Сборка печатных плат управления двигателем: производственные, испытательные и надежные проблемы.

Содержание

1. Чем отличается плата управления двигателем от других подобных устройств?

2. Почему сборка печатной платы управления двигателем требует больших затрат

3. Подготовка печатной платы управления двигателем для надежного производства.

4. Процесс сборки печатной платы управления двигателем.

5. Проверка и тестирование печатных плат управления двигателями.

6. Согласование стратегии сборки с областью применения.

7. Заключение

8. Вопросы и ответы

 

---

Заикание роботизированной руки во время движения. Неисправность системы управления электровелосипедом из-за перегрева при подъеме в гору. Двигатель конвейера, вызывающий перегрузку по току, даже если с ним все в порядке. Все эти ситуации могут быть связаны с проблемами в плате управления двигателем, а не с дефектами самого двигателя.

 

Электродвигатели используют электрическую энергию для выполнения механической работы практически во всех отраслях промышленности — от автоматизированных производственных предприятий до электромобилей — и современные системы управления двигателями полагаются на электронику, которая должна выдерживать многократные переключения тока. Сборка печатных плат управления двигателями может подвергаться электрическим и тепловым нагрузкам, которые не затрагивают типичную маломощную логическую плату, что создает особые производственные проблемы.

 

Анализ рынка электродвигателей и приводов неоднократно указывал на перспективы роста в ближайшие годы. Это обусловлено тенденциями автоматизации, политикой энергоэффективности и развитием электромобильности, которые повысят спрос на надежную электронику для управления двигателями. Все это требует наличия платы управления, способной выполнять свои функции в особых электрических и экологических условиях.

 

В этой статье вы узнаете, чем плата управления двигателем отличается от других электронных компонентов, почему ее изготовление может быть сложным, а также о процессах сборки и тестирования.

 

Чем отличается плата управления двигателем?

 

Плата управления двигателем — это не просто промежуточное звено между двумя микросхемами; в зависимости от области применения, она должна определять положение или ток двигателя, выполнять некоторую обработку и управлять силовым каскадом, который переключает ток. Некоторые события переключения и управления происходят в микросекундном масштабе времени.

 

Управление, питание, датчики и защита на одной печатной плате.

 

Большинство плат управления двигателями включают в себя четыре области на одной плате: логику управления, которая может быть реализована микроконтроллером или цифровым сигнальным процессором (DSP); область переключения, которая включает в себя драйвер затвора и силовой каскад; область обратной связи, которая содержит датчик тока или положения; и схему защиты от перегрузки по току и перенапряжения.

 

Именно задача обеспечения надлежащего электрического разделения и чистых сигнальных трактов между этими областями при их размещении на одной плате управления двигателем делает проектирование плат управления двигателем сложной задачей.

 

Конструкция, в которой шумная область переключения расположена вблизи чувствительной дорожки датчика тока, может работать в условиях лёгкого лабораторного стенда, но давать сбои или становиться нестабильной, как только двигатель начинает вращаться под нагрузкой.

 

Плата управления двигателем против платы драйвера двигателя.

 

Эти два понятия иногда используются как синонимы, но на практике плата драйвера двигателя обычно относится в первую очередь к каскаду переключения питания, в то время как плата управления двигателем может также включать в себя логику управления, датчики, обратную связь, связь и защиту. Система управления двигателем с обратной связью использует обратную связь для адаптации своего поведения к изменяющимся условиям эксплуатации.

 

В некоторых приложениях достаточно простой платы управления двигателем. Например, вентилятор, работающий с фиксированной скоростью и не обязательно требующий обратной связи. Однако существуют и такие приложения, для которых необходима вся система обратной связи.

 

Почему сборка печатных плат управления двигателем требует больших затрат?

 

При обычной сборке электронных устройств редко приходится сталкиваться с таким сочетанием нагрузок, с которым ежедневно сталкивается плата управления двигателем.

 

Компоненты с высоким током и высокой мощностью

 

На некоторых печатных платах управления двигателями с высоким током через дорожки и разъемы проходят десятки или даже сотни ампер в зависимости от области применения, и они должны оставаться холодными при работе с номинальной нагрузкой. Расчет ширины дорожек, толщины меди и межсоединений становится не просто желательным, а необходимым, поскольку любая медь недостаточной толщины начинает выделять тепло в момент потребления тока.

 

Плата, идентичная менее мощной плате на схеме, может вести себя совершенно иначе при протекании реального тока из-за необходимости проверки её пропускной способности.

 

Терморегулирование и надежность паяных соединений

 

Силовые компоненты, такие как MOSFET-транзисторы и драйверы, выделяют тепло, которое необходимо очень быстро отводить от платы. Отвод тепла осуществляется с помощью теплоотводящих отверстий, медных заливок, а в некоторых случаях и металлической подложки, при этом паяные соединения силовых устройств должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать термические циклы без растрескивания.

 

Плата управления двигателем, не прошедшая этот процесс, будет незаметно разрушаться, цикл за циклом нагрева, пока не треснет одно из соединений. В этот момент будет трудно отличить случайный возврат из эксплуатации от конструктивного дефекта.

 

Как предотвратить воздействие импульсов питания на чувствительные сигналы

 

Быстрые фронты переключения в силовой секции излучают электрические помехи, которые могут влиять на измерение тока через датчик тока или входной сигнал энкодера. Правильное размещение обеспечивает разделение путей переключения и аналоговых путей измерения, а также максимально короткую длину путей управления затвором.

 

Это не проявится при стендовых испытаниях под небольшой нагрузкой, а станет очевидным только тогда, когда двигатель начнет вращаться под действием крутящего момента.

 

Подготовка печатной платы управления двигателем для надежного производства.

 

Прежде чем первый компонент попадет в машину для установки компонентов, ряд проектных и аналитических решений определяет, насколько бесперебойным будет процесс производства печатных плат управления двигателем.

 

Вопросы, касающиеся печатных плат и структуры слоев.

 

При производстве печатных плат контроллеров двигателей следует учитывать ряд факторов, таких как использование большого количества медных слоев на силовой плоскости и отдельных плоскостей для возвратных плоскостей управления затвором. Количество используемых слоев и толщина медного слоя должны определяться на основе электрических, тепловых, механических требований и требований к изоляции, которые плата будет предъявлять в процессе эксплуатации, а не в условиях стендовых испытаний.

 

Проверка компонентов и спецификации материалов

 

При анализе спецификации компонентов платы управления двигателем следует выявить любые компоненты, имеющие незначительно низкую пропускную способность по току и/или напряжению относительно области применения. Драйверы затвора, MOSFET-транзисторы и резисторы для измерения тока должны иметь достаточный запас прочности для работы с переходными скачками.

 

Проектирование для сборки и тестирования

 

Контрольные точки на управляющих сигналах, датчиках тока и важных шинах напряжения позволяют значительно сэкономить время на этапах запуска и производственных испытаний. Конструкция без этих точек требует прямого измерения контактов с малым шагом, что делает тестирование каждого устройства, сходящего с конвейера, крайне медленным.

 

Процесс сборки печатной платы управления двигателем

 

Стандартные процессы сборки печатных плат остаются актуальными, хотя каждый этап приобретает дополнительную важность, учитывая, что собираемая плата представляет собой контроллер двигателя. Игнорирование этого факта означает, что общий процесс теряет свою значимость в данном конкретном случае.

 

Паяльная паста, установка компонентов для поверхностного монтажа и оплавление припоя.

 

Объем паяльной пасты особенно важен для сборки печатной платы управления двигателем, когда силовые MOSFET-транзисторы используют открытые теплоотводящие площадки, поскольку для эффективной теплопроводности этим площадкам необходимо достаточное покрытие припоем. Если это не контролируется должным образом на этапе проектирования трафарета и оплавления, может возникнуть чрезмерное образование пустот, что снизит теплопередачу и потенциально создаст локальные горячие точки под устройством.

 

Сквозная и смешанная технология сборки

 

Для некоторых сильноточных разъемов, больших конденсаторов и индукторов может использоваться сквозной монтаж, а не поверхностный, поскольку эти компоненты должны выдерживать механические нагрузки, которые одни только контактные площадки для поверхностного монтажа не могут выдержать. Для сборки печатных плат контроллеров двигателей с использованием смешанных технологий применяется последовательность процессов пайки оплавлением и волновой или селективной пайки, которая защищает чувствительные к нагреву компоненты, установленные на печатной плате.

 

Чистка, защита и отслеживаемость

 

Остатки флюса вблизи высоковольтных дорожек действуют как путь утечки при наличии влаги, поэтому очистка в этом случае более важна, чем при работе с низковольтными логическими платами. Во многих проектах по сборке плат управления двигателями для защиты от влаги и пыли применяется конформное покрытие.

 

Код партии и код серии компонентов так же важны, поскольку отслеживание неисправности в процессе эксплуатации должно осуществляться вплоть до производственной партии и серии компонентов.

 

Проверка и тестирование печатных плат управления двигателями.

 

Тестирование печатных плат управления двигателем должно включать в себя гораздо больше, чем просто проверку целостности цепи, поскольку плата, которая показывает хорошие результаты по основным электрическим свойствам, вполне может выйти из строя при реальной эксплуатации.

 

SPI, AOI и рентгеновский контроль

 

Контроль паяльной пасты помогает выявить проблемы с ее количеством до оплавления, а автоматизированный оптический контроль позволяет обнаружить смещенные или отсутствующие компоненты, которые обычно появляются после оплавления. Рентгеновский контроль играет важную роль в случае силовых компонентов со скрытыми термопрокладками, поскольку визуальный осмотр не может подтвердить надежность паяного соединения.

Электротехнические испытания и программирование

 

Внутрисхемное тестирование позволяет обнаружить обрывы, короткие замыкания, неправильные номиналы компонентов и другие неисправности сборки в схемах управления затвором и измерения тока до загрузки прошивки. Тестирование печатной платы контроллера двигателя на этом этапе позволяет выявить проблемы с проводкой и компонентами до попытки запуска двигателя.

 

Кроме того, тестирование печатных плат контроллеров двигателей не ограничивается выявлением проблем с целостностью цепи. Во время тестирования под напряжением или функционального тестирования специалисты могут убедиться, что пороговые значения защиты срабатывают тогда, когда это необходимо, поскольку правильное поведение защиты имеет важное значение для цепи.

 

Функциональное и нагрузочное тестирование

 

Функциональное тестирование печатной платы Проверка должна проводиться с использованием платы с реальным двигателем или реалистичной нагрузкой в ​​виде электронного устройства, которое ведет себя как двигатель, а не с использованием резистивной эквивалентной нагрузки. Сборка печатной платы для контроллеров двигателей должна включать проверку таких аспектов, как ограничение тока, изменение скорости и поведение при заклинивании.

 

Именно эти условия отличают удачный проект от проекта, работающего лишь на бумаге, и именно такие условия были бы упущены при проведении стандартного функционального тестирования.

 

Согласование стратегии сборки с областью применения.

 

Контроллеры двигателей для небольших вентиляторов имеют совершенно иные характеристики, чем контроллеры тяговых двигателей в электромобилях; соответственно, правильный выбор стратегии сборки будет зависеть от этих характеристик.

 

При выборе производителя печатных плат для управления двигателем OEM-производитель должен убедиться, что компания имеет опыт проектирования печатных плат для сильноточных систем и может обеспечить тестирование схем защиты, а не только возможности поверхностного монтажа. Производители, публикующие свои технологические процессы для печатных плат силовых каскадов, обычно замечают проблемы, которые обычные производители печатных плат никогда бы не увидели.

 

PCBasic Оказывает поддержку проектам по сборке печатных плат управления двигателями, включая анализ DFM (проектирование для производства), учет тепловых параметров и функциональное тестирование в соответствии с конкретными требованиями проекта.

 

Заключение

 

Успех или неудача сборки печатной платы управления двигателем зависят от решений, принятых за несколько месяцев до того, как продукт попадет к потребителям, и от того, какие параметры — плотность меди, тепловая схема и тестирование — были учтены.

 

Принятие правильных решений с самого начала позволит сэкономить значительные средства по сравнению с устранением проблем позже. Если вы ищете партнера по производству, который понимает, что сборка печатных плат управления двигателями — это отдельная дисциплина, а не просто стандартная сборка печатных плат, компания PCBasic с удовольствием пообщается с вами.

 

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

 

В1: Что такое сборка печатной платы управления двигателем?

 

Это сборка из печатной платы, предназначенной для управления работой электродвигателя на одной плате.

 

В2: Почему для сборки платы управления двигателем требуется более эффективная система охлаждения, чем для стандартной платы сборки печатной платы?

 

Компоненты плат управления двигателем при включении питания выделяют тепло под нагрузкой; поэтому для поддержания температуры компонентов и паяных соединений на номинальном уровне необходимы теплоотводящие переходные отверстия, медные заливки и даже некоторые металлические подложки.

 

В3: В чем разница между платой драйвера двигателя и платой управления двигателем?

 

Плата управления двигателем обычно включает только каскад переключения, тогда как плата контроллера двигателя содержит дополнительную схему, необходимую для управления с обратной связью.

 

В4: Чем отличается тестирование платы управления двигателем от тестирования обычной платы?

 

Проверки должны выходить за рамки простой проверки целостности цепи; они должны позволять проверять реальные рабочие характеристики, такие как ограничение тока, регулирование скорости и срабатывание защитной системы при нагрузке двигателя.

 

В5: На что должен обращать внимание производитель оригинального оборудования (OEM) при выборе производителя печатных плат для управления двигателями?

 

Обратите внимание на опыт проектирования устройств с высокими токами, систем теплоотвода и функционального тестирования под нагрузкой, поскольку эти факторы напрямую влияют на работу платы в реальных условиях.