【導讀】在工業自動化對伺服驅動要求日益嚴苛的背景下，模塊化設計正成為解決尺寸、功率密度和可靠性挑戰的關鍵路徑。EVLSERVO1參can考kao設she計ji通tong過guo創chuang新xin的de架jia構gou優you化hua，在zai有you限xian空kong間jian內nei實shi現xian了le卓zhuo越yue的de驅qu動dong性xing能neng與yu電dian機ji安an全quan保bao護hu的de完wan美mei平ping衡heng，為wei高gao要yao求qiu應ying用yong場chang景jing提ti供gong了le可ke靠kao的de解jie決jue方fang案an。

摘要

在工業自動化對伺服驅動要求日益嚴苛的背景下
，模塊化設計正成為解決尺寸、功率密度和可靠性挑戰的關鍵路徑。EVLSERVO1參can考kao設she計ji通tong過guo創chuang新xin的de架jia構gou優you化hua，在zai有you限xian空kong間jian內nei實shi現xian了le卓zhuo越yue的de驅qu動dong性xing能neng與yu電dian機ji安an全quan保bao護hu的de完wan美mei平ping衡heng
，為wei高gao要yao求qiu應ying用yong場chang景jing提ti供gong了le可ke靠kao的de解jie決jue方fang案an。

近(jin)年(nian)來(lai)
，大(da)功(gong)率(lv)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)需(xu)求(qiu)持(chi)續(xu)增(zeng)長(chang)。尤(you)其(qi)是(shi)低(di)壓(ya)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)應(ying)用(yong)，亟(ji)需(xu)能(neng)夠(gou)管(guan)理(li)數(shu)百(bai)瓦(wa)至(zhi)數(shu)千(qian)瓦(wa)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)的(de)可(ke)靠(kao)係(xi)統(tong)。此(ci)領(ling)域(yu)主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)三(san)相(xiang)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)，因(yin)其(qi)在(zai)機(ji)械(xie)負(fu)載(zai)扭(niu)矩(ju)定(ding)位(wei)與(yu)調(tiao)節(jie)方(fang)麵(mian)具(ju)備(bei)卓(zhuo)越(yue)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)強(qiang)勁(jin)性(xing)能(neng)[1]。由於此類應用通常使用24V或48V標(biao)準(zhun)工(gong)業(ye)電(dian)壓(ya)，其(qi)功(gong)率(lv)級(ji)需(xu)管(guan)理(li)數(shu)十(shi)安(an)培(pei)的(de)電(dian)流(liu)，導(dao)致(zhi)設(she)計(ji)麵(mian)臨(lin)嚴(yan)峻(jun)挑(tiao)戰(zhan)。此(ci)外(wai)，最(zui)新(xin)市(shi)場(chang)趨(qu)勢(shi)要(yao)求(qiu)將(jiang)緊(jin)湊(cou)型(xing)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)直(zhi)接(jie)安(an)裝(zhuang)於(yu)被(bei)控(kong)電(dian)機(ji)上(shang)方(fang)，以(yi)減(jian)少(shao)布(bu)線(xian)
、輻射發射和成本
，這進一步加劇了設計複雜性。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，並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製（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於單芯片。微控製器負責高級電機控製算法
，驅動器則全權控製功率級。新型 EVLSERVO1  參考設計（圖1） 基於 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），由堆疊的兩塊印製電路板（PCB）構成：控製板與功率板。該設計麵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。係統標稱總線電壓為48V，但設計留有較大餘量，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 係統框圖與連接

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）開關由兩顆並聯晶體管構成。係統具備再生製動期間總線過壓保護能力——當伺服驅動器需降速時，控製算法調整電機調製方式以反轉功率傳輸方向。

控製板設計

STSPIN32G4是控製板核心（圖2）

，其內置的STM32G431微控製器（Cortex®-M4內核，主頻高達170MHz）執行控製算法。

係統通過三電阻采樣（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後由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 所示測試平台：

圖3. EVLSERVO1 驅動大功率負載測試場景

係統主輸入端連接至一台可提供高達3.5kW電功率的直流電源，而三路輸出端則驅動一台三相無刷直流電機（該電機在3000rpm轉速下可輸出4.47kW機械功率
，約合6HP）。電dian機ji產chan生sheng的de機ji械xie能neng通tong過guo磁ci滯zhi製zhi動dong器qi耗hao散san
，且qie電dian機ji與yu製zhi動dong器qi之zhi間jian采cai用yong柔rou性xing聯lian軸zhou器qi連lian接jie。三san隻zhi功gong率lv電dian阻zu並bing聯lian構gou成cheng製zhi動dong電dian阻zu網wang絡luo，在zai計ji入ru板ban端duan布bu線xian阻zu抗kang後hou總zong阻zu值zhi約yue為wei0.9Ω。

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分鍾後係統達到穩態，功率板最熱點（低邊MOSFET）溫度為113°C（圖4左）。開啟風扇並將輸出電流提升至63Arms後
，最熱MOSFET溫度降至105°C（圖4右）。

圖4. EVLSERVO1 功率板熱成像圖

圖5展示了製動電阻的幹預案例：禁用機械製動器（僅保留摩擦損耗），利用係統轉動慣量存儲能量（電機順時針旋轉），隨後突然命令驅動器逆時針反轉軸以激發再生製動。初始階段總線電壓因電機作發電機運行而上升，電流注入係統bulk電容。

在整個製動階段，電阻以脈衝模式多次激活
，將總線電壓鉗位在62V–65V安全區間。此過程中脈衝電流達60A，峰值功率約3.4kW，平均功率148W。EVLSERVO1在製動階段提供約4.7W平均功率為設備內部bulk電容充電，隨後電機反轉並加速至目標轉速，電源功率逐步升至400W。

圖5. 製動電阻幹預波形

結論

低壓伺服驅動應用需要可靠且高效的電機控製係統。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。其具備多重保護機製（包括專用於處理再生製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?

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