作者：P. Lombardi, E. Poli
来源：意法半导体
摘要：伺服驱动应用市场对尺寸、功率密度和可靠性要求严苛，使得稳健解决方案的设计充满挑战。EVLSERVO1 参考设计确保卓越的驱动性能与电机安全性。
近年来，大功率电机驱动解决方案需求持续增长。尤其是低压伺服驱动应用，亟需能够管理数百瓦至数千瓦功率传输的可靠系统。此领域主要采用三相无刷电机，因其在机械负载扭矩定位与调节方面具备卓越的灵活性和强劲性能[1]。由于此类应用通常使用24V或48V标准工业电压，其功率级需管理数十安培的电流，导致设计面临严峻挑战。此外，最新市场趋势要求将紧凑型电机驱动器直接安装于被控电机上方，以减少布线、辐射发射和成本，这进一步加剧了设计复杂性。其中，功率级最终晶体管的选型及其与伺服电机的连接至关重要——高电流水平可能增加功率损耗与温升，并对必须妥善处理的板级走线造成过应力[2]。
为充分发挥三相无刷电机性能，需采用如磁场定向控制（FOC）等先进技术，通过动态调整电机绕组电流产生的磁场以实现能效最大化。
意法半导体 的 STSPIN32G4 将高性能STM32 microcontroller、三相半桥栅极驱动器和灵活电源管理电路集成于单芯片。微控制器负责高级电机控制算法，驱动器则全权控制功率级。新型 EVLSERVO1 参考设计（图1） 基于 STSPIN32G4，专为伺服驱动应用开发。
图1. EVLSERVO1 参考设计
设计架构
EVLSERVO1采用模块化设计（图1），由堆叠的两块印制电路板（PCB）构成：控制板与功率板。该设计面向三相无刷直流电机，被动冷却时连续运行功率可达2kW，加装风扇时可达3kW。系统标称总线电压为48V，但设计留有较大余量，工作电压可扩展至75V。无风扇时最大输出电流为42Arms，加装风扇时可达63Arms。
图2. EVLSERVO1 系统框图与连接
功率板设计
功率板（图2）核心为12颗STL160N10F8 MOSFET，以三相半桥结构排列，每侧（高边/低边）开关由两颗并联晶体管构成。系统具备再生制动期间总线过压保护能力——当伺服驱动器需降速时，控制算法调整电机调制方式以反转功率传输方向。
控制板设计
STSPIN32G4是控制板核心（图2），其内置的STM32G431微控制器（Cortex®-M4内核，主频高达170MHz）执行控制算法。
系统通过三电阻采样（每相一个分流电阻）实现FOC所需的双向电机电流检测，信号经运放增益级放大后由STSPIN32G4内部两个12位ADC采样转换[3]。
性能验证
为验证 EVLSERVO1 的稳健性，搭建图 3 所示测试平台：
图3. EVLSERVO1 驱动大功率负载测试场景
系统主输入端连接至一台可提供高达3.5kW电功率的直流电源，而三路输出端则驱动一台三相无刷直流电机（该电机在3000rpm转速下可输出4.47kW机械功率，约合6HP）。电机产生的机械能通过磁滞制动器耗散，且电机与制动器之间采用柔性联轴器连接。三只功率电阻并联构成制动电阻网络，在计入板端布线阻抗后总阻值约为0.9Ω。
STSPIN32G4配置了实现FOC算法的固件。EVLSERVO1在接近3kW平均功率下运行至极限（图3电源显示值）。
在25°C环境中运行约15分钟后系统达到稳态，功率板最热点（低边MOSFET）温度为113°C（图4左）。开启风扇并将输出电流提升至63Arms后，最热MOSFET温度降至105°C（图4右）。
图4. EVLSERVO1 功率板热成像图
图5展示了制动电阻的干预案例：禁用机械制动器（仅保留摩擦损耗），利用系统转动惯量存储能量（电机顺时针旋转），随后突然命令驱动器逆时针反转轴以激发再生制动。初始阶段总线电压因电机作发电机运行而上升，电流注入系统bulk电容。
在整个制动阶段，电阻以脉冲模式多次激活，将总线电压钳位在62V–65V安全区间。此过程中脉冲电流达60A，峰值功率约3.4kW，平均功率148W。EVLSERVO1在制动阶段提供约4.7W平均功率为设备内部bulk电容充电，随后电机反转并加速至目标转速，电源功率逐步升至400W。
图5. 制动电阻干预波形
结论
低压伺服驱动应用需要可靠且高效的电机控制系统。紧凑型EVLSERVO1支持将电子部件就近电机安装，符合伺服驱动需求。其具备多重保护机制（包括专用于处理再生制动引起总线过压的电路），确保故障条件下的设计稳健性。
参考文献
[1] Servo motor driver design for high performance applications, IEEE paper
[3] AN5397 - Current Sensing in motion control applications, Application Note
[4] AN4694 - EMC design guides for motor control applications, Application Note
[5] Design rules for paralleling of Silicon Carbide Power MOSFETs, Conference paper
[6] Why Do Passive Oscilloscope Probes Have So Many Ground Connection Options?
作者简介：
Prospero Lombardi 2013年获意大利米兰理工大学电子工程硕士学位，2017年获信息技术博士学位。现为意法半导体应用工程师，专注于低压电机控制领域，主要参与新产品验证及其演示工具开发。
Enrico Poli获米兰理工大学电子工程硕士学位。自2006年起先后于Dora SpA及意法半导体担任应用工程师，在步进电机、有刷及无刷电机控制领域具备深厚经验，参与过多项创新产品与解决方案开发。现任特定应用产品部门应用经理，负责汽车与工业电机控制解决方案。