变频器CPU主板电路分析之二

一、何谓CPU？

CPU，又称为中央处理器，内部一般由运算器、控制器、内存储器、输入/输入设备及接口电路及总线组成，但随技术的进步和更新，其功能和结构均在不断扩充中——将原来CPU外围的电路也集成于器件内部。将其硬件设备扩充到一定的规模，而使之能独立完成一个较复杂的控制功能，此器件即被称为微处理器了。在微处理器家庭中，为适用于某一应用领域，在硬件构成上——有别于通用型微处理器（如80C51）——有一定的独特性，如本文特指的变频器经常采用的微处理器，具备六路PWM波输出功能，能实现特定的控制功能，又被称为微控制器，别名：单片机。因业内人士一般将变频器单片机的电路板之为CPU主板，从约定俗成和定义简洁的方面考虑，本书也将微控制器（单片机），称之为CPU了。

用于变频器控制的微控制器，又称之为“高性能微控制器”，应该是有针对性开发的专用的控制芯片。它起码要有六路PWM波形成和输出电路及端口，以输出驱动电路所需的六路逆变脉冲；应有A/D转换电路，有的还要有D/A转换电路，以适应对模拟输入、输出量的处理；要有高速脉冲信号的输入、输出口和串口发送、接收引脚，以处理各种数字信号和通讯指令；应内含程序存储器和数据存储器，以存放程序和原始数据及可改写的数据；当然还要有端口驱动器、各类缓冲器等其它电路，在此不予以赘述了。

出入各CPU引脚的，不外乎是一些“信号流”，有的只进不出，往而不返，如控制端子输入的开关量信号；有的只出不进，是去而不还，如控制端子上CPU输出的继电器信号等；有的是往返进入，有进有出的，如CPU与存储器，与操作显示面板之间传递的信号，此类信号是双向流通的。而所有信号，从信号性质上又可以分为两大类：数字的和模拟的。电压检测信号、调速指令信号往往是模拟的，变频器的起、停信号、键盘输入信号等，是数字（开关量）的。有些模拟信号，经过CPU外部电路处理，如经过A/D转换，才送入CPU的，有的是直接进入CPU引脚，由内部A/D电路进行处理的，采用的CPU硬件功能电路的不同，必然导致了外部电路的有异。

微控制器的集成度已经够高，它不可能无限制地将所有工作运行所需的电路元件集成进去，它需要外电路的积极配合才能开展工作。有三个工作条件是微控制器所必需的，所谓CPU工作的三要素：+5V电源、工作时钟、复位信号。工作时钟的产生是由微控制器内部电路和引脚外接晶振元件组成振荡电路来生成的；复位信号是由外部复位电路在上电时产生一个低电平（或高电平）的脉冲，送入微控制器的复位引脚，由内部电路控制程序复位，进入待机状态。微控制器内部的程序存储器和数据存储器（简称内存），其容量和用途是有限制的，常需要外接存储器——电可擦除存储器，来完成一些数据存储任务（尤其是用户程序存储任务），这应该构成了微控制器正常工作的四要素。微控制器要接受用户的指令或将变频器的工作状态报知用户，需要一个人机界面——操作显示面板，与用户交流，与操作显示面板的正常通讯，成为微控制器工作的五要素。此外，微控制器各个引脚外接电路的好坏均会影响到微控制器的运行，自此微控制器工作的七要素或八要素乃至几十要素，都紧随出现。其实，依笔者看来，从微控制器（或微处理器，CPU）本身来说，三要素则是工作所必需的，无它，则微控制器即不能满足最基本的工作条件。其它原因造成微控制器不工作，是外电路的事了，并不是微控制器本身没干活呀，对吧。

    微控制器的外部电路、外部框架已经搭好，但仅仅一个“躯体”还不能干活，还需要一个指挥躯体运作的“灵魂”——软件控制程序。变频器的程序容量较大，一般长达数千行。微控制器的控制功能，集中于两个点上，一是对输出PWM波的控制，这一点，优质和劣质变频器可看出明显的不同，有的PMW波非常优化，有的则有些糟糕——输出力矩小运行噪声大，载波干扰也大；一是对逆变模块的状态检测和保护，这一任务是配合外电路共同完成的，也是变频器电路浓墨重彩的着笔之处。

微控制器——单片机技术成自动化控制技术的一个重要技术分支，希望朋友们自己要多掌握一些相关的知识，在此不予赘述。

CPU主板的故障率相对较低，约占总故障率的20%左右。故障多发生在故障检测电路和控制端子电路上。对故障检测电路的检修成为CPU主板的一个重要检修内容。故障检测电路（电压、电流检测的后续电路、温度检测电路）本身损坏时，就有点“谎报军情”故意捣乱的意思了，明明主电路是好的，却报出“输出短路”故障或输出缺相故障，明明风扇是好的，却报出过热故障等，使变频器不能投入正常运行。控制端子的故障多为用户误接入高电压，而将端子供电24V烧坏，端子输入电路开路损坏和光电耦合器的输入侧电路损坏等。

   CPU芯片本身的损坏率在2%以下，由于牵扯到技术封锁，内部程序不易破解。一般维修人员不具备修复芯片的相关条件，只有采购原厂家配件，或更换CPU主板，所谓“板级修理”。但对于CPU芯片的局部损坏，却可以用变通手段尝试修复。

二、CPU的基本电路的原理解析和检修：

变频器CPU主板电路分析之二

图1 英威腾变频器G9/P9机型CPU主板电路之一：CPU的基本电路

    由电源供电、晶振电路、复位电路、外存储器电路及操作面板显示电路，构成了变频器CPU主板电路——CPU工作的基本电路。复位电路由专用三端复位元件IMP809M、R188构成，上电瞬间为CPU的48脚提供一个低电平脉冲，犹如喊了一声“各就各位”的口号，实现系统清零，使程序开始运行。3、4、6、8脚外接U2（93C66）存储器，出厂时内部已经存放了用户控制程序，在调试和使用过程中，用户对某些参数要进行随时修改，以满足控制要求，修改后的参数值由U2完成存储任务。CPU与存储器相连的四个引脚均由上拉电阻接+5V。

    变频器的通用机型，操作显示面板，已经作为一个独立器件，与CPU进行通讯联系。接受用户指令和传送相关监控数据。操作显示面板内含CPU、解码驱动、LDE显示器等电路，能与CPU进行双向数据传输。操作显示面板与CPU之间，RS442/RS485收发器实现通讯中转，用户操作信号由A、B差动输入端输入，由R接收器输出端送入CPU；CPU输出的数据信号由D发送器输入端进入，由Y、Z驱动器输出端进入操作显示面板。

    为适应新的控制要求，变频器的控制端子还设有RS485通讯口，图中U6（15176B）为RS485收发器， D，驱动器输入端，接CPU的TXD1串口发送脚；R，接收器输出端，接CPU的RXD1串口接收脚；A、B，为接收器输入、驱动器输出端；DE、DR，驱动器、接收器允许信号端，驱动器和接收器的工作状态受此二脚电平信号控制。

   CPU基本电路的检修：

   CPU（单片机芯片）本身的故障率是极低的，除遭遇异常情况如变频器引入雷击造成的损坏外，本身的电气故障较难碰到。CPU的损坏，因内含运行程序，厂家又出于技术保密的原因，尽最大能地采取了一些保密措施，要将程序解密重新对芯片进行重新拷贝是困难的，一般维修人员不具备此种技术手段，这其中是否也牵扯到知识产权的问题。因而损坏后，需购用厂家提供的已拷贝好程序的芯片，或从同型号线路板上拆换，或干脆换用CPU主板。

    对CPU基本电路的检查，其主要内容是对其工作三要素等工作条件的检查，和故障修复。

   CPU基本电路（三要素电路）的故障，其典型特征是：上电后在供电电源正常的情况下，操作面板无显示，或显示某一固定字符，变频器无初始化动作过程，操作显示面板所有操作失灵，类似电脑出现了不能开机和“死机”的现象。

    故障实质：A、CPU工作三要素中，至少有一种要素不具备，CPU不能完成初始化操作，程序被“卡”住；B、CPU在自检过程中检测到危险故障信号存在，处于故障锁定状态中，所有操作被拒绝，这是一种“CPU主板伪故障”现象，检查和排除故障原因，则CPU“罢工”的现象也随即消失；C、由雷击或供电异常造成CPU芯片损坏。

注意：遇有程序“卡死”现象，务必先行排除“CPU主板伪故障”，再对CPU的三要素等电路进行检修。重点检测OC故障报警电路，详见第四、五章的相关内容。

对CPU是否已经工作或三要素电路是否正常，可先作一大致判断：

1、变频器上电期间，细听充电继电器或接触器有无“啪嗒”的吸合声，若有，说明三要素电路都正常，CPU已经正常工作。变频器处于故障锁定状态；

2、观察操作显示面板，一般有一个“开机字符”，呈闪烁状态，最后稳定为某一字符，有此过程，说明CPU也已进入工作状态；

3、若清楚该台变频器的上电自检流程，和各脚电位状态，可配合检测相关引脚的电压变化和电平状态，来判断CPU是否处于工作中。利用操作显示面板的按键信号输入，和检测电路关键点的电压变化，判断CPU是否处于工作状态。如按动面板复位键，变频器状态信号输出继电器，可能会发出“啪嗒”的开、断声，同时驱动电路的复位信号输入脚，有相应的电平变化。说明CPU能接受复位信号输入，能将故障复位信号输出到驱动电路。说明CPU工作正常。

4、判断CPU没有投入正常工作，即可对CPU的基本工作电路进行检查。

   

对三要素电路的故障检查：

    1、+5V供电电源电路的检查。检查CPU的VDD、VSS、Vcc、GND等电源引脚，确认电源供电正常，+5V供电回路往往接有千微法级较大容量的滤波电容器，当其容量严重下降时，会使CPU程序运行紊乱，易进入程序“死循环”；

    2、对复位电路的检查。复位电路为CPU的复位脚提供一个上电期间的脉冲电压，脉冲电压的持续时间为μs级。故需低脉冲进行的复位的，其CPU复位脚静态电压应为+5V，需高电平脉冲进行复位的，其CPU复位引脚静态电压应为0V低电平。对复位电路的检测手段：

a、根据CPU复位引脚需要高或低脉冲电压的要求，测量其静态电位是否正常。若静态电压异常，查CPU外接复位电路。可断开CPU的引脚，判断复位脚电压异常是复位电路故障，还是CPU复位脚内部电路损坏。

b、若静态电压正常，可用人工强制复位方法判断CPU是否能正常工作。方法是：对CPU复位脚静态电压为+5V的，则用金属导线快速将复位脚与供电地短接一下，人为形成一个低电平信号输入；若复位脚静态电压为0V的，则用导线快速将复位脚与供电+5V短接一下，人为形成一个高电平信号输入。

c、人为强制复位后，若CPU能正常工作——表现为操作显示面板的内容变化，可以修改参数等，说明外接复位电路故障，须更换损坏元件。对于采用专用三线端复位元件的，如无原型号元件代换，可搭接阻容元件电路应急修复；

d、强制复位无效，应进一步检查晶振电路。

3、对晶振电路的检查。晶振电路的外接元件较少，一般仅为两只电容和一只晶振。常见电路故障有以下几种：

a、因晶振元件内部为石英晶体，受剧烈震动后容易碎裂失效；

b、如晶振或电容漏电，会使信号传输损失加大，而引起停振；

c、CPU内部振荡电路损坏，须更换CPU。

测量方法：a振荡脉冲为矩形方波，其引脚电压约为0V和+5V的中间值，两引脚的电压值略有差异，相差0.3V左右。其中X2引脚为2V，X1则为2.3V，测量时请用数字万用表的电压档，如用指针表，因内阻偏低，有可能引起停振，使测量结果不准；b、若晶振微漏电或性能变差，当用电烙铁轻烫晶振引脚时，CPU主板恢复正常工作，可能为晶振低效，更换晶振；c、怀疑晶振不良时，最好是用优良晶振代换试验。摘下晶振进行检查时，可以晃动晶振，细看其内部有无细微的哗啦声，若有，说有晶振受振动而损坏。测量两引脚电阻值，应为无穷大，有电阻值说明漏电。若有电容表测量两引脚，好的晶振有PF级电容量，其容量值随标称频率的升高而减小。e、晶振的不良，还有一种极少见的情形，因结构形变或机械老化原因，使电路振荡频率偏低于标称频率值，CPU时钟脉冲的频率降低，一是导致系统运行变缓，二是因时间基准值变化，使CPU对路输入电流、电压信号的采样出现误差，使运行电流、输出频率的显示值也出现相应偏差，严重时有可能使CPU出现误停机动作。此一故障的出现，则表现为疑难故障了。

    对CPU外部存储器的故障检查。变频器能操作运行，参数也能被修改，但停电后，修改后的参数值不能被存储，说明机器有外部存储器故障。检测CPU外部存储器的供电和与CPU连接线的状态，因CPU与外部存储器之间传输的是“脉冲流信号”，很难从其引脚电压的高低判断其工作好坏，可以从同型号的线路板上拆下好的存储器，代换试验。注意：若换用新的空白存存储器芯片，机器将不能工作，存储器中出厂时已存有用户控制参数。有条件的，可将原存储内容拷贝到新的芯片中。或从制造厂家购得存储器芯片，进行更换。

    操作显示面板的检修。 1、操作显示面板上的按键及调速电位器，都属于易损件，又因工作现场粉尘、潮湿等因素，造成接触不良，造成输出频率不稳或按键不能写入参数等故障，可更换修复；2、LED显示笔划不全，因震动造成内部驱动电路引脚虚焊、铜箔条断裂等，焊接修复；3、供电正常，但无显示，或显示一固定字符，可有相同型号的操作面板代换试验，若属于操作显示面板故障，可从厂家购得整体更换。4、代换操作显示面板无效，检查CPU与操作显示面板之间的数据通讯模块——RS442/RS485收发器等电路。

  

[故障实例1]：

    一台7.5kW英威腾变频器，上电听不到充电继电器的吸合声，所有控制操作失灵。测量CPU的复位控制脚48脚的电压为2.3V，正常时应为5V，判断三线端复位元件IMP809M不良，更换后故障排除。

[故障实例2]：

    一台富士5000G9S 11kW变频器，操作面板显示一固定字符，不能操作，出现“程序卡住”现象，判断为CPU主板故障，开机测量CPU复位控制脚静态电压正常，用人为强制复位法无效，用烙铁加热晶振焊脚时，故障消失，更换优良晶振元件和两只瓷片电容后，故障排除。

[故障实例3]：

    一台富士5000G9S 47kW变频器，操作面板显示一固定字符，不能操作，出现“程序卡住”现象判断为CPU主板故障。开机检查，上电，测量CPU供电电源正常，但CPU芯片烫手，出现异常温升，判断CPU芯片本身存在短路故障，从一块相同型号的旧线路上拆下一块CPU芯片，更换后故障排除。

[故障实例4]：

一台英威腾INVT-G9-004T4 小功率机器，检查故障为逆变模块损坏。先给CPU主板和电源驱动板上电，准备修复驱动板故障后，再购逆变模块。上电后，操作显示面板显示H：00，面板所有按键操作失灵，判断为CPU基本电路的故障，先对CPU的工作三要素进行检查，无异常；又对CPU的其它外围电路进行检查，也无异常，一时间茫然无从下手，检修工作陷入僵局。

后来，在检查电流检测电路时，测电流信号输入放大U12D的的8、14脚电压为0V，正常；U13D的14脚为负8V，有误过流信号输出。但按道理，CPU应该报出OL或OC、SC故障，不应该程序不运行啊？试将该路故障信号切断，使之不能输入CPU，上电，操作面板竟然可以操作了！

英威腾G9/P9变频器的保护次序大概是这样的：上电检测功率逆变输出部分有故障时，即使未接收启/停信号，仍跳SC--输出端短路故障代码，所有操作均被拒绝；上电检测到由电流检测电路来的过流信号时，显示H.00，此时所有操作仍被拒绝；上电检测有热报警信号时，其它大部分操作可进行，但启动操作被拒绝，或许CPU认为输出模块仍在高温升状态下，等待其恢复常温后，才允许启动运行。而对模块短路故障和过流性故障，为保障运行安全，索性拒绝所有操作！但此一保护性措施，常被人误认为是程序进入了死循环，或是CPU外围电路故障，如复位电路、晶振电路异常等。

    将电流检测电路修复，并检查驱动电路无异常后，更换功率模块后，故障排除。