逐漸增加負載，當負載增大至超過3.5 Nm時，發(fā)現(xiàn)三相繞組會隨機出現(xiàn)一相輸出異常，異常信號如圖7所示。

由圖7可見，當電機相序由“A相-gt;B相”轉換至“C相-gt;B相”時，A相繞組輸出應處于關閉狀態(tài)（低電平），C相繞組輸出應處于開通狀態(tài)（高電平），但實際A相和C相均輸出高電平，導致A相上橋MOS管無法關閉，功率母線電流增大，超過穩(wěn)壓電源保護閾值，造成功率母線電壓跌落。

直接采集A相上橋MOS管G極電壓，再將異常時刻信號展開，如圖8所示。

由圖8可見，PWMA+信號在斬波結束（換相）時出現(xiàn)了約400 ns的低脈沖信號，A相繞組及A相上橋MOS管G極電壓均仍為高電平，MOS管未關斷。經過多次反復驗證，三相繞組任一相都可能出現(xiàn)異常，且異常相的PWM+信號都出現(xiàn)約400 ns脈寬的低脈沖信號，導致所對應的相上橋MOS管無法關閉。

因此，PWM相序控制異常會導致大電流產生，底事件X9不可排除。

3" 機理分析

3.1" 驅動芯片控制說明

MSK4322HD內部采用三相橋驅動方式，通過3對共6相PWM信號分別控制內部6個MOS管的通斷，PWM信號高對應關斷，低對應開啟；三相上橋PWM+斬波，三相下橋PWM-常開，同一時間只有1個上橋MOS管和1個下橋MOS管開通，6個MOS管開通的順序依據(jù)電機旋轉變壓器的位置信息確定，運動過程中不允許出現(xiàn)一次更換兩相。

FPGA內部設置斬波頻率為20 kHz，占空比最大開通至98%，采用通用的實時換相控制方式，即采集到旋變位置角度滿足換相要求時，立即控制6相PWM信號輸出變換，以滿足電機實時響應特性要求。

3.2" 故障說明

以A+B-→C+B-換相為例，正常情況下，轉入一相后，A相上橋MOS管關斷，C相上橋MOS管開通，但若異常發(fā)生，A相上橋MOS管無法關斷，也未進行斬波，就會導致B相下橋MOS管電流迅速增大。

試驗時，外部功率供電電源能力為60 V、100 A，不斬波情況下，A相功率電流會迅速增大至18.52 A（2.7節(jié)），C相電流為工作正常值，約為1～2 A。電機每一拍的持續(xù)時間t為

t=360°/（n×m）/ω" ，" " " " " " "（1）

式中：n為電機極對數(shù)5，m為PWM信號數(shù)6，ω為角速度，電機運動時轉速為200 rpm，因此角速度為1 200 °/s。

持續(xù)0.01 s的約20 A電流不足以損害B相的下橋MOS管，但當電機旋變角度運動至C+B-的下一拍C+A-時，由于此時A相上橋未關斷，而A相下橋已經開啟，便會出現(xiàn)A相上下橋直通現(xiàn)象。單個MOS管的GS電阻為70 mΩ，采樣電阻為0.1 Ω，導線阻抗不大于0.1 Ω，在直通時近似短路，因此電流會在瞬間達到外部功率電源上限100 A，使COM端的電壓迅速升高，A相下橋MOS管的柵源電壓快速降低，導通內阻增大，熱量迅速提升，最終造成過熱擊穿，使MOS管短路。

3.3" 400 ns低脈沖產生機理

PWM信號斬波頻率為20 kHz，對應周期為50 ？滋s，根據(jù)電機速度大小進行占空比調節(jié)；電機旋變位置采集周期為8 ？滋s；FPGA的晶振頻率為20 MHz，對應周期為50 ns。

PWM信號根據(jù)電機速度大小進行占空比調節(jié)，由于單個PWM控制周期內沒有對換相的相序進行鎖定，因此電機可以在單個PWM周期內多次換相，換相時刻可以出現(xiàn)在PWM周期內的任意時刻，且該時刻為FPGA晶振周期50 ns的整數(shù)倍，因此若在PWM+信號變低并經過8個FPGA晶振周期后，電機發(fā)生換相，就會產生寬度為400 ns的低脈沖信號。

該信號會引起MSK4322HD內部邏輯控制異常，無法關閉對應的相上橋MOS管，導致電機運行中出現(xiàn)單橋的上下管直通，并最終造成過熱擊穿。

4" 故障復現(xiàn)

定位故障后，從兩方面進行了故障復現(xiàn)。

1）在約束外部供電總功率的情況下，使用試驗設備及模擬負載進行測試。將功率電源設置為60 V/8 A，電機轉速設置為200 rpm，通過測試臺逐步增加負載。當負載大于3 Nm（等效推力大于2 500 N）并持續(xù)運行一段時間后，芯片就會出現(xiàn)異常，功率電源進入保護模式。經多次測試，發(fā)現(xiàn)三相繞組隨機有一相出現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象均相同，且異常時刻上橋的PWM均出現(xiàn)400 ns的低脈沖，其中一次C相異常如圖9所示。

2）人為控制低脈沖信號脈寬，觀察故障是否與脈寬有關。通過修改FPGA系統(tǒng)控制軟件，模擬制造異?，F(xiàn)象。將A+B-→C+B-換相時刻設為觸發(fā)點，在A相的PWM+信號由高電平變低電平后，人為設置延遲時間t（如3.3節(jié)所述，按照50 ns的倍數(shù)進行設定），之后再按照正常相序開通，t分別設置為350、400、450 和500 ns，經多次驗證，發(fā)現(xiàn)僅在脈寬為400 ns且負載超過2.5 Nm（等效推力大于2 200 N）時，該故障才會出現(xiàn)，且必然出現(xiàn)，其他情況時工作均正常。

綜上所述，該故障為三者共同作用：①高負載；②電機實時換相；③換相時會使PWM信號產生脈寬恰好為400 ns的低脈沖信號。

上述三者均為正常情況，但耦合后會造成MSK4322HD內部邏輯控制異常，無法關閉對應的相上橋MOS管。該芯片特性未在芯片手冊上說明。

5" 改進措施及驗證

5.1" 改進措施

由于故障為高負載、實時換相及換相產生400 ns低脈沖三者耦合造成，因此對三者任一解耦即可徹底消除。而進一步分析，直接原因是PWM信號相序控制異常導致的芯片工作異常，故而對嵌入式程序進行更改。

FPGA內部設計了三角波式的PWM計時器，數(shù)值為1 000，單個PWM周期內計時器從500遞減至1，再從1遞增至500。修改前，F(xiàn)PGA檢測到控制區(qū)間（cpc）有變化即進行換相，若一個PWM周期內出現(xiàn)相序變化，則會出現(xiàn)兩次相序導通的情況。

修改后，單個PWM周期內只允許1次換相，同時將換相時刻設置為每個PWM計數(shù)器重新開始的時刻。FPGA在PWM計時器的極值點對當前的cpc進行鎖存，得到cpc_s，再根據(jù)cpc_s進行換相，這樣即使在單個PWM周期內出現(xiàn)相序變化，也不會改變當前周期的信號輸出。修改前后時序變化如圖10所示。

由圖10可見，修改前，PWM信號時序實時變化，因此會導致400 ns低脈沖信號的出現(xiàn)；修改后，PWM信號只在固定時刻變化，保證每個時序寬度固定，因此能夠從根源上杜絕故障再次發(fā)生。

5.2" 驗證情況

使用修改后的嵌入式軟件、試驗設備及模擬負載進行驗證測試，分別在1～4.5 Nm（負載0～4 000 N對應0～4.5 Nm）情況下，以0.5 Nm為步長的共8個負載檔位下進行了多次跑合驗證，均未觸發(fā)功率電源過電流保護情況。對PWM上橋控制信號的切換時機進行監(jiān)視，如圖11所示，可見換相時刻只在每個PWM周期的起始點。

措施落實后，后續(xù)的試驗中再未出現(xiàn)過該故障。因此，改進措施準確、有效，能夠從根本上解決該故障。

6" 結束語

本文以MSK4322HD電機驅動芯片內部MOS管損傷故障為研究對象，采用故障樹分析法列出了所有相關底事件，再通過原理分析和實際測試準確定位故障為PWM相序控制異常導致的過流損傷；采用2種手段復現(xiàn)了故障，明晰了故障的產生機理，做出了應改進并驗證了改進措施準確有效，對MSK4322HD電機驅動芯片及其他采用PWM信號控制電機的驅動芯片、電路具有相當?shù)膮⒖純r值。

參考文獻：

[1] 黃元峰，徐松，王海峰，等.直流無刷電機方波控制系統(tǒng)母線電容紋波電流的分析計算[J].電工技術學報，2018，33（19）：4544-4552.

[2] 蔣元廣，施周，孫曉東，等.電動車用直流無刷電機不同永磁結構對比分析[J].電氣傳動，2019，49（2）：61-65.

[3] 鄭宏，張佳偉，徐文成.基于STM32的直流無刷電機正弦波控制系統(tǒng)[J].電子器件，2016，39（6）：1521-1526.

[4] 劉鳳麗，楊超，張嘉易，等.基于DSP的直流無刷電機驅動系統(tǒng)設計[J].光電技術應用，2019，34（2）：50-54.

[5] 閆冉.基于FPGA的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真及研究[J].信息通信，2018（3）：32-34.

[6] 應弋翔，何嘉冰，李沈崇，等.基于MC33035+MC33039的直流無刷電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2019，280（24）：49-51，54.

[7] 何龍.基于STM32F7的電機驅動系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（5）：95-96.