西門子伺服驅(qū)動模塊的維修方法和故障判斷

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近年來西門子公司Sinumerik數(shù)控系統(tǒng)在制造業(yè)各種加工設備中的應用越來越廣泛。SimoDrive61 l變頻系統(tǒng)是Sinumerik數(shù)控系統(tǒng)中zui重要的組成部分，但是611系統(tǒng)對使用環(huán)境的要求相對較高，電網(wǎng)質(zhì)量、環(huán)境溫濕度及灰塵等因素都對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成很大影響，特別是伺服驅(qū)動模塊和電源模塊的故障率比較高，大功率IGBT元件很容易損壞。

筆者公司目前擁有西門子各類數(shù)控系統(tǒng)近百臺、套，因此對伺服電源模塊和驅(qū)動模塊的維修就顯得特別重要。本文結(jié)合自身的維修經(jīng)驗，主要介紹西門子6SNl 123驅(qū)動模塊的一般維修方法。因為6SNI 145電源模塊與驅(qū)動模塊的電路結(jié)構基本相同，電源模塊實現(xiàn)整流，驅(qū)動模塊實現(xiàn)逆變，其大功率IGBT及其驅(qū)動電路*一樣，因此具有同樣的借鑒意義。

1 驅(qū)動模塊的基本電路結(jié)構

驅(qū)動模塊的結(jié)構較為簡單，分為控制模塊和功率模塊兩部分，控制模塊接收CPU的控制指令及外部反饋信號，產(chǎn)生PWM波，實際應用中故障率很低，在此不做介紹。功率模塊接收PWM波經(jīng)門極驅(qū)動電路放大后觸發(fā)IGBT元件，將600 V直流電逆變生成三相交流電驅(qū)動伺服電動機。功率模塊的故障率較高，驅(qū)動模塊故障的90%均為功率模塊故障，驅(qū)動模塊的維修重點就是功率模塊的維修。圖1為驅(qū)動模塊的電路示意圖。

圖1驅(qū)動模塊結(jié)構示意圖

由圖1可知，Cl、C2和R1、It2組成濾波電路;V1～V6六只IGBT管組成了三相橋式逆變電路，它是驅(qū)動模塊的核心電路之一，有規(guī)律地控制IGBT的導通與關斷，就可以得到任意頻率的三相交流輸出。IGBT管在導通和關斷的瞬間，其電壓和電流的變化率非常大，可能使IGBT管受到損害，因此，每個IDBT管旁邊接人由C01一C06和R01～R06組成的保護電路。IGBT管每次由導通到截止的瞬間，集電極和發(fā)射極間的電壓將迅速由0 V上升為直流母線電壓Ud，C01～C06可以減小這種過高的電壓增長率;同時，IDBT管由截止到導通的瞬間，C01～C06所充的電壓將對V1～V6放電，此放電電流的初值很大，R01～R06可以限制C01一C06的瞬間放電電流，防止IGBT管損壞。

功率模塊故障基本都是IGBT功率元件損壞，主要原因為IGBT元件自身失效或驅(qū)動電路故障導致IGBT元件燒毀，而一般IGBT元件的故障都會導致其驅(qū)動電路的損壞，這一點在驅(qū)動模塊的維修中非常重要。關于IGBT及其門極驅(qū)動電路的維修在下面詳細介紹。

2 IGBT元件的檢修

2.1 IGBT元件簡介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用，在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位。

西門子功率模塊中的IGBT元件一般選用eupee或infineon系列，也有使用富士系列的，其基本結(jié)構都是相同的。如圖2所示，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0 V，則MOS截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極一發(fā)射極間施加十幾伏的直流電壓，只有肚級的漏電流流過，基本上不消耗功率。

圖2 IGBT的等效電路

IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離，此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般為20～30 V，因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在使用IGBT元件時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，或者先釋放靜電然后再觸摸。IGBT元件的散熱不良也是導致其失效的重要原因。IGBT元件與散熱片接觸不好或散熱風扇損壞都將導致IGBT元件發(fā)熱過高而發(fā)生故障。另外，伺服電動機短路，對地絕緣不好，電動機堵轉(zhuǎn)，外部電源電壓過高及驅(qū)動電路故障等都有可能造成IGBT元件的損壞。

2.2 IGBT元件的檢測

IGBT元件可以通過晶體管特性測定裝置檢測G、E及C、E問的漏電流來判斷好壞。一般情況下，使用數(shù)字式萬用表即可進行簡單的故障判定。具體方法如下：

(1)G、E間的檢測：如圖3所示，將C、E間短接，測量G、E間的電阻值。注意不要在G、E間加超過±20 V的電壓，萬用表要確認內(nèi)部電池電壓不超過20V。無論萬用表正負表筆如何連接，檢測的電阻值始終為數(shù)十兆歐至無窮大，則IGBT元件基本正常，否則損壞的可能性很大。

圖3 G、E間的檢測

(2)C、E間的檢測：如圖4所示，將G、E間短接，測量C、E間的電阻值。集電極接萬用表正極，發(fā)射極接萬用表負極，如果相反，則FWD導通，C、E間為短路狀態(tài)。如果檢測的電阻值在數(shù)十兆歐至無窮大，則IGBT元件基本正常，否則損壞的可能性很大。

圖4 C、E間的檢測

上述兩種檢測方法，任何一種檢測結(jié)果異常，均可判定IGBT元件故障，直接更換即可。

3 IGBT元件的檢修

西門子驅(qū)動模塊的門極驅(qū)動電路采用典型的光耦隔離驅(qū)動電路，其原理圖如圖5所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦U5(4 514 V)是一種高速型光耦，控制模塊輸出的PWM方波信號經(jīng)過光耦傳遞至整形放大電路D5(SIE20034)，經(jīng)D5放大后驅(qū)動由V56、V57組成的對管(V56、v57使用C63816、C63916開關管)，對管的輸出經(jīng)電阻R52驅(qū)動IGBT的門極。

圖5驅(qū)動電路原理圖

造成驅(qū)動損壞的原因有各種各樣的，一般來說當驅(qū)動模塊直流母線上快熔開路，或者是IGBT元件損壞的情況下，驅(qū)動電路基本都不可能完好無損。切不可換上好的快熔或者IGBT元件直接上電啟動，這樣很容易造成剛換上的好的器件再次損壞。這個時候需要重點檢查驅(qū)動電路是否正常，方法如下：

(1)先將IGBT元件的G、E腳與驅(qū)動電路板脫開，用萬用表電阻檔分別測量六路驅(qū)動電路G、E腳的阻值是否都相同。萬用表先正極接G負極接E，然后反過來再測量，兩種狀態(tài)如果某路阻值明顯不同，則此路的元件肯定有損壞。

(2)如果六路阻值都基本相同，接下來需要加電測試：使用示波器測量六路驅(qū)動電路上電壓是否相同，當給定一個啟動信號時六路驅(qū)動電路的波形是否一致。如果沒有示波器的話，也可以使用數(shù)字式萬用表來測量驅(qū)動電路的直流電壓。

具體方法是：首先給SIE20034的4、6腳加上工作電壓，測量驅(qū)動電路輸出端的電壓，即G和E之間的電壓，應該均為負值(測G端以E端為基準)，一般約為負5 V左右，如果某一電路不能產(chǎn)生負偏電壓，則驅(qū)動電路一開就會損壞IGBT元件。然后在光耦4 514 V的2、3腳卜加一個約5 V、20 mA的正信號，使光耦導通，此時輸出電壓應為正值，一般為正8—10 V左右，此時如可以明顯地看到隨著光耦輸入信號的有無，輸出端的電壓在正負之間變動，則該通道正常。用此方法分別對6路通道進行測試，結(jié)果一樣則呵以基本認定控制回路正常。

(3)將IGBT元件連接到驅(qū)動電路上，在直流母線上先加上直流30 V電壓替代原來的600 V高壓，依次檢測每一路IGBT元件的通斷情況。為了確保安全，還可以在IGBT元件與濾波大電容之間串聯(lián)一組燈泡做假負載來驗證，通電后如果燈泡亮度很大說明電路有短路情況，這樣可以保護IGBT元件不被大電容的放電電流燒壞。

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)某一路驅(qū)動電路有異常時，可以用比較法(測量阻值或電壓)與正常電路進行逐點比較，zui終找出損壞的元件進行更換，直到測試結(jié)果與正常電路一樣為止。因為驅(qū)動電路的元器件并不多，這種方法找到故障點并不困難。實際維修中4 515 V光耦比較容易損壞，驅(qū)動電路的元件價格一般不是很高，象光耦這樣的器件隨著使用時間的增加性能會逐步變差，一般可以直接更換。實際維修中，光耦也可以用HP4506替代使用。

4 結(jié)語

611驅(qū)動模塊按照功率不同其價格一般在數(shù)萬元左右，隨著西門子新一代S120驅(qū)動系統(tǒng)的推廣應用，611驅(qū)動模塊的備件采購價格將會越來越高。我公司通過對驅(qū)動模塊、電源模塊開展芯片級維修，既降低了備件的采購量，又節(jié)省了大基的維修費用，縮短了設備的維修時間，取得了良好的經(jīng)濟效益。