采用STSPIN32G4的高功率密度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊化方案

摘要

伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用市場對尺寸、功率密度和可靠性均提出嚴(yán)苛要求，這使得設(shè)計(jì)穩(wěn)健解決方案充滿挑戰(zhàn)。意法半導(dǎo)體近期發(fā)布的EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)以其緊湊結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大性能精準(zhǔn)應(yīng)對這一領(lǐng)域需求。通過系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化及采用STSPIN32G4等旗艦器件（該先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成Cortex®-M4微控制器），我們成功實(shí)現(xiàn)了可向電機(jī)提供3kW功率的逆變器，且具備優(yōu)異的開關(guān)性能與熱性能。該設(shè)計(jì)通過基于硬件和軟件的多重保護(hù)機(jī)制強(qiáng)化可靠性，在異常情況下能確保驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)均處于安全狀態(tài)，同時(shí)保持最大靈活性。本文詳細(xì)闡述EVLSERVO1設(shè)計(jì)，為終端應(yīng)用設(shè)計(jì)師構(gòu)建最優(yōu)伺服驅(qū)動(dòng)解決方案提供參考與指引。

引言

近年來，大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案需求持續(xù)增長。尤其在低壓伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，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)。憑借在機(jī)械負(fù)載定位與扭矩調(diào)節(jié)方面的卓越靈活性及強(qiáng)勁性能，三相無刷電機(jī)已成為該領(lǐng)域主流選擇[1]。

由于這類應(yīng)用通常采用24V或48V標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電壓，其功率級(jí)必須承受數(shù)十安培電流，這從多維度對設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前市場趨勢要求將高度緊湊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接安裝于被控電機(jī)本體，這種設(shè)計(jì)雖能減少布線、輻射發(fā)射與成本，卻進(jìn)一步加劇了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。其中，功率級(jí)晶體管的選型及其與伺服電機(jī)的連接至關(guān)重要——大電流可能導(dǎo)致功耗與溫度升高，以及電路板走線的過應(yīng)力，這些都必須妥善解決[2]。同時(shí)，為功率級(jí)選擇合適的控制與驅(qū)動(dòng)方案，對確保開關(guān)行為可靠性和系統(tǒng)整體魯棒性具有關(guān)鍵意義。

為充分發(fā)揮三相無刷電機(jī)性能，需要采用磁場定向控制（FOC）等先進(jìn)技術(shù)，即通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)繞組電流產(chǎn)生的磁場實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率最大化。盡管這些控制算法歷經(jīng)優(yōu)化已能直接在資源有限的微控制器上運(yùn)行，但在追求極致性能時(shí)仍需要顯著的計(jì)算能力，這使得在性能與成本間權(quán)衡取舍成為一項(xiàng)耗時(shí)且復(fù)雜的任務(wù)。

在此背景下，意法半導(dǎo)體的STSPIN32G4成為伺服驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(jìn)的電機(jī)控制算法，而驅(qū)動(dòng)器憑借1A電流驅(qū)動(dòng)能力及集成保護(hù)功能，可全面掌控功率級(jí)運(yùn)行，及時(shí)檢測并消除故障狀態(tài)。

因此，意法半導(dǎo)體推出基于STSPIN32G4的EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)（圖1），瞄準(zhǔn)伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。下文將詳細(xì)闡述該方案的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與性能表現(xiàn)。

圖1.EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)描述

EVLSERVO1采用模塊化設(shè)計(jì)（如圖1所示），由控制板與功率板兩塊印刷電路板堆疊構(gòu)成。通過優(yōu)化元件布局與布線，該設(shè)計(jì)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(jī)，被動(dòng)散熱模式下可持續(xù)輸出2kW功率，搭載風(fēng)扇時(shí)功率可達(dá)3kW。系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于工業(yè)環(huán)境，標(biāo)稱總線電壓最高48V，但憑借充足的設(shè)計(jì)裕量可擴(kuò)展至75V工作電壓。在有無風(fēng)扇配置下，最大輸出電流分別可達(dá)63 A_rms與42 A_rms。

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(gòu)。高低側(cè)開關(guān)均采用雙管并聯(lián)設(shè)計(jì)，雖所選MOSFET額定電流已超100A，但并聯(lián)方案可提升效能與熱性能：導(dǎo)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(dú)立器件，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的板面熱分布。每個(gè)半橋配備0.5mΩ分流電阻，通過專用開爾文連接檢測電機(jī)繞組電流。

系統(tǒng)提供再生制動(dòng)時(shí)的總線過壓保護(hù)。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器需降速時(shí)，控制算法會(huì)調(diào)整電機(jī)調(diào)制策略以逆轉(zhuǎn)能量傳遞方向。通常電機(jī)加速或恒速運(yùn)行時(shí)，電能持續(xù)輸送至機(jī)械負(fù)載；而在減速階段，必須消除因慣性存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)中的能量。此時(shí)控制算法使電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋至伺服驅(qū)動(dòng)電路。若EVLSERVO1處于支持再生制動(dòng)的系統(tǒng)中，該能量可經(jīng)主總線傳輸至其他設(shè)備、電池或其他需動(dòng)力的伺服驅(qū)動(dòng)器，從而提升能效。當(dāng)再生能量未被完全消耗時(shí)，主總線電壓會(huì)因多余能量暫存于系統(tǒng)bulk電容而升高。此時(shí)EVLSERVO1通過外部功率電阻泄放能量：當(dāng)總線電壓超過設(shè)定閾值時(shí)，功率板上專用MOSFET由微控制器或保護(hù)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(nèi)。

功率板采用4層PCB設(shè)計(jì)，其中一層內(nèi)層專用于實(shí)心接地層以抑制輻射發(fā)射，其余層用于信號(hào)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(jī)繞組的輸出走線在三層板內(nèi)重復(fù)布置并通過多組過孔互聯(lián)。所有表貼元件集中于單側(cè)，另一側(cè)預(yù)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(shí)現(xiàn)與電機(jī)、電源及外部制動(dòng)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(nèi)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(jīng)由專用內(nèi)部連接與集成柵極驅(qū)動(dòng)器交互，生成精確的電機(jī)調(diào)制信號(hào)。

控制板采用35μm（1 oz/ft2）銅箔設(shè)計(jì)，相比功率板可實(shí)現(xiàn)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(gè)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(hào)。這種堆疊式連接雖有效縮小方案尺寸，但會(huì)引入寄生電感和電阻，必須校驗(yàn)其影響以確保開關(guān)穩(wěn)定性[4]。

系統(tǒng)支持FOC控制所需的電機(jī)電流雙向檢測：通過三個(gè)分流電阻（每電機(jī)相位獨(dú)立配置）上的壓降進(jìn)行采樣，并經(jīng)基于運(yùn)放的增益級(jí)放大。該級(jí)采用差分配置，既可放大分流電阻上毫伏級(jí)微小信號(hào)，又能消除換相過程中產(chǎn)生的共模噪聲[3]。放大后的信號(hào)由STSPIN32G4內(nèi)部兩個(gè)12位ADC進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換。

柵極驅(qū)動(dòng)器通過電阻 - 二極管偏置網(wǎng)絡(luò)連接功率級(jí)MOSFET。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)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(gòu)成每個(gè)開關(guān)的并聯(lián)MOSFET柵極均通過兩個(gè)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(nèi)置的靈活電源管理電路：集成降壓轉(zhuǎn)換器（從主電源生成柵極驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器產(chǎn)生的5V電源采用級(jí)聯(lián)供電。

系統(tǒng)支持通過兩種輸入源同步檢測電機(jī)位置，提升測量魯棒性與精度：可同時(shí)連接霍爾效應(yīng)位置傳感器和編碼器。編碼器可采用提供增量位置數(shù)據(jù)的正交類型，或支持SPI/UART接口的絕對類型。為增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的差分收發(fā)器。外部設(shè)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(hù)機(jī)制，通過直接監(jiān)測功率級(jí)溫度實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)，通過檢測每個(gè)開關(guān)管壓降實(shí)現(xiàn)過流/短路保護(hù)，以及過壓保護(hù)，確保伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)始終處于安全狀態(tài)。

性能測試

為驗(yàn)證EVLSERVO1的穩(wěn)健性，搭建圖3所示測試平臺(tái)。

圖3. EVLSERVO1驅(qū)動(dòng)高功率負(fù)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(jī)械功率4.47kW（6HP）/3000rpm的三相無刷直流電機(jī)。電機(jī)輸出的機(jī)械能通過柔性聯(lián)軸器連接的磁滯制動(dòng)器耗散。三只功率電阻并聯(lián)構(gòu)成制動(dòng)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(dá)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(dòng)生成的FOC控制固件（基于電機(jī)參數(shù)與板卡配置：16kHz開關(guān)頻率、48V標(biāo)稱總線電壓、12V柵極驅(qū)動(dòng)電壓）。伺服驅(qū)動(dòng)器通過STLINK-V3調(diào)試器（支持SWD接口和虛擬串口）與計(jì)算機(jī)直連編程控制，從而通過MCSDK中的Motor Pilot GUI實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩，并監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)。

EVLSERVO1在接近3kW平均功率的極限工況下運(yùn)行。為耗散功率級(jí)產(chǎn)生的熱量，在散熱器頂部加裝風(fēng)量為12m³/h的風(fēng)扇。

在常規(guī)組裝狀態(tài)下，MOSFET器件不可見。為檢測其實(shí)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(jié)構(gòu)。通過熱像儀拍攝功率板溫度分布：初始測試關(guān)閉風(fēng)扇，電機(jī)以42A（有效值）正弦電流運(yùn)行，在25℃環(huán)境溫度下約15分鐘達(dá)到熱平衡狀態(tài)。板面最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在低側(cè)MOSFET，達(dá)到113℃（圖4左）。隨后開啟風(fēng)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(qiáng)制氣流使板卡至環(huán)境的熱阻顯著降低。需說明的是，當(dāng)兩塊電路板堆疊安裝時(shí)，預(yù)計(jì)最高溫度將高于本次測試值，但STL160N10F8器件允許的結(jié)溫高達(dá)175℃，仍能確保驅(qū)動(dòng)器在全功率運(yùn)行時(shí)的設(shè)計(jì)裕量與安全可靠性。

圖4. EVLSERVO1電源板的熱成像

測試平臺(tái)對逆變器從空載至最大電流的開關(guān)性能進(jìn)行了評(píng)估。圖5所示六組波形分別對應(yīng)三個(gè)半橋中一個(gè)橋臂的開關(guān)信號(hào)（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(diǎn)電壓；3) Vgs_lsU：U相半橋并聯(lián)低側(cè)MOSFET的柵源電壓；4) Vgs_hsU：U相半橋并聯(lián)高側(cè)MOSFET的柵源電壓。所有電壓信號(hào)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(shí)開關(guān)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(dāng)輸出電流達(dá)到90A峰值時(shí)，測量電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，這歸因于功率級(jí)路徑中的寄生電感。得益于STSPIN32G4及功率MOSFET的魯棒性，這些擾動(dòng)仍在安全范圍內(nèi)：低側(cè)硬開關(guān)關(guān)斷控制的上升沿最大過沖約5.3V；高側(cè)硬開關(guān)關(guān)斷控制的下降沿測得對地負(fù)向電壓約-27V（該脈沖經(jīng)板對板連接器濾波后至控制板端衰減至-10V）。

最終測得低側(cè)硬開關(guān)時(shí)輸出節(jié)點(diǎn)的正/負(fù)向壓擺率分別為1V/ns和-1.3V/ns，與設(shè)計(jì)目標(biāo)值高度吻合。

圖5. EVLSERVO1功率MOSFET換相波形

制動(dòng)電阻的干預(yù)實(shí)例如圖6所示，本次測試中通過禁用機(jī)械制動(dòng)器（僅保留摩擦損耗）并利用系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量儲(chǔ)存動(dòng)能，使電機(jī)先沿順時(shí)針方向運(yùn)行后突然接收逆時(shí)針轉(zhuǎn)向指令以激發(fā)再生制動(dòng)。如圖6可見，初始階段因電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行并向系統(tǒng)bulk電容注入電流，導(dǎo)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(shè)備，當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，保護(hù)電路立即啟動(dòng)，通過制動(dòng)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(shù)據(jù)顯示脈沖電流峰值達(dá)60A，產(chǎn)生約3.4kW的瞬時(shí)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(nèi)部電容充電。完成制動(dòng)后，電機(jī)成功逆轉(zhuǎn)方向并進(jìn)入加速狀態(tài)，電源輸出功率逐步提升至400W以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖6. 制動(dòng)電阻干預(yù)波形

結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了意法半導(dǎo)體最新推出的EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)。該方案專門針對伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域開發(fā)，基于先進(jìn)的電機(jī)控制器件STSPIN32G4構(gòu)建。值得關(guān)注的是，EVLSERVO1可驅(qū)動(dòng)功率高達(dá)3kW的三相無刷直流電機(jī)，其功率級(jí)展現(xiàn)出卓越的開關(guān)性能與熱管理特性。通過模塊化電路板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的小型化結(jié)構(gòu)，使電子元件能夠就近安裝于電機(jī)本體，完美契合伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的空間布局需求。方案集成了多重保護(hù)機(jī)制，其中包含專用于處理再生制動(dòng)引起總線過電壓的獨(dú)立電路，確保故障工況下的系統(tǒng)穩(wěn)健性。這些顯著優(yōu)勢使EVLSERVO1成為高功率、低電壓解決方案中實(shí)現(xiàn)可靠高效電機(jī)控制的理想選擇。

參考文檔

[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?