基于故障树法的电机驱动芯片故障分析与改进

摘" 要：在高负载状态下，电机重复出现异常停机情况，且每次异常的工况和反馈数据均一致。电机驱动芯片为MSK4322HD，测量发现该芯片某PWM信号管脚对地阻抗由高阻态变为低阻态，开帽后，在相应PWM信号对应的MOS管处发现烧蚀痕迹，判断为芯片内部MOS管损伤。针对该故障展开分析。首先，采用故障树分析法列出相关底事件，根据电路远离开展测试，逐一排查，最终定位故障为异常相序信号导致的过流损伤；其次，进行机理分析，发现异常相序信号是由电机实时换相、换相导致PWM低电平信号持续特定时间及高负载3种正常条件耦合引起的，对三者任一解耦即可解决。在此基础上，进行故障复现，证明定位准确无误；最后，对嵌入式软件制定相应的改进措施，并通过试验验证其有效性。

关键词：电机驱动芯片；故障树法；MOS管；PWM信号；过流损伤

中图分类号：V243" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

直流无刷电机具有结构简单、调整性能优良、运行可靠及易于维护等优点，因此用途广泛[1-2]。时至今日，使用单片机、DSP和FPGA等芯片，通过电机驱动芯片控制电机运动已十分成熟[3-7]。

本文所研究的设备采用FPGA和MSK公司的专用驱动芯片MSK4322HD电机驱动芯片驱动直流无刷电机。某次试验中，电机在带载工作时突然停机，控制界面未报错，但无论是手动下发指令还是重新加电，都无法使电机恢复工作。

将控制回路切换至备份，工作正常，因此判断为电机控制回路故障；随后该故障又出现2次，形式、反馈数据和负载情况与首次基本一致，判断为同一故障。

针对该故障，采用故障树分析法进行了故障定位，通过故障复现验证了定位的准确性，最后制定了改进措施，并验证了改进措施准确、有效。

1" 概述

1.1" 故障描述

对电机控制回路进行测试，发现故障来自于电机驱动芯片MSK4322HD，其A相信号引脚对地阻抗为13.6 Ω（正常阻抗应大于40 MΩ），A相信号引脚对COM端二极管电压为0 V（正常应为0.4 V），说明电机驱动芯片MSK4322HD的A相下桥MOS管漏源极出现低阻通路。将芯片进行开帽检查，发现A相的下桥GDS烧毁，如图1所示。

1.2" 电机驱动电路原理

电机为直流无刷电机，供电电压范围为57±9 V，内阻为2.7 Ω，电感为8.5 mH。MSK4322HD的最大驱动电压为200 V，最大稳态输出电流为20 A，瞬时最大电流为44 A，内置MOSFET驱动电路、滤波电路和低电压锁定电路，最大开关频率25 kHz，内部示意图如图 2所示。电机的负载不大于3 000 N，对应电机相电流不大于7.5 A，PWM开关频率为20 kHz，电机驱动电路原理如图3所示。

2" 故障定位

以“电机驱动芯片内部MOS管损伤”为顶事件进行了故障树分析，针对可能的因素罗列底事件，故障树如图4所示，共包括9个底层事件。

根据图4中的故障树，对引起顶事件的所有可能性进行排查和定位。

2.1" 芯片功率供电异常

将驱动芯片的功率供电信号引出，通过高速数据采集设备对信号进行实时监测，输出正常，因此可排除底事件X1。

2.2" 芯片逻辑供电异常

MSK4322HD直接使用内部DC/DC转换后的逻辑+12 V供电，根据手册，若逻辑供电低于8.65 V，内部三相桥的6个MOS管就会关闭，不会对芯片造成物理损伤；且该12 V还为力传感器等设备供电，相关设备均工作正常，因此可排除底事件X2。

2.3" 外部系统环境引入高压

将三相电机绕组电压信号引出，通过高速数据采集设备对信号进行实时监测，输出正常，因此可排除底事件X3。

2.4 电机瞬时换向产生高压

电机运动过程中若出现瞬时反转，等效电机反接制动工况，此时电机会产生反电动势，叠加在电机供电电压上，使电机绕组电压和母线供电电压均升高。反电动势大小与电机转动速度相关。

分别在空载和带载条件下对电机进行200 rpm和400 rpm的跑合测试。经测试，绕组和母线电压最高分别升高至80 V和95 V，均未超过MSK4322HD的200 V额定电压。实际运行过程中电机的转速为200 rpm，因此可排除底事件X4。

2.5 过载堵转产生高压

电机在运转过程中如遇到较大阻力，可能发生堵转或转速突降至0 rpm的情况，此时电机的相电流很大，电机上的电感能量会通过三相桥驱动MOS管的体二极管对储能电容充电，使母线电压升高。将电机过流阈值设置为7 A，在转速为200 rpm时，调整过流保护时间进行测试，时间范围为30～100 ms。结果表明，绕组和母线电压最高升至125 V，仍未超过MSK4322HD的供电电压范围，因此可排除底事件X5。

2.6 芯片控制异常产生高压

若电机控制方式异常，同样可能产生高压。但在电机出现异常的时刻，高速数据采集设备采集的三相绕组以及功率供电信号，均未出现超过200 V的高压，因此可排除底事件X6。

2.7 负载变化产生大电流

随着试验次数增多，负载也会出现较大变化，进而引起电机电流的快速波动。

电机采用60 V供电，相内阻为2.7 Ω，外部导线阻抗约为0.3 Ω，COM端采样电阻0.1 Ω，PMOS管内阻为0.07 Ω，驱动芯片内部MOS管内阻也为0.07 Ω，因此若发生电机堵转，产生的最大电流为18.52 A，仍小于芯片最大通流20 A。

同时，电路中设计了过流保护功能，过流阈值设置为7 A，过流保护时间为30 ms，触发过流保护后会立即停机。该功能已经过多次验证，包括2.5节的试验验证，能够有效保护电路安全，因此可排除底事件X7。

2.8 逻辑控制信号幅值不足

电机驱动芯片MSK4322HD手册要求，PWM信号可以使用5 V CMOS或者TTL逻辑电平，PWM的高电平不低于2.2 V，低电平不高于0.8 V。设备内部的6相PWM控制信号由FPGA输出，转换为5 V电平然后输入给MSK4322HD。信号实测波形如图5所示，可见PWM信号高电平为5 V，低电平为0 V，满足设计要求。因此可排除底事件X8。

2.9 相序控制异常导致大电流产生

电机运动控制需要按照指定的相序进行开通控制，FPGA软件则按照电机运动方向分别选择了相应的开通相序。如相序控制异常，同样可能产生大电流，烧毁MOS管。

经复核，当电机运动相序为A+C-→A+B-→C+B-→C+A-→B+A-→B+C-时，对应电机反向运动，带动负载。FPGA内部软件设计与电机实际运动需求相同，控制相序无错误。

将控制器及电机置于加载测试台进行等效试验验证，加载范围按照负载和电机转矩的对应关系进行等效控制（负载0～3 500 N对应电机0～4 Nm），功率电源设置为60 V/8 A。使用离散模式控制电机按实际工作方向运行，转速设定为200 rpm，通过示波器采集功率母线电流及三相绕组电压，如图6所示。

由图6可见，电机运动相序符合要求，单相绕组处于斩波状态时对应上桥打开，处于低电平时对应下桥关断，其余状态对应上下桥均关断。

运动过程中通过加载测试台逐渐增加负载，当负载增大至超过3.5 Nm时，发现三相绕组会随机出现一相输出异常，异常信号如图7所示。

由图7可见，当电机相序由“A相-gt;B相”转换至“C相-gt;B相”时，A相绕组输出应处于关闭状态（低电平），C相绕组输出应处于开通状态（高电平），但实际A相和C相均输出高电平，导致A相上桥MOS管无法关闭，功率母线电流增大，超过稳压电源保护阈值，造成功率母线电压跌落。

直接采集A相上桥MOS管G极电压，再将异常时刻信号展开，如图8所示。

由图8可见，PWMA+信号在斩波结束（换相）时出现了约400 ns的低脉冲信号，A相绕组及A相上桥MOS管G极电压均仍为高电平，MOS管未关断。经过多次反复验证，三相绕组任一相都可能出现异常，且异常相的PWM+信号都出现约400 ns脉宽的低脉冲信号，导致所对应的相上桥MOS管无法关闭。

因此，PWM相序控制异常会导致大电流产生，底事件X9不可排除。

3" 机理分析

3.1" 驱动芯片控制说明

MSK4322HD内部采用三相桥驱动方式，通过3对共6相PWM信号分别控制内部6个MOS管的通断，PWM信号高对应关断，低对应开启；三相上桥PWM+斩波，三相下桥PWM-常开，同一时间只有1个上桥MOS管和1个下桥MOS管开通，6个MOS管开通的顺序依据电机旋转变压器的位置信息确定，运动过程中不允许出现一次更换两相。

FPGA内部设置斩波频率为20 kHz，占空比最大开通至98%，采用通用的实时换相控制方式，即采集到旋变位置角度满足换相要求时，立即控制6相PWM信号输出变换，以满足电机实时响应特性要求。

3.2" 故障说明

以A+B-→C+B-换相为例，正常情况下，转入一相后，A相上桥MOS管关断，C相上桥MOS管开通，但若异常发生，A相上桥MOS管无法关断，也未进行斩波，就会导致B相下桥MOS管电流迅速增大。

试验时，外部功率供电电源能力为60 V、100 A，不斩波情况下，A相功率电流会迅速增大至18.52 A（2.7节），C相电流为工作正常值，约为1～2 A。电机每一拍的持续时间t为

t=360°/（n×m）/ω" ，" " " " " " "（1）

式中：n为电机极对数5，m为PWM信号数6，ω为角速度，电机运动时转速为200 rpm，因此角速度为1 200 °/s。

持续0.01 s的约20 A电流不足以损害B相的下桥MOS管，但当电机旋变角度运动至C+B-的下一拍C+A-时，由于此时A相上桥未关断，而A相下桥已经开启，便会出现A相上下桥直通现象。单个MOS管的GS电阻为70 mΩ，采样电阻为0.1 Ω，导线阻抗不大于0.1 Ω，在直通时近似短路，因此电流会在瞬间达到外部功率电源上限100 A，使COM端的电压迅速升高，A相下桥MOS管的栅源电压快速降低，导通内阻增大，热量迅速提升，最终造成过热击穿，使MOS管短路。

3.3" 400 ns低脉冲产生机理

PWM信号斩波频率为20 kHz，对应周期为50 ？滋s，根据电机速度大小进行占空比调节；电机旋变位置采集周期为8 ？滋s；FPGA的晶振频率为20 MHz，对应周期为50 ns。

PWM信号根据电机速度大小进行占空比调节，由于单个PWM控制周期内没有对换相的相序进行锁定，因此电机可以在单个PWM周期内多次换相，换相时刻可以出现在PWM周期内的任意时刻，且该时刻为FPGA晶振周期50 ns的整数倍，因此若在PWM+信号变低并经过8个FPGA晶振周期后，电机发生换相，就会产生宽度为400 ns的低脉冲信号。

该信号会引起MSK4322HD内部逻辑控制异常，无法关闭对应的相上桥MOS管，导致电机运行中出现单桥的上下管直通，并最终造成过热击穿。

4" 故障复现

定位故障后，从两方面进行了故障复现。

1）在约束外部供电总功率的情况下，使用试验设备及模拟负载进行测试。将功率电源设置为60 V/8 A，电机转速设置为200 rpm，通过测试台逐步增加负载。当负载大于3 Nm（等效推力大于2 500 N）并持续运行一段时间后，芯片就会出现异常，功率电源进入保护模式。经多次测试，发现三相绕组随机有一相出现故障，故障现象均相同，且异常时刻上桥的PWM均出现400 ns的低脉冲，其中一次C相异常如图9所示。

2）人为控制低脉冲信号脉宽，观察故障是否与脉宽有关。通过修改FPGA系统控制软件，模拟制造异常现象。将A+B-→C+B-换相时刻设为触发点，在A相的PWM+信号由高电平变低电平后，人为设置延迟时间t（如3.3节所述，按照50 ns的倍数进行设定），之后再按照正常相序开通，t分别设置为350、400、450 和500 ns，经多次验证，发现仅在脉宽为400 ns且负载超过2.5 Nm（等效推力大于2 200 N）时，该故障才会出现，且必然出现，其他情况时工作均正常。

综上所述，该故障为三者共同作用：①高负载；②电机实时换相；③换相时会使PWM信号产生脉宽恰好为400 ns的低脉冲信号。

上述三者均为正常情况，但耦合后会造成MSK4322HD内部逻辑控制异常，无法关闭对应的相上桥MOS管。该芯片特性未在芯片手册上说明。

5" 改进措施及验证

5.1" 改进措施

由于故障为高负载、实时换相及换相产生400 ns低脉冲三者耦合造成，因此对三者任一解耦即可彻底消除。而进一步分析，直接原因是PWM信号相序控制异常导致的芯片工作异常，故而对嵌入式程序进行更改。

FPGA内部设计了三角波式的PWM计时器，数值为1 000，单个PWM周期内计时器从500递减至1，再从1递增至500。修改前，FPGA检测到控制区间（cpc）有变化即进行换相，若一个PWM周期内出现相序变化，则会出现两次相序导通的情况。

修改后，单个PWM周期内只允许1次换相，同时将换相时刻设置为每个PWM计数器重新开始的时刻。FPGA在PWM计时器的极值点对当前的cpc进行锁存，得到cpc_s，再根据cpc_s进行换相，这样即使在单个PWM周期内出现相序变化，也不会改变当前周期的信号输出。修改前后时序变化如图10所示。

由图10可见，修改前，PWM信号时序实时变化，因此会导致400 ns低脉冲信号的出现；修改后，PWM信号只在固定时刻变化，保证每个时序宽度固定，因此能够从根源上杜绝故障再次发生。

5.2" 验证情况

使用修改后的嵌入式软件、试验设备及模拟负载进行验证测试，分别在1～4.5 Nm（负载0～4 000 N对应0～4.5 Nm）情况下，以0.5 Nm为步长的共8个负载档位下进行了多次跑合验证，均未触发功率电源过电流保护情况。对PWM上桥控制信号的切换时机进行监视，如图11所示，可见换相时刻只在每个PWM周期的起始点。

措施落实后，后续的试验中再未出现过该故障。因此，改进措施准确、有效，能够从根本上解决该故障。

6" 结束语

本文以MSK4322HD电机驱动芯片内部MOS管损伤故障为研究对象，采用故障树分析法列出了所有相关底事件，再通过原理分析和实际测试准确定位故障为PWM相序控制异常导致的过流损伤；采用2种手段复现了故障，明晰了故障的产生机理，做出了应改进并验证了改进措施准确有效，对MSK4322HD电机驱动芯片及其他采用PWM信号控制电机的驱动芯片、电路具有相当的参考价值。

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