【導讀】本文針對伺服驅動應用對尺寸、功率密度與可靠性的嚴苛需求，介紹意法半導體推出的EVLSERVO1參考設計。該方案采用STSPIN32G4等集成器件，通過系統(tǒng)級優(yōu)化實現3kW功率輸出，兼具優(yōu)異開關性能與熱管理能力。設計融合硬件與軟件多重保護機制，在保障安全的同時保持高度靈活性，為伺服驅動開發(fā)者提供了緊湊、高效且可靠的實現參考。
近年來，大功率電機驅動解決方案需求持續(xù)增長。尤其在低壓伺服驅動領域，亟需能夠管理數百瓦至數千瓦功率傳輸的可靠系統(tǒng)。憑借在機械負載定位與扭矩調節(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域主流選擇。
由于這類應用通常采用24V或48V標準工業(yè)電壓，其功率級必須承受數十安培電流，這從多維度對設計提出嚴峻挑戰(zhàn)。當前市場趨勢要求將高度緊湊的電機驅動器直接安裝于被控電機本體，這種設計雖能減少布線、輻射發(fā)射與成本，卻進一步加劇了設計復雜性。其中，功率級晶體管的選型及其與伺服電機的連接至關重要——大電流可能導致功耗與溫度升高，以及電路板走線的過應力，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動方案，對確保開關行為可靠性和系統(tǒng)整體魯棒性具有關鍵意義。
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，即通過動態(tài)調節(jié)電機繞組電流產生的磁場實現電機效率最大化。盡管這些控制算法歷經優(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衡取舍成為一項耗時且復雜的任務。
在此背景下，意法半導體的STSPIN32G4成為伺服驅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，而驅動器憑借1A電流驅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，意法半導體推出基于STSPIN32G4的EVLSERVO1參考設計（圖1），瞄準伺服驅動應用領域。下文將詳細闡述該方案的實現細節(jié)與性能表現。
圖1.EVLSERVO1參考設計
設計描述
EVLSERVO1采用模塊化設計（如圖1所示），由控制板與功率板兩塊印刷電路板堆疊構成。通過優(yōu)化元件布局與布線，該設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，搭載風扇時功率可達3kW。系統(tǒng)設計適用于工業(yè)環(huán)境，標稱總線電壓最高48V，但憑借充足的設計裕量可擴展至75V工作電壓。在有無風扇配置下，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。高低側開關均采用雙管并聯設計，雖所選MOSFET額定電流已超100A，但并聯方案可提升效能與熱性能：導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。當伺服驅動器需降速時，控制算法會調整電機調制策略以逆轉能量傳遞方向。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，將負載的機械能轉化為電能回饋至伺服驅動電路。若EVLSERVO1處于支持再生制動的系統(tǒng)中，該能量可經主總線傳輸至其他設備、電池或其他需動力的伺服驅動器，從而提升能效。當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：當總線電壓超過設定閾值時，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。
功率板采用4層PCB設計，其中一層內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重復布置并通過多組過孔互聯。所有表貼元件集中于單側，另一側預留散熱器與電解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，并可經由專用內部連接與集成柵極驅動器交互，生成精確的電機調制信號。
控制板采用35μm（1 oz/ft2）銅箔設計，相比功率板可實現更小的電氣間隙和更高的布局密度。控制板與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生的共模噪聲[3]。放大后的信號由STSPIN32G4內部兩個12位ADC進行采樣轉換。
柵極驅動器通過電阻 - 二極管偏置網絡連接功率級MOSFET。該網絡經調諧可實現約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，構成每個開關的并聯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內置的靈活電源管理電路：集成降壓轉換器（從主電源生成柵極驅動電源軌）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轉換器產生的5V電源采用級聯供電。
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位置傳感器和編碼器。編碼器可采用提供增量位置數據的正交類型，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)測功率級溫度實現過熱保護，通過檢測每個開關管壓降實現過流/短路保護，以及過壓保護，確保伺服驅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軸器連接的磁滯制動器耗散。三只功率電阻并聯構成制動電阻組（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（基于電機參數與板卡配置：16kHz開關頻率、48V標稱總線電壓、12V柵極驅動電壓）。伺服驅動器通過STLINK-V3調試器（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實時調節(jié)電機轉速與扭矩，并監(jiān)控驅動器狀態(tài)。
EVLSERVO1在接近3kW平均功率的極限工況下運行。為耗散功率級產生的熱量，在散熱器頂部加裝風量為12m3/h的風扇。
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構。通過熱像儀拍攝功率板溫度分布：初始測試關閉風扇，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在低側MOSFET，達到113℃（圖4左）。隨后開啟風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，當兩塊電路板堆疊安裝時，預計最高溫度將高于本次測試值，但STL160N10F8器件允許的結溫高達175℃，仍能確保驅動器在全功率運行時的設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性能進行了評估。圖5所示六組波形分別對應三個半橋中一個橋臂的開關信號（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相半橋并聯低側MOSFET的柵源電壓；4) Vgs_hsU：U相半橋并聯高側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。但當輸出電流達到90A峰值時，測量電壓出現擾動，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：低側硬開關關斷控制的上升沿最大過沖約5.3V；高側硬開關關斷控制的下降沿測得對地負向電壓約-27V（該脈沖經板對板連接器濾波后至控制板端衰減至-10V）。
最終測得低側硬開關時輸出節(jié)點的正/負向壓擺率分別為1V/ns和-1.3V/ns，與設計目標值高度吻合。
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備，當電壓超過預設閾值時，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。測試數據顯示脈沖電流峰值達60A，產生約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部電容充電。完成制動后，電機成功逆轉方向并進入加速狀態(tài)，電源輸出功率逐步提升至400W以驅動系統(tǒng)達到目標轉速。
圖6. 制動電阻干預波形
小結：
該方案以STSPIN32G4為核心，可驅動高達3kW的三相電機，其功率級具備出色的開關與熱性能。其模塊化小型設計便于電機本體集成，滿足緊湊安裝需求。設計還集成了包括再生制動過壓保護在內的多重保護電路，確保了系統(tǒng)在故障情況下的高可靠性，使其成為高功率、低電壓應用的理想高效選擇。
