采用STSPIN32G4的高功率密度伺服电机驱动器模块化方案

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、功率密度和可靠性均提出严苛要求，这使得设计稳健解决方案充满挑战。意法半导体近期发布的EVLSERVO1参考设计以其紧凑结构和强大性能精准应对这一领域需求。通过系统级优化及采用STSPIN32G4等旗舰器件（该先进电机驱动器集成Cortex®-M4微控制器），我们成功实现了可向电机提供3kW功率的逆变器，且具备优异的开关性能与热性能。该设计通过基于硬件和软件的多重保护机制强化可靠性，在异常情况下能确保驱动器与电机均处于安全状态，同时保持最大灵活性。本文详细阐述EVLSERVO1设计，为终端应用设计师构建最优伺服驱动解决方案提供参考与指引。


引言

近年来，大功率电机驱动解决方案需求持续增长。尤其在低压伺服驱动领域，亟需能够管理数百瓦至数千瓦功率传输的可靠系统。凭借在机械负载定位与扭矩调节方面的卓越灵活性及强劲性能，三相无刷电机已成为该领域主流选择。

由于这类应用通常采用24V或48V标准工业电压，其功率级必须承受数十安培电流，这从多维度对设计提出严峻挑战。当前市场趋势要求将高度紧凑的电机驱动器直接安装于被控电机本体，这种设计虽能减少布线、辐射发射与成本，却进一步加剧了设计复杂性。其中，功率级晶体管的选型及其与伺服电机的连接至关重要——大电流可能导致功耗与温度升高，以及电路板走线的过应力，这些都必须妥善解决。同时，为功率级选择合适的控制与驱动方案，对确保开关行为可靠性和系统整体鲁棒性具有关键意义。

为充分发挥三相无刷电机性能，需要采用磁场定向控制（FOC）等先进技术，即通过动态调节电机绕组电流产生的磁场实现电机效率最大化。尽管这些控制算法历经优化已能直接在资源有限的微控制器上运行，但在追求极致性能时仍需要显著的计算能力，这使得在性能与成本间权衡取舍成为一项耗时且复杂的任务。

在此背景下，意法半导体的STSPIN32G4成为伺服驱动解决方案的理想选择。该器件在单一紧凑型封装中集成了高性能STM32微控制器、三半桥栅极驱动器及灵活电源管理电路，显著节省物料成本。微控制器可处理最先进的电机控制算法，而驱动器凭借1A电流驱动能力及集成保护功能，可全面掌控功率级运行，及时检测并消除故障状态。

因此，意法半导体推出基于STSPIN32G4的EVLSERVO1参考设计（图1），瞄准伺服驱动应用领域。下文将详细阐述该方案的实现细节与性能表现。


图1.EVLSERVO1参考设计


设计描述

EVLSERVO1采用模块化设计（如图1所示），由控制板与功率板两块印刷电路板堆叠构成。通过优化元件布局与布线，该设计将外形尺寸压缩至50mm（宽）×80mm（长）×60mm（高，含散热片与bulk电容）。本方案面向三相无刷直流电机，被动散热模式下可持续输出2kW功率，搭载风扇时功率可达3kW。系统设计适用于工业环境，标称总线电压最高48V，但凭借充足的设计裕量可扩展至75V工作电压。在有无风扇配置下，最大输出电流分别可达63 Arms与42 Arms。


图2. EVLSERVO1框图及连接（方式）


功率板

如图2所示，功率板主要由12颗STL160N10F8 MOSFET组成三半桥架构。高低侧开关均采用双管并联设计，虽所选MOSFET额定电流已超100A，但并联方案可提升效能与热性能：导通模式下总沟道电阻典型值降至1.2mΩ，且功耗分散于两颗独立器件，实现更优的板面热分布。每个半桥配备0.5mΩ分流电阻，通过专用开尔文连接检测电机绕组电流。

系统提供再生制动时的总线过压保护。当伺服驱动器需降速时，控制算法会调整电机调制策略以逆转能量传递方向。通常电机加速或恒速运行时，电能持续输送至机械负载；而在减速阶段，必须消除因惯性存储在机械系统中的能量。此时控制算法使电机作发电机运行，将负载的机械能转化为电能回馈至伺服驱动电路。若EVLSERVO1处于支持再生制动的系统中，该能量可经主总线传输至其他设备、电池或其他需动力的伺服驱动器，从而提升能效。当再生能量未被完全消耗时，主总线电压会因多余能量暂存于系统bulk电容而升高。此时EVLSERVO1通过外部功率电阻泄放能量：当总线电压超过设定阈值时，功率板上专用MOSFET由微控制器或保护电路激活，将外部电阻接入总线与地之间，确保电压始终处于安全限值内。

功率板采用4层PCB设计，其中一层内层专用于实心接地层以抑制辐射发射，其余层用于信号与电源布线。制造采用140μm（4盎司/平方英尺）加厚铜箔，确保电源走线截面积充足，降低寄生阻抗与电阻。特别地，连接电机绕组的输出走线在三层板内重复布置并通过多组过孔互联。所有表贴元件集中于单侧，另一侧预留散热器与电解bulk电容安装空间。专用镀金孔支持通过M4螺钉实现与电机、电源及外部制动电阻的可靠连接。

       
控制板

STSPIN32G4是控制板核心（图2），其嵌入式高性能STM32G431微控制器（Cortex®-M4内核，170MHz主频）执行控制算法。微控制器通过SWD接口编程，并可经由专用内部连接与集成栅极驱动器交互，生成精确的电机调制信号。

控制板采用35μm（1 oz/ft2）铜箔设计，相比功率板可实现更小的电气间隙和更高的布局密度。控制板与功率板通过三个专用板对板连接器对接，用于传输电源输入、MOSFET栅极电压、功率输出及分流电阻信号。这种堆叠式连接虽有效缩小方案尺寸，但会引入寄生电感和电阻，必须校验其影响以确保开关稳定性。

系统支持FOC控制所需的电机电流双向检测：通过三个分流电阻（每电机相位独立配置）上的压降进行采样，并经基于运放的增益级放大。该级采用差分配置，既可放大分流电阻上毫伏级微小信号，又能消除换相过程中产生的共模噪声。放大后的信号由STSPIN32G4内部两个12位ADC进行采样转换。

栅极驱动器通过电阻 - 二极管偏置网络连接功率级MOSFET。该网络经调谐可实现约1V/ns的输出电压压摆率，在速度与辐射发射间取得平衡。此外，构成每个开关的并联MOSFET栅极均通过两个电阻解耦，以抑制换相过程中的潜在不稳定性。

控制板充分利用STSPIN32G4内置的灵活电源管理电路：集成降压转换器（从主电源生成栅极驱动电源轨）和LDO稳压器（为微控制器及其他外部3.3V域电路供电）。为提升能效，LDO与外部L3751 DCDC转换器产生的5V电源采用级联供电。

系统支持通过两种输入源同步检测电机位置，提升测量鲁棒性与精度：可同时连接霍尔效应位置传感器和编码器。编码器可采用提供增量位置数据的正交类型，或支持SPI/UART接口的绝对类型。为增强工业噪声环境下的检测可靠性，位置输入配备符合RS422/RS485标准的差分收发器。外部设备与控制器可通过CAN总线或串行通信与EVLSERVO1交互。系统还包含完备的保护机制，通过直接监测功率级温度实现过热保护，通过检测每个开关管压降实现过流/短路保护，以及过压保护，确保伺服驱动与电机始终处于安全状态。


性能测试

为验证EVLSERVO1的稳健性，搭建图3所示测试平台。


图3. EVLSERVO1驱动高功率负载
系统主输入端连接最大输出3.5kW电功率的直流电源，三路输出端连接额定机械功率4.47kW（6HP）/3000rpm的三相无刷直流电机。电机输出的机械能通过柔性联轴器连接的磁滞制动器耗散。三只功率电阻并联构成制动电阻组（考虑线路阻抗总阻值约0.9Ω），可持续耗散300W功率，脉冲工况下峰值耗散能力可达十倍（如3kW脉冲功率可持续3秒）。

STSPIN32G4搭载通过ST MCSDK工具链自动生成的FOC控制固件（基于电机参数与板卡配置：16kHz开关频率、48V标称总线电压、12V栅极驱动电压）。伺服驱动器通过STLINK-V3调试器（支持SWD接口和虚拟串口）与计算机直连编程控制，从而通过MCSDK中的Motor Pilot GUI实时调节电机转速与扭矩，并监控驱动器状态。

EVLSERVO1在接近3kW平均功率的极限工况下运行。为耗散功率级产生的热量，在散热器顶部加装风量为12m3/h的风扇。

在常规组装状态下，MOSFET器件不可见。为检测其实际温度，我们采用定制线缆将功率板与控制板重新布置为共面并列结构。通过热像仪拍摄功率板温度分布：初始测试关闭风扇，电机以42A（有效值）正弦电流运行，在25℃环境温度下约15分钟达到热平衡状态。板面最高温度点出现在低侧MOSFET，达到113℃（图4左）。随后开启风扇并将输出电流提升至63A（有效值），相同最热MOSFET的最高温度降至105℃（图4右），这得益于强制气流使板卡至环境的热阻显著降低。需说明的是，当两块电路板堆叠安装时，预计最高温度将高于本次测试值，但STL160N10F8器件允许的结温高达175℃，仍能确保驱动器在全功率运行时的设计裕量与安全可靠性。


图4. EVLSERVO1电源板的热成像

测试平台对逆变器从空载至最大电流的开关性能进行了评估。图5所示六组波形分别对应三个半桥中一个桥臂的开关信号（其余桥臂行为类似），包括：1) IU：U相半桥输出电流；2) outU：U相半桥输出节点电压；3) Vgs_lsU：U相半桥并联低侧MOSFET的栅源电压；4) Vgs_hsU：U相半桥并联高侧MOSFET的栅源电压。所有电压信号均采用示波器探头的短接地弹簧测量，以降低地环路天线寄生耦合引入的噪声及引线寄生电感。

空载时开关特性非常洁净，MOSFET电压与输出电压的上升/下降沿压摆率均约为0.83V/ns。但当输出电流达到90A峰值时，测量电压出现扰动，这归因于功率级路径中的寄生电感。得益于STSPIN32G4及功率MOSFET的鲁棒性，这些扰动仍在安全范围内：低侧硬开关关断控制的上升沿最大过冲约5.3V；高侧硬开关关断控制的下降沿测得对地负向电压约-27V（该脉冲经板对板连接器滤波后至控制板端衰减至-10V）。

最终测得低侧硬开关时输出节点的正/负向压摆率分别为1V/ns和-1.3V/ns，与设计目标值高度吻合。


图5. EVLSERVO1功率MOSFET换相波形

制动电阻的干预实例如图6所示，本次测试中通过禁用机械制动器（仅保留摩擦损耗）并利用系统旋转惯量储存动能，使电机先沿顺时针方向运行后突然接收逆时针转向指令以激发再生制动。如图6可见，初始阶段因电机作发电机运行并向系统bulk电容注入电流，导致总线电压持续上升；由于测试采用无法回馈能量的单象限电源且未连接其他能耗设备，当电压超过预设阈值时，保护电路立即启动，通过制动电阻以脉冲模式多次激活的方式将总线电压精确钳位在62-65V安全区间。测试数据显示脉冲电流峰值达60A，产生约3.4kW的瞬时功率和148W的平均功耗，而EVLSERVO1在此期间仅需从电源获取4.7W平均功率用于维持内部电容充电。完成制动后，电机成功逆转方向并进入加速状态，电源输出功率逐步提升至400W以驱动系统达到目标转速。 


图6. 制动电阻干预波形

结论

本文重点分析了意法半导体最新推出的EVLSERVO1参考设计。该方案专门针对伺服驱动领域开发，基于先进的电机控制器件STSPIN32G4构建。值得关注的是，EVLSERVO1可驱动功率高达3kW的三相无刷直流电机，其功率级展现出卓越的开关性能与热管理特性。通过模块化电路板设计实现的小型化结构，使电子元件能够就近安装于电机本体，完美契合伺服驱动应用的空间布局需求。方案集成了多重保护机制，其中包含专用于处理再生制动引起总线过电压的独立电路，确保故障工况下的系统稳健性。这些显著优势使EVLSERVO1成为高功率、低电压解决方案中实现可靠高效电机控制的理想选择。


参考文档

Servo motor driver design for high performance applications, IEEE paper
TA0361 - Thermally aware high-power inverter board for battery-powered applications, Technical Article
AN5397 - Current Sensing in motion control applications, Application Note
AN4694 - EMC design guides for motor control applications, Application Note
Design rules for paralleling of Silicon Carbide Power MOSFETs, Conference paper
Why Do Passive Oscilloscope Probes Have So Many Ground Connection Options?