海宝HPR260XD等离子主板“116”报警的芯片级维修技术研究
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
0.5~64mm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。
1HPR260XD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）。
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）
摘要：针对海宝HPR260XD等离子电源控制主板（型号041993）故障导致的“116”报警问题，设计开发一套芯片级维修方案。该方案先就其外部原因制定检查步骤，在排除外部因素确定故障在控制主板内部后，建立测试环境、状态分析判定、信号流向分析、识别并设置关键测试点、制定快速检查流程5个阶段来开展芯片级维修，形成基于关键测试点波形检查的芯片级维修方法。运用该方法能有效解决041993主板“116”报警问题。其中，快速检查流程的引入使得维修过程有了主干，摒弃毫无方向的全查全测，实现了作业过程标准化、流程化，将故障判断到芯片，填补了芯片级维修技术空白，不用再更换进口控制主板，经济实惠地解决“116”报警问题。
关键词：等离子电源；海宝HPR260XD；控制主板；报警，维修技术
中图分类号：TH17文献标志码：A文章编号：1672-545X（2022）06-0079-04收稿日期：2022-03-04
作者简介：粟小宝（1980-），男，广西南宁人，工程师，专注高端数控系统、进口板卡维修技术研究以及培训课程开发.
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图2控制板LED 状态指示灯
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，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+24V ，J105-2针接24V 电源的0V ，限流100mA ，24V 为CAN 总线通讯电路提供电源；排插J105-4针接+5V ，J105-5针接5V 电源0V ，限流250mA ，5V 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5V 、3.3V 是否正常工作，同时需要观测电源5V 工作电流（正常200~220mA ），24V 工作电流（正常30~50Ma ），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5~10s 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。
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
表1控制板(PCB3)LED 状态分析
LED 信号名称正常状态检查方向D100D101D322D324D113D114
+5VDC +3.3VDC ErrorNot readyCAN TXCAN RX
常亮常亮常灭常灭
不停闪烁不停闪烁
电源分配板供电板载降压电路根据报警代码根据报警代码通讯电路通讯电路
图1等离子系统
气体控制箱
等离子电源
割
041993控制主板
J105
J103J102
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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。
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 、40MHz 频率、32k 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33V 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。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3CAN 通讯状态指示灯
图4控制板CAN 通讯电路
J103DR910
11
594832261
5
6784
321U10
SN65HVD230
249R
R105Vref CANL CANH RS R VCC GND D R106R104
121R 402R
D106D105
GND
SMBJ33A SMBJ33A
+3.3V
1
23
4NC
NC
8765
U108
HCPL0601
维修主板
R103402R
CAN TX
U11174LVC541AD
U100Pin72CAN RX
12345678910
20
19
18171615
14
131211QE#1A0A1A2A3A4A5A6A7GND
VCC QE#2Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7R144D113121R R145D114121R
GND +3.3V
U100Pin70
R125249R
567
8
4
32
1
NC
NC U109HCPL060181
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。
参考文献：
[1]美国海宝.HPR260XD Manual Gas 使用手册806349修订版本3[S].美国：美国海宝，2015.
[2]铙运涛，王进宏.现场总线CAN 原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2017.[3]德州仪器.TMS320LF2407A 数据手册[S].美国：Texas Instru-ments ，2006.
[4]德州仪器.SN74LVC541A 数据手册[S].美国：Texas Instruments ，2008.[5]德州仪器.SN65HVD230DR 数据手册[S].美国：Texas Instru-ments ，2007
.图6CAN 总线通讯波形
图7CAN
收发器芯片
图5故障检查流程
041993主控板故障导致的“116”报警
主板J105供5V ，24V
两路电源
D324、D322亮否
是
否
是
CPU 、内存、IO 坏，更换
041993主板
示波器测量关键测试U111-16，对比图6
波形一致更换芯U111
（SN74LV541AD ）
示波器测量关键测试U108-6，对比图6
波形一致否
更换光耦U108（HCPL-0601）
是
否
是
示波器测量关键测试点U109-6，对比图6
波形一致
更换光耦U109（HCPL-0601）
更换芯片（图7）U10（SN65HVD230DR ）
“116”故障解除
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