近年來，大功率電機驅動解決方案需求持續(xù)增長。尤其是低壓伺服驅動應用，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)。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(diào)節(jié)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(yè)電壓，其功率級需管理數(shù)十安培的電流，導致設計面臨嚴峻挑戰(zhàn)。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(fā)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(fā)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(tài)調(diào)整電機繞組電流產(chǎn)生的磁場以實現(xiàn)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(fā)。

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(xù)運行功率可達2kW，加裝風扇時可達3kW。系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)晶體管構成。系統(tǒng)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(diào)整電機調(diào)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(nèi)置的STM32G431微控制器(Cortex®-M4內(nèi)核，主頻高達170MHz)執(zhí)行控制算法。

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

性能驗證

為驗證 EVLSERVO1 的穩(wěn)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(tǒng)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(chǎn)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(lián)軸器連接。三只功率電阻并聯(lián)構成制動電阻網(wǎng)絡，在計入板端布線阻抗后總阻值約為0.9Ω。

STSPIN32G4配置了實現(xiàn)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(huán)境中運行約15分鐘后系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，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(tǒng)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(fā)再生制動。初始階段總線電壓因電機作發(fā)電機運行而上升，電流注入系統(tǒng)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(qū)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(nèi)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(tǒng)。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(wěn)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?