【導(dǎo)讀】在工業(yè)自動(dòng)化對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)要求日益嚴(yán)苛的背景下，模塊化設(shè)計(jì)正成為解決尺寸、功率密度和可靠性挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑。EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)通過(guò)創(chuàng)新的架構(gòu)優(yōu)化，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了卓越的驅(qū)動(dòng)性能與電機(jī)安全保護(hù)的完美平衡，為高要求應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的解決方案。
摘要
在工業(yè)自動(dòng)化對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)要求日益嚴(yán)苛的背景下，模塊化設(shè)計(jì)正成為解決尺寸、功率密度和可靠性挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑。EVLSERVO1參考設(shè)計(jì)通過(guò)創(chuàng)新的架構(gòu)優(yōu)化，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了卓越的驅(qū)動(dòng)性能與電機(jī)安全保護(hù)的完美平衡，為高要求應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的解決方案。
近年來(lái)，大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案需求持續(xù)增長(zhǎng)。尤其是低壓伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(lǐng)域主要采用三相無(wú)刷電機(jī)，因其在機(jī)械負(fù)載扭矩定位與調(diào)節(jié)方面具備卓越的靈活性和強(qiáng)勁性能[1]。由于此類(lèi)應(yīng)用通常使用24V或48V標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電壓，其功率級(jí)需管理數(shù)十安培的電流，導(dǎo)致設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，最新市場(chǎng)趨勢(shì)要求將緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接安裝于被控電機(jī)上方，以減少布線、輻射發(fā)射和成本，這進(jìn)一步加劇了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。其中，功率級(jí)最終晶體管的選型及其與伺服電機(jī)的連接至關(guān)重要——高電流水平可能增加功率損耗與溫升，并對(duì)必須妥善處理的板級(jí)走線造成過(guò)應(yīng)力[2]。
為充分發(fā)揮三相無(wú)刷電機(jī)性能，需采用如磁場(chǎng)定向控制（FOC）等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)能效最大化。
意法半導(dǎo)體 的 STSPIN32G4 將高性能STM32 microcontroller、三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和靈活電源管理電路集成于單芯片。微控制器負(fù)責(zé)高級(jí)電機(jī)控制算法，驅(qū)動(dòng)器則全權(quán)控制功率級(jí)。新型 EVLSERVO1 參考設(shè)計(jì)（圖1） 基于 STSPIN32G4，專(zhuān)為伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
圖1. EVLSERVO1 參考設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)架構(gòu)
EVLSERVO1采用模塊化設(shè)計(jì)（圖1），由堆疊的兩塊印制電路板（PCB）構(gòu)成：控制板與功率板。該設(shè)計(jì)面向三相無(wú)刷直流電機(jī)，被動(dòng)冷卻時(shí)連續(xù)運(yùn)行功率可達(dá)2kW，加裝風(fēng)扇時(shí)可達(dá)3kW。系統(tǒng)標(biāo)稱總線電壓為48V，但設(shè)計(jì)留有較大余量，工作電壓可擴(kuò)展至75V。無(wú)風(fēng)扇時(shí)最大輸出電流為42Arms，加裝風(fēng)扇時(shí)可達(dá)63Arms。
圖2. EVLSERVO1 系統(tǒng)框圖與連接
功率板設(shè)計(jì)
功率板（圖2）核心為12顆STL160N10F8 MOSFET，以三相半橋結(jié)構(gòu)排列，每側(cè)（高邊/低邊）開(kāi)關(guān)由兩顆并聯(lián)晶體管構(gòu)成。系統(tǒng)具備再生制動(dòng)期間總線過(guò)壓保護(hù)能力——當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器需降速時(shí)，控制算法調(diào)整電機(jī)調(diào)制方式以反轉(zhuǎn)功率傳輸方向。
控制板設(shè)計(jì)
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(dá)170MHz）執(zhí)行控制算法。
系統(tǒng)通過(guò)三電阻采樣（每相一個(gè)分流電阻）實(shí)現(xiàn)FOC所需的雙向電機(jī)電流檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)運(yùn)放增益級(jí)放大后由STSPIN32G4內(nèi)部?jī)蓚€(gè)12位ADC采樣轉(zhuǎn)換[3]。
性能驗(yàn)證
為驗(yàn)證 EVLSERVO1 的穩(wěn)健性，搭建圖 3 所示測(cè)試平臺(tái)：
圖3. EVLSERVO1 驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載測(cè)試場(chǎng)景
系統(tǒng)主輸入端連接至一臺(tái)可提供高達(dá)3.5kW電功率的直流電源，而三路輸出端則驅(qū)動(dòng)一臺(tái)三相無(wú)刷直流電機(jī)（該電機(jī)在3000rpm轉(zhuǎn)速下可輸出4.47kW機(jī)械功率，約合6HP）。電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能通過(guò)磁滯制動(dòng)器耗散，且電機(jī)與制動(dòng)器之間采用柔性聯(lián)軸器連接。三只功率電阻并聯(lián)構(gòu)成制動(dòng)電阻網(wǎng)絡(luò)，在計(jì)入板端布線阻抗后總阻值約為0.9Ω。
STSPIN32G4配置了實(shí)現(xiàn)FOC算法的固件。EVLSERVO1在接近3kW平均功率下運(yùn)行至極限（圖3電源顯示值）。
在25°C環(huán)境中運(yùn)行約15分鐘后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，功率板最熱點(diǎn)（低邊MOSFET）溫度為113°C（圖4左）。開(kāi)啟風(fēng)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(dòng)電阻的干預(yù)案例：禁用機(jī)械制動(dòng)器（僅保留摩擦損耗），利用系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存儲(chǔ)能量（電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），隨后突然命令驅(qū)動(dòng)器逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)軸以激發(fā)再生制動(dòng)。初始階段總線電壓因電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行而上升，電流注入系統(tǒng)bulk電容。
在整個(gè)制動(dòng)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(guò)程中脈沖電流達(dá)60A，峰值功率約3.4kW，平均功率148W。EVLSERVO1在制動(dòng)階段提供約4.7W平均功率為設(shè)備內(nèi)部bulk電容充電，隨后電機(jī)反轉(zhuǎn)并加速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，電源功率逐步升至400W。
圖5. 制動(dòng)電阻干預(yù)波形
結(jié)論
低壓伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需要可靠且高效的電機(jī)控制系統(tǒng)。緊湊型EVLSERVO1支持將電子部件就近電機(jī)安裝，符合伺服驅(qū)動(dòng)需求。其具備多重保護(hù)機(jī)制（包括專(zhuān)用于處理再生制動(dòng)引起總線過(guò)壓的電路），確保故障條件下的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性。
參考文獻(xiàn)
[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?
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