意法半導(dǎo)體電機(jī)控制技術(shù)創(chuàng)新中心聚焦于AI服務(wù)器高功率電源熱管理、家電和工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等領(lǐng)域，在新型無傳感智能算法、高集成度能效提升、工業(yè)位置控制系統(tǒng)等關(guān)鍵細(xì)分市場(chǎng)，形成了系統(tǒng)化的解決方案體系。

在工業(yè)自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電機(jī)控制的精度、能效、可靠性與安全性成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。意法半導(dǎo)體憑借在電機(jī)控制領(lǐng)域深耕多年的電機(jī)控制技術(shù)創(chuàng)新中心，推出了覆蓋高壓、低壓場(chǎng)景的全系列伺服驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人電機(jī)控制解決方案，從20KW工業(yè)級(jí)應(yīng)用到150W人形機(jī)器人關(guān)節(jié)控制，全方位滿足不同領(lǐng)域的嚴(yán)苛需求。今天，我們就來深入拆解這些“硬核”技術(shù)，看看ST如何用芯片與方案賦能智能驅(qū)動(dòng)。

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意法半導(dǎo)體伺服驅(qū)動(dòng)：機(jī)器人電機(jī)控制的“硬核”解決方案，從高壓到低壓全覆蓋(上)文末有福利

上篇主要介紹工業(yè)級(jí)高壓伺服驅(qū)動(dòng)方案：詳解20kW高性能、1-3kW通用雙板設(shè)計(jì)及SiC/GaN專用平臺(tái)。

低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案：

單/雙軸架構(gòu)，賦能智能驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景

ST低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案基于其先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，形成覆蓋單軸與雙軸兩大架構(gòu)的產(chǎn)品布局，并持續(xù)沿技術(shù)發(fā)展路徑迭代升級(jí)，適配人形機(jī)器人，AGV，服務(wù)機(jī)器人和割草機(jī)等應(yīng)用。

1. 緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案

緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案，采用STSPIN32G4 + STDRIVE101的控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙軸電機(jī)控制。其中STSPIN32G4是意法半導(dǎo)體推出的一款高度集成的高性能三相電機(jī)控制器，它巧妙地將MCU、柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理單元整合在單個(gè)芯片中，專為驅(qū)動(dòng)三相無刷直流電機(jī)等而設(shè)計(jì)，旨在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低物料成本并節(jié)省PCB空間，所以可以助力實(shí)現(xiàn)緊湊型的雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案。該解決方案采用堆疊設(shè)計(jì)，分為接口板和核心板：接口板集成CAN通訊和RS485通訊相關(guān)電路，集成增量式編碼器、HALL傳感器和SPI編碼器接口，方便用戶根據(jù)自己使用的通訊和電機(jī)編碼器類型調(diào)整接口板，助力用戶快速完成原型開發(fā)。該解決方案支持雙路150W的額定功率，得益于ST的專利技術(shù)減小PCB尺寸和STSPIN32G4的強(qiáng)大集成功能，該解決方案尺寸僅4cm x 4.5cm，實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，特別適合應(yīng)用在一些對(duì)尺寸要求高的場(chǎng)所，尤其是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)和靈巧手的應(yīng)用。

創(chuàng)新專利與性能優(yōu)化

該解決方案集成了ST獨(dú)有的多電機(jī)共享電流采樣網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)與創(chuàng)新PCB布局設(shè)計(jì)。通過專利性的共享采樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙電機(jī)系統(tǒng)共用一路電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，不僅顯著節(jié)省傳感器數(shù)量，更有效優(yōu)化PCB布局空間與MCU引腳資源占用。其創(chuàng)新的功率器件交錯(cuò)布局方案，通過交錯(cuò)式布局優(yōu)化使功率模塊溫度分布更加均衡，顯著提升系統(tǒng)可靠性并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的熱保護(hù)管理。

在性能表現(xiàn)方面，該方案在16kHz PWM頻率下可實(shí)現(xiàn)約3kHz的電流環(huán)控制帶寬，展現(xiàn)優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)同時(shí)運(yùn)行雙路磁場(chǎng)定向控制時(shí)，MCU負(fù)載率仍能保持在60%以內(nèi)的充裕余量，為復(fù)雜控制算法留有充足計(jì)算空間。這些特性使其特別適合對(duì)空間布局、熱管理和實(shí)時(shí)性能有嚴(yán)苛要求的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景。

適配靈巧手與關(guān)節(jié)電機(jī)應(yīng)用

針對(duì)人形機(jī)器人靈巧手對(duì)高自由度和緊湊結(jié)構(gòu)的雙重要求，電機(jī)控制方案需在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)協(xié)同驅(qū)動(dòng)，并滿足空心杯電機(jī)低電感特性所需的高頻控制需求。ST的緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案，精準(zhǔn)匹配上述應(yīng)用場(chǎng)景。

該方案采用分布式架構(gòu)，通過CAN總線連接中央運(yùn)動(dòng)控制板與多個(gè)本地驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立控制兩路空心杯電機(jī)。一方面，模塊化的設(shè)計(jì)支持根據(jù)靈巧手關(guān)節(jié)數(shù)量靈活擴(kuò)展電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元;另一方面，優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)與高頻驅(qū)動(dòng)能力保障了對(duì)低電感空心杯電機(jī)的精確控制。

圖示架構(gòu)中，中央運(yùn)動(dòng)控制板(Motion Control Board)作為指令樞紐，經(jīng)由CAN總線將控制指令分發(fā)至各驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)是搭載STSPIN32G4與STDRIVE101組合的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，形成“控制?驅(qū)動(dòng)?電機(jī)”三級(jí)協(xié)同體系。該結(jié)構(gòu)在維持通信效率的同時(shí)，顯著提高了布線靈活性與空間利用率，為高集成度靈巧手的實(shí)現(xiàn)提供了可行路徑。

針對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的應(yīng)用，緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案可以通過跳線電阻R4、R5、R6讓電機(jī)切換在單軸控制應(yīng)用和雙軸控制應(yīng)用上。跳線電阻R4、R5、R6，保持開路狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以獨(dú)立控制兩臺(tái)三相無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙軸FOC控制，當(dāng)跳線電阻R4、R5、R6連接時(shí)，該方案就可以工作在單電機(jī)大電流的驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)將兩套三相逆變橋合并為一套，相當(dāng)于增加了功率管的并聯(lián)數(shù)量，提升通道的連續(xù)和峰值輸出電流能力。通過跳線電阻的配置，可以將該解決方案更改為適合單個(gè)功率需求更大的應(yīng)用場(chǎng)合，使得一個(gè)硬件平臺(tái)能夠適配雙軸獨(dú)立控制與大功率單軸驅(qū)動(dòng)這兩種截然不同的需求，降低用戶的開發(fā)成本和周期。

2. 高功率密度單軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案

ST的高功率密度單軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案基于STSPIN32G4控制器，在其僅8cm × 5cm的緊湊板卡尺寸上，通過優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)和布局，實(shí)現(xiàn)了帶主動(dòng)散熱器時(shí)3kW和被動(dòng)散熱時(shí)2kW的強(qiáng)勁功率輸出，在功率密度方面表現(xiàn)突出。

而硬件配置上，功率器件采用STL160N10F8 MOSFET并聯(lián)方案以降低導(dǎo)通損耗，電流檢測(cè)采用三電阻差分架構(gòu)確保采樣精度。系統(tǒng)針對(duì)48V工業(yè)總線電壓優(yōu)化，集成了完備的速度與位置檢測(cè)接口，支持絕對(duì)編碼器、增量編碼器及霍爾傳感器，并可配置為差分或單端模式，提供了高度的靈活性。

通信方面集成CAN總線接口，確保在工業(yè)噪聲環(huán)境下的可靠通信。保護(hù)機(jī)制全面，具備過流、過壓和過溫保護(hù)，并特別集成了STO安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷功能和外部再生制動(dòng)電阻管理電路，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

該解決方案特別適用于對(duì)體積和性能有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)、服務(wù)機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備以及電動(dòng)自行車等，為開發(fā)高可靠性、高性能的單軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)提供了經(jīng)過驗(yàn)證的完整解決方案。

3. 帶EtherCAT接口的雙軸低壓伺服驅(qū)動(dòng)解決方案

為滿足工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)多軸同步控制的苛刻需求，ST推出了這款高度集成的帶EtherCAT接口的雙電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的解決方案。該解決方案額定功率為2 x 1kW，額定工作電壓48V，是一個(gè)完整的交鑰匙解決方案。

其核心創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了單顆STSPIN32G4系統(tǒng)級(jí)芯片驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)三相永磁同步電機(jī)。通過搭配STDRIVE101柵極驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力，并采用共享電流采樣網(wǎng)絡(luò)與針對(duì)不平衡負(fù)載優(yōu)化的PCB布局，該解決方案在提升集成度的同時(shí)確保了雙路控制的獨(dú)立精度與穩(wěn)定性。系統(tǒng)提供雙路編碼器接口，全面支持增量型與絕對(duì)型編碼器，并可靈活配置為高性能EtherCAT或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信接口。

在軟件層面，該解決方案提供了一個(gè)完整的工業(yè)電機(jī)控制固件棧，集成了電機(jī)控制軟件開發(fā)套件、CiA 402驅(qū)動(dòng)行規(guī)協(xié)議棧以及EtherCAT協(xié)議棧。此外，它還包含兩項(xiàng)關(guān)鍵算法創(chuàng)新：一是改進(jìn)的編碼器校準(zhǔn)技術(shù)，可在無需索引信號(hào)或霍爾傳感器的條件下，通過微抖動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)高精度的磁極位置辨識(shí);二是改進(jìn)的實(shí)時(shí)調(diào)度器，確保了多任務(wù)時(shí)序的精確同步，從而保障了雙電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性與性能。

該解決方案集中展示了STSPIN32G4在計(jì)算能力、外設(shè)資源及系統(tǒng)架構(gòu)靈活性方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，為開發(fā)高性能、多軸同步的工業(yè)伺服系統(tǒng)(如工業(yè)機(jī)器人、高端自動(dòng)化設(shè)備)提供了經(jīng)過驗(yàn)證的先進(jìn)平臺(tái)。

創(chuàng)新共享EtherCAT

該解決方案創(chuàng)新性地采用共享EtherCAT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過單一網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的同步控制。如圖所示，其核心是在主控制器側(cè)集成統(tǒng)一的EtherCAT從站控制器，使得雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅需一個(gè)EtherCAT端口即可接入上層運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

這種架構(gòu)顯著簡(jiǎn)化了多電機(jī)系統(tǒng)的布線復(fù)雜度。傳統(tǒng)方案中每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需獨(dú)立接入網(wǎng)絡(luò)，而該方案將兩臺(tái)電機(jī)的通信鏈路整合，大幅減少了連接器數(shù)量與線纜長(zhǎng)度，提升了系統(tǒng)的可靠性并降低了整體成本。更重要的是，共享網(wǎng)絡(luò)為雙電機(jī)提供了統(tǒng)一的時(shí)間同步機(jī)制，確保了兩臺(tái)電機(jī)在嚴(yán)格的同一時(shí)間基準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

在硬件實(shí)現(xiàn)上，該方案通過緊湊的13cm × 13cm板卡集成了24顆MOSFET構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)陣列、雙路高精度電流檢測(cè)模塊及完善的剎車與保護(hù)電路。軟件層面完整支持EtherCAT協(xié)議棧與CiA 402協(xié)議，具備即插即用的兼容性。

此方案特別適用于輪式移動(dòng)底盤、人形機(jī)器人關(guān)節(jié)及AGV等對(duì)空間布局和運(yùn)動(dòng)同步性要求極高的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了在有限空間內(nèi)的高性能多軸集成驅(qū)動(dòng)。

完整工業(yè)固件與通信協(xié)議支持

該解決方案采用標(biāo)準(zhǔn)化的分層通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于EtherCAT/CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能雙電機(jī)控制。并且集成了完整的工業(yè)電機(jī)控制固件棧(MCSDK+CiA 402+每個(gè)節(jié)點(diǎn)搭載EtherCAT)，具備改進(jìn)的任務(wù)調(diào)度功能，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度。豐富的固件IP和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功能，助力客戶快速開發(fā)和部署高性能電機(jī)控制系統(tǒng)。

ST伺服驅(qū)動(dòng)解決方案，提升開發(fā)效率的“加速器”

ST伺服驅(qū)動(dòng)解決方案提供了一套功能完整且經(jīng)過工業(yè)驗(yàn)證的技術(shù)平臺(tái)，其核心價(jià)值在于將標(biāo)準(zhǔn)化接口、可復(fù)用軟件IP與全面的性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)深度融合。ST伺服驅(qū)動(dòng)解決方案提供全面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功能支持，涵蓋差分編碼器接口、多編碼器接口、霍爾傳感器及隔離數(shù)字輸入輸出等關(guān)鍵接口，并集成現(xiàn)場(chǎng)總線通信能力，確保與主流工業(yè)設(shè)備的即插即用兼容性，顯著降低系統(tǒng)集成復(fù)雜度。在軟件層面，解決方案提供豐富的可復(fù)用固件IP資源，包含經(jīng)過優(yōu)化的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度器、符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配置文件以及先進(jìn)的編碼器對(duì)齊算法，大幅提升開發(fā)效率并保障系統(tǒng)性能的一致性。此外，ST提供完整的性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)與說明文檔，涵蓋系統(tǒng)效率、電流環(huán)路帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)，為設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，幫助工程師快速完成方案評(píng)估與產(chǎn)品驗(yàn)證。

結(jié)語(yǔ)

意法半導(dǎo)體憑借其領(lǐng)先的MCU、功率器件及豐富的軟件生態(tài)，構(gòu)建了覆蓋高壓與低壓、多軸與單軸、IGBT與SiC/GaN等多技術(shù)路線的伺服驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人電機(jī)控制解決方案。其高度模塊化設(shè)計(jì)、安全功能完善、性能優(yōu)異的產(chǎn)品組合，為工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、家電及服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障，助力客戶實(shí)現(xiàn)智能制造與高效節(jié)能的目標(biāo)。

上篇主要介紹工業(yè)級(jí)高壓伺服驅(qū)動(dòng)方案：詳解20kW高性能、1-3kW通用雙板設(shè)計(jì)及SiC/GaN專用平臺(tái)。

意法半導(dǎo)體伺服驅(qū)動(dòng)：機(jī)器人電機(jī)控制的“硬核”解決方案，從高壓到低壓全覆蓋(上)