意法半導(dǎo)體電機控制技術(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)鍵細分市場，形成了系統(tǒng)化的解決方案體系。

在工業(yè)自動化與機器人技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電機控制的精度、能效、可靠性與安全性成為核心競爭力。意法半導(dǎo)體憑借在電機控制領(lǐng)域深耕多年的電機控制技術(shù)創(chuàng)新中心，推出了覆蓋高壓、低壓場景的全系列伺服驅(qū)動與機器人電機控制解決方案，從20KW工業(yè)級應(yīng)用到150W人形機器人關(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。

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意法半導(dǎo)體伺服驅(qū)動：機器人電機控制的“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)級高壓伺服驅(qū)動方案：詳解20kW高性能、1-3kW通用雙板設(shè)計及SiC/GaN專用平臺。

低壓伺服驅(qū)動解決方案：

單/雙軸架構(gòu)，賦能智能驅(qū)動場景

ST低壓伺服驅(qū)動解決方案基于其先進的電機控制技術(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，適配人形機器人，AGV，服務(wù)機器人和割草機等應(yīng)用。

1. 緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動解決方案

緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動解決方案，采用STSPIN32G4 + STDRIVE101的控制架構(gòu)實現(xiàn)雙軸電機控制。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控制器，它巧妙地將MCU、柵極驅(qū)動器和電源管理單元整合在單個芯片中，專為驅(qū)動三相無刷直流電機等而設(shè)計，旨在簡化系統(tǒng)設(shè)計、降低物料成本并節(jié)省PCB空間，所以可以助力實現(xiàn)緊湊型的雙軸低壓伺服驅(qū)動解決方案。該解決方案采用堆疊設(shè)計，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的強大集成功能，該解決方案尺寸僅4cm x 4.5cm，實現(xiàn)緊湊型設(shè)計，特別適合應(yīng)用在一些對尺寸要求高的場所，尤其是人形機器人關(guān)節(jié)電機和靈巧手的應(yīng)用。

創(chuàng)新專利與性能優(yōu)化

該解決方案集成了ST獨有的多電機共享電流采樣網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)與創(chuàng)新PCB布局設(shè)計。通過專利性的共享采樣拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了雙電機系統(tǒng)共用一路電流檢測網(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)新的功率器件交錯布局方案，通過交錯式布局優(yōu)化使功率模塊溫度分布更加均衡，顯著提升系統(tǒng)可靠性并實現(xiàn)精準(zhǔn)的熱保護管理。

在性能表現(xiàn)方面，該方案在16kHz PWM頻率下可實現(xiàn)約3kHz的電流環(huán)控制帶寬，展現(xiàn)優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)同時運行雙路磁場定向控制時，MCU負載率仍能保持在60%以內(nèi)的充裕余量，為復(fù)雜控制算法留有充足計算空間。這些特性使其特別適合對空間布局、熱管理和實時性能有嚴(yán)苛要求的雙電機驅(qū)動場景。

適配靈巧手與關(guān)節(jié)電機應(yīng)用

針對人形機器人靈巧手對高自由度和緊湊結(jié)構(gòu)的雙重要求，電機控制方案需在有限空間內(nèi)實現(xiàn)多關(guān)節(jié)協(xié)同驅(qū)動，并滿足空心杯電機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)動解決方案，精準(zhǔn)匹配上述應(yīng)用場景。

該方案采用分布式架構(gòu)，通過CAN總線連接中央運動控制板與多個本地驅(qū)動模塊，每個模塊可獨立控制兩路空心杯電機。一方面，模塊化的設(shè)計支持根據(jù)靈巧手關(guān)節(jié)數(shù)量靈活擴展電機驅(qū)動單元;另一方面，優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)與高頻驅(qū)動能力保障了對低電感空心杯電機的精確控制。

圖示架構(gòu)中，中央運動控制板(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)動節(jié)點。每個節(jié)點是搭載STSPIN32G4與STDRIVE101組合的雙電機驅(qū)動單元，形成“控制?驅(qū)動?電機”三級協(xié)同體系。該結(jié)構(gòu)在維持通信效率的同時，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現(xiàn)提供了可行路徑。

針對關(guān)節(jié)電機的應(yīng)用，緊湊型雙軸低壓伺服驅(qū)動解決方案可以通過跳線電阻R4、R5、R6讓電機切換在單軸控制應(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，系統(tǒng)可以獨立控制兩臺三相無刷電機，實現(xiàn)雙軸FOC控制，當(dāng)跳線電阻R4、R5、R6連接時，該方案就可以工作在單電機大電流的驅(qū)動模式，實現(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功率需求更大的應(yīng)用場合，使得一個硬件平臺能夠適配雙軸獨立控制與大功率單軸驅(qū)動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)動解決方案

ST的高功率密度單軸低壓伺服驅(qū)動解決方案基于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)計和布局，實現(xiàn)了帶主動散熱器時3kW和被動散熱時2kW的強勁功率輸出，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，電流檢測采用三電阻差分架構(gòu)確保采樣精度。系統(tǒng)針對48V工業(yè)總線電壓優(yōu)化，集成了完備的速度與位置檢測接口，支持絕對編碼器、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。保護機制全面，具備過流、過壓和過溫保護，并特別集成了STO安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷功能和外部再生制動電阻管理電路，保障系統(tǒng)安全可靠運行。

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

3. 帶EtherCAT接口的雙軸低壓伺服驅(qū)動解決方案

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

其核心創(chuàng)新在于實現(xiàn)了單顆STSPIN32G4系統(tǒng)級芯片驅(qū)動兩臺三相永磁同步電機。通過搭配STDRIVE101柵極驅(qū)動器擴展驅(qū)動能力，并采用共享電流采樣網(wǎng)絡(luò)與針對不平衡負載優(yōu)化的PCB布局，該解決方案在提升集成度的同時確保了雙路控制的獨立精度與穩(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完整的工業(yè)電機控制固件棧，集成了電機控制軟件開發(fā)套件、CiA 402驅(qū)動行規(guī)協(xié)議棧以及EtherCAT協(xié)議棧。此外，它還包含兩項關(guān)鍵算法創(chuàng)新：一是改進的編碼器校準(zhǔn)技術(shù)，可在無需索引信號或霍爾傳感器的條件下，通過微抖動方式實現(xiàn)高精度的磁極位置辨識;二是改進的實時調(diào)度器，確保了多任務(wù)時序的精確同步，從而保障了雙電機控制的實時性與性能。

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

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)接口實現(xiàn)對兩臺伺服電機的同步控制。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，使得雙電機驅(qū)動系統(tǒng)僅需一個EtherCAT端口即可接入上層運動控制網(wǎng)絡(luò)。

這種架構(gòu)顯著簡化了多電機系統(tǒng)的布線復(fù)雜度。傳統(tǒng)方案中每個電機驅(qū)動器需獨立接入網(wǎng)絡(luò)，而該方案將兩臺電機的通信鏈路整合，大幅減少了連接器數(shù)量與線纜長度，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)為雙電機提供了統(tǒng)一的時間同步機制，確保了兩臺電機在嚴(yán)格的同一時間基準(zhǔn)下實現(xiàn)協(xié)同運動。

在硬件實現(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)動陣列、雙路高精度電流檢測模塊及完善的剎車與保護電路。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底盤、人形機器人關(guān)節(jié)及AGV等對空間布局和運動同步性要求極高的場景，實現(xiàn)了在有限空間內(nèi)的高性能多軸集成驅(qū)動。

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)，實現(xiàn)了基于EtherCAT/CANopen現(xiàn)場總線的高性能雙電機控制。并且集成了完整的工業(yè)電機控制固件棧(MCSDK+CiA 402+每個節(jié)點搭載EtherCAT)，具備改進的任務(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)和部署高性能電機控制系統(tǒng)。

ST伺服驅(qū)動解決方案，提升開發(fā)效率的“加速器”

ST伺服驅(qū)動解決方案提供了一套功能完整且經(jīng)過工業(yè)驗證的技術(shù)平臺，其核心價值在于將標(biāo)準(zhǔn)化接口、可復(fù)用軟件IP與全面的性能驗證數(shù)據(jù)深度融合。ST伺服驅(qū)動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)化的實時任務(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的編碼器對齊算法，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)計提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，幫助工程師快速完成方案評估與產(chǎn)品驗證。

結(jié)語

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)動與機器人電機控制解決方案。其高度模塊化設(shè)計、安全功能完善、性能優(yōu)異的產(chǎn)品組合，為工業(yè)自動化、機器人、家電及服務(wù)機器人等領(lǐng)域提供了強有力的技術(shù)支持和保障，助力客戶實現(xiàn)智能制造與高效節(jié)能的目標(biāo)。

上篇主要介紹工業(yè)級高壓伺服驅(qū)動方案：詳解20kW高性能、1-3kW通用雙板設(shè)計及SiC/GaN專用平臺。

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