摘要：伺服驅動應用市場對尺寸、功率密度和可靠性要求嚴苛，使得穩健解決方案的設計充滿挑戰。EVLSERVO1 參考設計確保卓越的驅動性能與電機安全性。

近年來，大功率電機驅動解決方案需求持續增長。尤其是低壓伺服驅動應用，亟需能夠管理數百瓦至數千瓦功率傳輸的可靠系統。此領域主要采用三相無刷電機，因其在機械負載扭矩定位與調節方面具備卓越的靈活性和強勁性能[1]。由于此類應用通常使用24V或48V標準工業電壓，其功率級需管理數十安培的電流，導致設計面臨嚴峻挑戰。此外，最新市場趨勢要求將緊湊型電機驅動器直接安裝于被控電機上方，以減少布線、輻射發射和成本，這進一步加劇了設計復雜性。其中，功率級最終晶體管的選型及其與伺服電機的連接至關重要——高電流水平可能增加功率損耗與溫升，并對必須妥善處理的板級走線造成過應力[2]。

為充分發揮三相無刷電機性能，需采用如磁場定向控制（FOC）等先進技術，通過動態調整電機繞組電流產生的磁場以實現能效最大化。

意法半導體 的 STSPIN32G4 將高性能STM32 microcontroller、三相半橋柵極驅動器和靈活電源管理電路集成于單芯片。微控制器負責高級電機控制算法，驅動器則全權控制功率級。新型 EVLSERVO1  參考設計（圖1） 基于 STSPIN32G4，專為伺服驅動應用開發。

圖1. EVLSERVO1 參考設計

設計架構

EVLSERVO1采用模塊化設計（圖1），由堆疊的兩塊印制電路板（PCB）構成：控制板與功率板。該設計面向三相無刷直流電機，被動冷卻時連續運行功率可達2kW，加裝風扇時可達3kW。系統標稱總線電壓為48V，但設計留有較大余量，工作電壓可擴展至75V。無風扇時最大輸出電流為42Arms，加裝風扇時可達63Arms。

圖2. EVLSERVO1 系統框圖與連接

功率板設計

功率板（圖2）核心為12顆STL160N10F8 MOSFET，以三相半橋結構排列，每側（高邊/低邊）開關由兩顆并聯晶體管構成。系統具備再生制動期間總線過壓保護能力——當伺服驅動器需降速時，控制算法調整電機調制方式以反轉功率傳輸方向。

控制板設計

STSPIN32G4是控制板核心（圖2），其內置的STM32G431微控制器（Cortex?-M4內核，主頻高達170MHz）執行控制算法。

系統通過三電阻采樣（每相一個分流電阻）實現FOC所需的雙向電機電流檢測，信號經運放增益級放大后由STSPIN32G4內部兩個12位ADC采樣轉換[3]。

性能驗證

為驗證 EVLSERVO1 的穩健性，搭建圖 3 所示測試平臺：

圖3. EVLSERVO1 驅動大功率負載測試場景

系統主輸入端連接至一臺可提供高達3.5kW電功率的直流電源，而三路輸出端則驅動一臺三相無刷直流電機（該電機在3000rpm轉速下可輸出4.47kW機械功率，約合6HP）。電機產生的機械能通過磁滯制動器耗散，且電機與制動器之間采用柔性聯軸器連接。三只功率電阻并聯構成制動電阻網絡，在計入板端布線阻抗后總阻值約為0.9Ω。

STSPIN32G4配置了實現FOC算法的固件。EVLSERVO1在接近3kW平均功率下運行至極限（圖3電源顯示值）。

在25°C環境中運行約15分鐘后系統達到穩態，功率板最熱點（低邊MOSFET）溫度為113°C（圖4左）。開啟風扇并將輸出電流提升至63Arms后，最熱MOSFET溫度降至105°C（圖4右）。

圖4. EVLSERVO1 功率板熱成像圖

圖5展示了制動電阻的干預案例：禁用機械制動器（僅保留摩擦損耗），利用系統轉動慣量存儲能量（電機順時針旋轉），隨后突然命令驅動器逆時針反轉軸以激發再生制動。初始階段總線電壓因電機作發電機運行而上升，電流注入系統bulk電容。

在整個制動階段，電阻以脈沖模式多次激活，將總線電壓鉗位在62V–65V安全區間。此過程中脈沖電流達60A，峰值功率約3.4kW，平均功率148W。EVLSERVO1在制動階段提供約4.7W平均功率為設備內部bulk電容充電，隨后電機反轉并加速至目標轉速，電源功率逐步升至400W。

圖5. 制動電阻干預波形

結論

低壓伺服驅動應用需要可靠且高效的電機控制系統。緊湊型EVLSERVO1支持將電子部件就近電機安裝，符合伺服驅動需求。其具備多重保護機制（包括專用于處理再生制動引起總線過壓的電路），確保故障條件下的設計穩健性。

參考文獻

[1] Servo motor driver design for high performance applications, IEEE paper

[2] TA0361 - Thermally aware high-power inverter board for battery-powered applications, Technical Article

[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?

作者簡介：

Prospero Lombardi 2013年獲意大利米蘭理工大學電子工程碩士學位，2017年獲信息技術博士學位。現為意法半導體應用工程師，專注于低壓電機控制領域，主要參與新產品驗證及其演示工具開發。

Enrico Poli獲米蘭理工大學電子工程碩士學位。自2006年起先后于Dora SpA及意法半導體擔任應用工程師，在步進電機、有刷及無刷電機控制領域具備深厚經驗，參與過多項創新產品與解決方案開發。現任特定應用產品部門應用經理，負責汽車與工業電機控制解決方案。