海宝HPR260XD等离子主板“116”报警的芯片级维修技术研究

粟小宝

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

海宝HPR260XD等离子是美国海宝生产的一款精细等离子电源，最大切割电流260安培，适宜切割0.5～64 mm金属材料。因具有高精细低熔渣切割质量及优异的切割速度表现，该等离子电源广泛用于各类高端精细等离子切割机（系统）。在实际使用过程中控制主板041993故障导致的“116”报警是海宝等离子电源常见故障之一。查阅海宝HPR260XD Manual Gas使用手册[1]的错误代码诊断表可知，“116”报警代码指“控制主板与气控台之间的CAN通讯系统出错”，手册建议“检查并更换控制主板、气体控制台主板、CAN通讯电缆三个方面”。关于该主板芯片级维修文献是空白，之前因控制主板故障引发HPR260XD电源的“116”报警只能通过更换控制主板方式解决。由于控制主板是进口部件，不仅价格高而且供货周期长，亟需开发一套针对“116”的报警方案。

1 HPR260XD等离子切割系统

完整的海宝HPR260XD等离子切割系统由等离子电源、切割机床控制器、气体控制箱、THC（Torch Height Control）割炬高度控制模块、割枪等5部分组成[1]，如图1所示。等离子电源作为整个切割系统的功率输出设备极其关键，将三相交流输入转换为可控的恒定直流输出（15A-260A）。控制主板041993如图1所示，其作为等离子电源控制核心发挥着关键作用，与气体控制箱（图1）通过CAN（Controller Area Network）总线通讯，总线将控制主板当前设定电流、实际水流量、报警信息发送到气体控制台，同时接收气体控制台回传的气体压力等数据。此外，控制主板通过IO端子与斩波器连接，在切割时电流传感器将斩波器工作电流反馈回控制主板，以调整向斩波器输入PWM（Pulse Width Modulation）占空比，实现切割电流的恒定。等离子切割系统有较为完善的报警功能，HPR260XD对于高性能等离子互锁出错的检测由传感器来读取并反馈给主控板DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理器，即设备上电时等离子电源系统首先按开机时序进行自检，判断与气体控制台的通讯、割炬水流量、斩波器、电流检测、气压、各路温度传感器是否工作在正常状态。等离子电源会将出错指示代码以数码显示在气体控制箱上（手动气体控制箱），或显示在CNC控制器上（自动气体控制箱）。

图1 等离子系统

2 控制主板“116”报警的传统维修方法

由于设备厂商将控制主板电路图视为保密资料，使得传统的维修是在没有电路图指引情况下的“盲修”。即使用万用表对电路中的电阻、电容、二级管等有明显特性的器件开展拉网式的逐一排查，找出差异点。但由于元器件焊接在电路上已构成回路，在线测量的数值往往与器件实际参数有较大偏差，很容易产生误判错判等情况，频繁的拆焊可疑元器件进行离线的再检测不仅浪费大量时间，而且不良的拆焊手法还会导致故障进一步扩大。由于芯片是极其复杂的器件，好坏的判断通常使用功能测试法，传统的阻值测量法难以作出准确判断。可见传统的维修方法高度依赖于经验，对维修人员提出了很高的要求。加上该控制主板PCB（Printed Circuit Board）表面涂抹了防水披覆胶，大幅增加了检查的难度，要完成电路上几百个器件的准确测量及判定是一个难以完成的任务，传统维修方法不仅可行性差，而且成功率低。

3 控制主板“116”报警的芯片级维修方案

虽然手册[1]对“116”报警指出了检查方向，但在控制板上影响通讯异常的因素仍然很多，需构建一套高效、可行的芯片级检修方案解决传统维修方法的诸多不足。CAN通讯是ISO国际标准化的串行通信协议，硬件维修方案基于CAN电路的构成及运行状态识别展开，重点对CAN控制器、信息收发器、数据传输终端三方面开展信号流检查。而开展信号检查首先要搭建主板模拟运行环境，让控制主板得电运行，通观察主板上的LED灯状态（表1）来判断主板是否完成自检，只有完成自检的控制主板才进入下一步的信号流检修。信号检查阶段首先要测绘主板的CAN总线通讯电路图（图4），基于电路图上芯片功能来分析信号流向，结合硬件边界在电路图中设定关键测试点，最后设计出信号检查流程，使维修过程标准化、流程化。所以维修方案设计为搭建测试环境、状态分析判定、信号流向分析、设置关键测试点、制定快速检查流程五个阶段。

3.1 搭建模拟测试环境

搭建控制板的模拟测试环境为控制主板提供2路供电，其中插座（图1）J105-1针接+24 V，J105-2针接24 V电源的0 V，限流100mA，24 V为CAN总线通讯电路提供电源；排插J105-4针接+5V，J105-5针接5 V电源0 V，限流250 mA，5 V为控制板上的CPU、内存、可编程逻辑芯片等提供工作电源。

3.2 主板状态分析判定

状态分析阶段是通过观察图2控制板LED状态指示灯，并和表1控制板（PCB3）LED状态分析表进行对比分析，从而缩小故障范围。电源指示灯D100、D101状态反映5 V、3.3 V是否正常工作，同时需要观测电源5 V工作电流（正常200～220 mA），24 V工作电流（正常30～50 Ma），超出20%说明电源负载存在问题，重点检查负载方向；错误指示灯D322、D324状态反映CPU运行情况，在上电后5～10 s D324、D322依次亮起（红灯）标注着控制主板能够自检，CPU、内存、可编程逻辑芯片已工作，若未能亮起说明控制板存在严重故障，需要运用仿真器进行检修（不在本次研究范围）；通讯指示灯D113、D114反映CAN通讯是否已建立，没有闪烁说明故障在通讯电路。

表1 控制板(PCB3)LED状态分析

图2 控制板LED状态指示灯

3.3 信号流向分析

系统性检修海宝控制板通讯电路，需对信号流向进行深入分析，基于分析才能建立关键测试点及测试步骤。运用CAN总线分析仪对控制主板与气体控制板CAN总线进行数据监听得知，设备得电后控制主板首先向气体控制板发出通讯报文，气体控制板收到报文并返回报文，在板卡硬件、软件、总线正常的情况下两块板建立起正常通讯，图3所示D113、D114CAN通讯状态指示灯交替闪烁。通过上述分析，无需解析CAN通讯报文，只需在通讯电路中识别设置关键测试点，运用数字示波器进行波形测量就能找到故障点。为深入研究海宝041993控制板通讯电路，测绘了CAN电路图（图4）。从图4可知，完整的CAN电路是由CAN控制器和CAN收发器两部分构成[2]，两部分通过TTL（Transistor-transistor logic）电平的收发信号（CANRX、CANTX）连接，由CAN收发器将CANTX的TTL信号转换为CAN规范差分信号输出（CANH、CANL)、同时接收插分线上的实际信号并转换为TTL信号输出到CANRX管脚上。CAN收发器与CAN控制器的CANTX和CANRX经过信号转换及光耦合相连，最后由CAN收发器CANH和CANL引脚对外输出标准的CAN信号。

图3 CAN通讯状态指示灯

3.4 设置关键测试点

控制主板的微处理器U100为德州仪器TMS320LF2407A，芯片为16位DSP、40 MHz频率、32 k闪存、144引脚，除负责整个等离子电源内外部信号处理外，芯片还集成了CAN通讯控制器[3]，U100-72为CANTX（发送端），U100-70为（CANRX）接收端。CAN收发信号信号经过U111（SN74LVC541AD）[4]三态输出缓冲器转换后与U108、U109光耦合（图3）电路相连，最后进入CAN收发器芯片U10（SN65HVD230DR)，该芯片可实现高达1Mbps的数据通讯速率[5]，经过差分的信号从接线插头J103-2、J103-7（图4）向外输出，为抑制外部的寄生干扰增强主板防护性，还加入了保护管D105、D106，型号SMBJ33A，用于吸收电路中的尖峰电压及浪涌电流，将总线对地电压限制在33 V以下。根据信号流向设置3个关键测试点，如图3所示U111-16、U108-6、U109-6。控制主板在模拟运行测试环境下，即使未连接外部CAN总线，用数字示波器测量关键测试点也能锁定故障芯片或元件。

图4 控制板CAN通讯电路

3.5 制定快速检查流程

为了更准确、高效地确定故障部位，仅有关键测试点仍然不够，还需要将故障检查与诊断作业过程标准化、流程化。基于信号流向为主线绘制出主控板“116”报警故障检查流程如图5所示，流程图中融合了详细检查步骤、测量方法、判定标准以及处置方式，按检查流程开展检修工作能快速解决“116”报警问题。

图5 故障检查流程

图6 CAN总线通讯波形

图7 CAN收发器芯片

4 结束语

通过对海宝HPR260XD控制主板041993的芯片级维修技术的研究，构建了一套“116”报警的芯片级维修方案。通过电路测绘及信号流向的分析，识别确定了关键测试点，并运用故障检查流程将测试点、检查步骤、判定基准、处置方式融合在一起，让维修作业过程标准化、流程化，解决传统维修模式耗时长成功率低等问题。经过实际验证，在海宝HPR260XD控制板出现“116”报警时，运用研究的芯片级维修方案，使用常规的仪器仪表，能在较短时间内自主开展系统性检查，准确锁定故障元件，最终实现芯片级的自主维修，不仅大幅减少故障停机时间，而且对减少备件储备、降低委外维修费用方面发挥重要的作用，芯片级维修技术研究成果（方案）可行、有效，具有现实意义。