作者：P.Lombardi, E.Poli

摘要

伺服驅(qū)動應(yīng)用市場對尺寸、功率密度和可靠性均提出嚴苛要求，這使得設(shè)計穩(wěn)健解決方案充滿挑戰(zhàn)。意法半導(dǎo)體近期發(fā)布的EVLSERVO1參考設(shè)計以其緊湊結(jié)構(gòu)和強大性能精準應(yīng)對這一領(lǐng)域需求。通過系統(tǒng)級優(yōu)化及采用STSPIN32G4等旗艦器件（該先進電機驅(qū)動器集成Cortex-M4微控制器），我們成功實現(xiàn)了可向電機提供3kW功率的逆變器，且具備優(yōu)異的開關(guān)性能與熱性能。該設(shè)計通過基于硬件和軟件的多重保護機制強化可靠性，在異常情況下能確保驅(qū)動器與電機均處于安全狀態(tài)，同時保持最大靈活性。本文詳細闡述EVLSERVO1設(shè)計，為終端應(yīng)用設(shè)計師構(gòu)建最優(yōu)伺服驅(qū)動解決方案提供參考與指引。

引言

近年來，大功率電機驅(qū)動解決方案需求持續(xù)增長。尤其在低壓伺服驅(qū)動領(lǐng)域，亟需能夠管理數(shù)百瓦至數(shù)千瓦功率傳輸?shù)目煽肯到y(tǒng)。憑借在機械負載定位與扭矩調(diào)節(jié)方面的卓越靈活性及強勁性能，三相無刷電機已成為該領(lǐng)域主流選擇[1]。

由于這類應(yīng)用通常采用24V或48V標準工業(yè)電壓，其功率級必須承受數(shù)十安培電流，這從多維度對設(shè)計提出嚴峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前市場趨勢要求將高度緊湊的電機驅(qū)動器直接安裝于被控電機本體，這種設(shè)計雖能減少布線、輻射發(fā)射與成本，卻進一步加劇了設(shè)計復(fù)雜性。其中，功率級晶體管的選型及其與伺服電機的連接至關(guān)重要——大電流可能導(dǎo)致功耗與溫度升高，以及電路板走線的過應(yīng)力，這些都必須妥善解決[2]。同時，為功率級選擇合適的控制與驅(qū)動方案，對確保開關(guān)行為可靠性和系統(tǒng)整體魯棒性具有關(guān)鍵意義。

為充分發(fā)揮三相無刷電機性能，需要采用磁場定向控制（FOC）等先進技術(shù)，即通過動態(tài)調(diào)節(jié)電機繞組電流產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)電機效率最大化。盡管這些控制算法歷經(jīng)優(yōu)化已能直接在資源有限的微控制器上運行，但在追求極致性能時仍需要顯著的計算能力，這使得在性能與成本間權(quán)衡取舍成為一項耗時且復(fù)雜的任務(wù)。

在此背景下，意法半導(dǎo)體的STSPIN32G4成為伺服驅(qū)動解決方案的理想選擇。該器件在單一緊湊型封裝中集成了高性能STM32微控制器、三半橋柵極驅(qū)動器及靈活電源管理電路，顯著節(jié)省物料成本。微控制器可處理最先進的電機控制算法，而驅(qū)動器憑借1A電流驅(qū)動能力及集成保護功能，可全面掌控功率級運行，及時檢測并消除故障狀態(tài)。

因此，意法半導(dǎo)體推出基于STSPIN32G4的EVLSERVO1參考設(shè)計（圖1），瞄準伺服驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域。下文將詳細闡述該方案的實現(xiàn)細節(jié)與性能表現(xiàn)。

▲圖1. EVLSERVO1參考設(shè)計

設(shè)計描述

EVLSERVO1采用模塊化設(shè)計（如圖1所示），由控制板與功率板兩塊印刷電路板堆疊構(gòu)成。通過優(yōu)化元件布局與布線，該設(shè)計將外形尺寸壓縮至50mm（寬）×80mm（長）×60mm（高，含散熱片與bulk電容）。本方案面向三相無刷直流電機，被動散熱模式下可持續(xù)輸出2kW功率，搭載風(fēng)扇時功率可達3kW。系統(tǒng)設(shè)計適用于工業(yè)環(huán)境，標稱總線電壓最高48V，但憑借充足的設(shè)計裕量可擴展至75V工作電壓。在有無風(fēng)扇配置下，最大輸出電流分別可達63 Arms與42 Arms。

▲圖2.EVLSERVO1框圖及連接（方式）

功率板

如圖2所示，功率板主要由12顆STL160N10F8 MOSFET組成三半橋架構(gòu)。高低側(cè)開關(guān)均采用雙管并聯(lián)設(shè)計，雖所選MOSFET額定電流已超100A，但并聯(lián)方案可提升效能與熱性能：導(dǎo)通模式下總溝道電阻典型值降至1.2mΩ，且功耗分散于兩顆獨立器件，實現(xiàn)更優(yōu)的板面熱分布。每個半橋配備0.5mΩ分流電阻，通過專用開爾文連接檢測電機繞組電流。

系統(tǒng)提供再生制動時的總線過壓保護。當(dāng)伺服驅(qū)動器需降速時，控制算法會調(diào)整電機調(diào)制策略以逆轉(zhuǎn)能量傳遞方向。通常電機加速或恒速運行時，電能持續(xù)輸送至機械負載；而在減速階段，必須消除因慣性存儲在機械系統(tǒng)中的能量。此時控制算法使電機作發(fā)電機運行，將負載的機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋至伺服驅(qū)動電路。若EVLSERVO1處于支持再生制動的系統(tǒng)中，該能量可經(jīng)主總線傳輸至其他設(shè)備、電池或其他需動力的伺服驅(qū)動器，從而提升能效。當(dāng)再生能量未被完全消耗時，主總線電壓會因多余能量暫存于系統(tǒng)bulk電容而升高。此時EVLSERVO1通過外部功率電阻泄放能量：當(dāng)總線電壓超過設(shè)定閾值時，功率板上專用MOSFET由微控制器或保護電路激活，將外部電阻接入總線與地之間，確保電壓始終處于安全限值內(nèi)。

功率板采用4層PCB設(shè)計，其中一層內(nèi)層專用于實心接地層以抑制輻射發(fā)射，其余層用于信號與電源布線[4]。制造采用140μm（4盎司/平方英尺）加厚銅箔，確保電源走線截面積充足，降低寄生阻抗與電阻[2]。特別地，連接電機繞組的輸出走線在三層板內(nèi)重復(fù)布置并通過多組過孔互聯(lián)。所有表貼元件集中于單側(cè)，另一側(cè)預(yù)留散熱器與電解bulk電容安裝空間。專用鍍金孔支持通過M4螺釘實現(xiàn)與電機、電源及外部制動電阻的可靠連接。

控制板

STSPIN32G4是控制板核心（圖2），其嵌入式高性能STM32G431微控制器（Cortex-M4內(nèi)核，170MHz主頻）執(zhí)行控制算法。微控制器通過SWD接口編程，并可經(jīng)由專用內(nèi)部連接與集成柵極驅(qū)動器交互，生成精確的電機調(diào)制信號。

控制板采用35μm（1 oz/ft2）銅箔設(shè)計，相比功率板可實現(xiàn)更小的電氣間隙和更高的布局密度?？刂瓢迮c功率板通過三個專用板對板連接器對接，用于傳輸電源輸入、MOSFET柵極電壓、功率輸出及分流電阻信號。這種堆疊式連接雖有效縮小方案尺寸，但會引入寄生電感和電阻，必須校驗其影響以確保開關(guān)穩(wěn)定性[4]。

系統(tǒng)支持FOC控制所需的電機電流雙向檢測：通過三個分流電阻（每電機相位獨立配置）上的壓降進行采樣，并經(jīng)基于運放的增益級放大。該級采用差分配置，既可放大分流電阻上毫伏級微小信號，又能消除換相過程中產(chǎn)生的共模噪聲[3]。放大后的信號由STSPIN32G4內(nèi)部兩個12位ADC進行采樣轉(zhuǎn)換。

柵極驅(qū)動器通過電阻-二極管偏置網(wǎng)絡(luò)連接功率級MOSFET。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)調(diào)諧可實現(xiàn)約1V/ns的輸出電壓壓擺率，在速度與輻射發(fā)射間取得平衡。此外，構(gòu)成每個開關(guān)的并聯(lián)MOSFET柵極均通過兩個電阻解耦，以抑制換相過程中的潛在不穩(wěn)定性[5]。

控制板充分利用STSPIN32G4內(nèi)置的靈活電源管理電路：集成降壓轉(zhuǎn)換器（從主電源生成柵極驅(qū)動電源軌）和LDO穩(wěn)壓器（為微控制器及其他外部3.3V域電路供電）。為提升能效，LDO與外部L3751 DCDC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的5V電源采用級聯(lián)供電。

系統(tǒng)支持通過兩種輸入源同步檢測電機位置，提升測量魯棒性與精度：可同時連接霍爾效應(yīng)位置傳感器和編碼器。編碼器可采用提供增量位置數(shù)據(jù)的正交類型，或支持SPI/UART接口的絕對類型。為增強工業(yè)噪聲環(huán)境下的檢測可靠性，位置輸入配備符合RS422/RS485標準的差分收發(fā)器。外部設(shè)備與控制器可通過CAN總線或串行通信與EVLSERVO1交互。系統(tǒng)還包含完備的保護機制，通過直接監(jiān)測功率級溫度實現(xiàn)過熱保護，通過檢測每個開關(guān)管壓降實現(xiàn)過流/短路保護，以及過壓保護，確保伺服驅(qū)動與電機始終處于安全狀態(tài)。

性能測試

為驗證EVLSERVO1的穩(wěn)健性，搭建圖3所示測試平臺。

▲圖3. EVLSERVO1驅(qū)動高功率負載

系統(tǒng)主輸入端連接最大輸出3.5kW電功率的直流電源，三路輸出端連接額定機械功率4.47kW（6HP）/3000rpm的三相無刷直流電機。電機輸出的機械能通過柔性聯(lián)軸器連接的磁滯制動器耗散。三只功率電阻并聯(lián)構(gòu)成制動電阻組（考慮線路阻抗總阻值約0.9Ω），可持續(xù)耗散300W功率，脈沖工況下峰值耗散能力可達十倍（如3kW脈沖功率可持續(xù)3秒）。

STSPIN32G4搭載通過ST MCSDK工具鏈自動生成的FOC控制固件（基于電機參數(shù)與板卡配置：16kHz開關(guān)頻率、48V標稱總線電壓、12V柵極驅(qū)動電壓）。伺服驅(qū)動器通過STLINK-V3調(diào)試器（支持SWD接口和虛擬串口）與計算機直連編程控制，從而通過MCSDK中的Motor Pilot GUI實時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速與扭矩，并監(jiān)控驅(qū)動器狀態(tài)。

EVLSERVO1在接近3kW平均功率的極限工況下運行。為耗散功率級產(chǎn)生的熱量，在散熱器頂部加裝風(fēng)量為12m3/h的風(fēng)扇。

在常規(guī)組裝狀態(tài)下，MOSFET器件不可見。為檢測其實際溫度，我們采用定制線纜將功率板與控制板重新布置為共面并列結(jié)構(gòu)。通過熱像儀拍攝功率板溫度分布：初始測試關(guān)閉風(fēng)扇，電機以42A（有效值）正弦電流運行，在25℃環(huán)境溫度下約15分鐘達到熱平衡狀態(tài)。板面最高溫度點出現(xiàn)在低側(cè)MOSFET，達到113℃（圖4左）。隨后開啟風(fēng)扇并將輸出電流提升至63A（有效值），相同最熱MOSFET的最高溫度降至105℃（圖4右），這得益于強制氣流使板卡至環(huán)境的熱阻顯著降低。需說明的是，當(dāng)兩塊電路板堆疊安裝時，預(yù)計最高溫度將高于本次測試值，但STL160N10F8器件允許的結(jié)溫高達175℃，仍能確保驅(qū)動器在全功率運行時的設(shè)計裕量與安全可靠性。

▲圖4.EVLSERVO1電源板的熱成像

測試平臺對逆變器從空載至最大電流的開關(guān)性能進行了評估。圖5所示六組波形分別對應(yīng)三個半橋中一個橋臂的開關(guān)信號（其余橋臂行為類似），包括：1) IU：U相半橋輸出電流；2)outU：U相半橋輸出節(jié)點電壓；3) Vgs_lsU：U相半橋并聯(lián)低側(cè)MOSFET的柵源電壓；4) Vgs_hsU：U相半橋并聯(lián)高側(cè)MOSFET的柵源電壓。所有電壓信號均采用示波器探頭的短接地彈簧測量，以降低地環(huán)路天線寄生耦合引入的噪聲及引線寄生電感[6]。

空載時開關(guān)特性非常潔凈，MOSFET電壓與輸出電壓的上升/下降沿壓擺率均約為0.83V/ns。但當(dāng)輸出電流達到90A峰值時，測量電壓出現(xiàn)擾動，這歸因于功率級路徑中的寄生電感。得益于STSPIN32G4及功率MOSFET的魯棒性，這些擾動仍在安全范圍內(nèi)：低側(cè)硬開關(guān)關(guān)斷控制的上升沿最大過沖約5.3V；高側(cè)硬開關(guān)關(guān)斷控制的下降沿測得對地負向電壓約-27V（該脈沖經(jīng)板對板連接器濾波后至控制板端衰減至-10V）。

最終測得低側(cè)硬開關(guān)時輸出節(jié)點的正/負向壓擺率分別為1V/ns和-1.3V/ns，與設(shè)計目標值高度吻合。

▲圖5.EVLSERVO1功率MOSFET換相波形

制動電阻的干預(yù)實例如圖6所示，本次測試中通過禁用機械制動器（僅保留摩擦損耗）并利用系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量儲存動能，使電機先沿順時針方向運行后突然接收逆時針轉(zhuǎn)向指令以激發(fā)再生制動。如圖6可見，初始階段因電機作發(fā)電機運行并向系統(tǒng)bulk電容注入電流，導(dǎo)致總線電壓持續(xù)上升；由于測試采用無法回饋能量的單象限電源且未連接其他能耗設(shè)備，當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)閾值時，保護電路立即啟動，通過制動電阻以脈沖模式多次激活的方式將總線電壓精確鉗位在62-65V安全區(qū)間。測試數(shù)據(jù)顯示脈沖電流峰值達60A，產(chǎn)生約3.4kW的瞬時功率和148W的平均功耗，而EVLSERVO1在此期間僅需從電源獲取4.7W平均功率用于維持內(nèi)部電容充電。完成制動后，電機成功逆轉(zhuǎn)方向并進入加速狀態(tài)，電源輸出功率逐步提升至400W以驅(qū)動系統(tǒng)達到目標轉(zhuǎn)速。

▲圖6.制動電阻干預(yù)波形

結(jié)論

本文重點分析了意法半導(dǎo)體最新推出的EVLSERVO1參考設(shè)計。該方案專門針對伺服驅(qū)動領(lǐng)域開發(fā)，基于先進的電機控制器件STSPIN32G4構(gòu)建。值得關(guān)注的是，EVLSERVO1可驅(qū)動功率高達3kW的三相無刷直流電機，其功率級展現(xiàn)出卓越的開關(guān)性能與熱管理特性。通過模塊化電路板設(shè)計實現(xiàn)的小型化結(jié)構(gòu)，使電子元件能夠就近安裝于電機本體，完美契合伺服驅(qū)動應(yīng)用的空間布局需求。方案集成了多重保護機制，其中包含專用于處理再生制動引起總線過電壓的獨立電路，確保故障工況下的系統(tǒng)穩(wěn)健性。這些顯著優(yōu)勢使EVLSERVO1成為高功率、低電壓解決方案中實現(xiàn)可靠高效電機控制的理想選擇。