小眾卻真香，電機(jī)矢量控制電流采樣方案的抉擇

前面的話

最近做的電機(jī)控制項(xiàng)目，之前糾結(jié)電流采樣的方案，在這里簡單總結(jié)了一下；

目錄

• 1 電流采樣的作用

• 2 硬件架構(gòu)

• 3 采樣關(guān)鍵

• 4 采樣方案

• 5 三電阻采樣

• 5.1 三電阻采樣點(diǎn)

• 5.2 雙電阻采樣

• 5.3 雙電阻采樣點(diǎn)

• 5.4 單電阻采樣

• 6 總結(jié)

• 7 附錄

1 電流采樣的作用

在FOC算法中，電流采樣在反饋環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的一部分，無論是有感FOC，還是無感FOC，相電流是交流三相同步電機(jī)在進(jìn)行坐標(biāo)變換的關(guān)鍵，最終通過SVPWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的同步轉(zhuǎn)動，通常這里有三種方案，單電阻采樣，雙電阻采樣，三電阻采樣，關(guān)系到整體系統(tǒng)的成本，算法的復(fù)雜程度和最終運(yùn)行的效果，這里需要更加項(xiàng)目的具體需求進(jìn)行選擇。
本文參考ST的單電阻和三電阻采樣以及TI的雙電阻采樣，還有microchip的資料，結(jié)合實(shí)際中可能需要注意的地方進(jìn)行總結(jié)分析。

幾種電流采樣方案的對比；

2 硬件架構(gòu)

硬件上的設(shè)計(jì)通常是采集三相電流，通過運(yùn)算放大器加偏置電壓，這樣可以就可以采集正負(fù)電流，最終在MCU中處理的時(shí)候減去偏置電壓就行，以Infineon XC167CI SK Board單電阻的方案為例子，具體電路拓?fù)鋱D如下；下面是TI C2000 的方案

AP1608410 原文鏈接運(yùn)算放大器

3 采樣關(guān)鍵

采樣的關(guān)鍵是需要在三相逆變器高端關(guān)閉，低端打開的情況下進(jìn)行采樣，這是整體的采樣點(diǎn)。因此，采樣會存在窗口時(shí)間，因?yàn)?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">ADC轉(zhuǎn)換完成需要一定數(shù)量級的時(shí)間，也就是說，在ADC轉(zhuǎn)換完成之前，橋低端是不能關(guān)閉的，在這里，雙電阻和單電阻采樣需要考慮窗口時(shí)間的限制，而三電阻采樣則不存在窗口時(shí)間（PWM占空比接近100%），可以根據(jù)SVPWM當(dāng)前所在象限，進(jìn)行分類，只需要采集其中不受窗口時(shí)間限制的兩相電流，然后根據(jù) ，進(jìn)行電流的重構(gòu)。

4 采樣方案

電流采樣比較關(guān)鍵的地方主要是硬件的設(shè)計(jì)和采樣點(diǎn)的設(shè)置，這里在后面會涉及到通過相應(yīng)的觸發(fā)信號去通知ADC進(jìn)行電流采樣，最后進(jìn)行電流重構(gòu)。

5 三電阻采樣

TI的三電阻采樣

5.1 三電阻采樣點(diǎn)

正如前面所提到的三電阻采樣可以避免窗口時(shí)間，如下圖所示；在不同扇區(qū)需要采樣的相電流，可以看到，共同點(diǎn)是避免去采樣PWM占空比接近100%的那一相電流?？梢詤⒖家幌耂T的電機(jī)庫的做法，通過TIMER_CH4作為ADC采樣的觸發(fā)信號，而采樣則可以通過修改TIM_CCR4寄存器去改變采樣點(diǎn)，相當(dāng)靈活的做法；

5.2 雙電阻采樣

雙電阻采樣無法避免窗口時(shí)間，所以需要限制最終PWM的占空比，為ADC轉(zhuǎn)換預(yù)留足夠的時(shí)間；

5.3 雙電阻采樣點(diǎn)

5.4 單電阻采樣

單電阻采樣需要在一個PWM周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，下面需要在SVPWM六個扇區(qū)進(jìn)行相電流的分類，這里可以對SVPWM的原理進(jìn)行分析，從而了解如何對電流進(jìn)行重構(gòu)；單電阻的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示；為了便于理解整個采樣的過程，為了表示逆變器的開關(guān)管的狀態(tài)， Sa表示A相的上下管，同理Sb表示B相的上下管；

這里規(guī)定：Sa = 1表示上管導(dǎo)通，下管斷開；Sa = 0表示下管導(dǎo)通，上管斷開；

Sb和Sc以此類推；

5.4.1 Sa Sb Sc：100

5.4.2 Sa Sb Sc：110

5.4.3 SVPWM的開關(guān)狀態(tài)

因此，單電阻采樣，需要在一個PWM周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣；具體如下圖所示；圖中的SAL，SBL，SCL分別對應(yīng)整流橋的下管，因此在一個周期內(nèi)分別進(jìn)行了Sample 1和Sample 2這兩次采樣，對照上表可以推出；

• Sample 1：采集了開關(guān)管狀態(tài)為 SAL SBL SCL：101==> SAH SBH SCH：010，此時(shí)采樣電流為 ；
• Sample 2：采集了開關(guān)管狀態(tài)為 SAL SBL SCL：100==> SAH SBH SCH：011，此時(shí)采樣電流為 ；

原理搞清楚之后，下面要注意的地方還有兩點(diǎn)采樣點(diǎn)的確認(rèn)和窗口時(shí)間的限制；

5.4.4 ST方案

6 總結(jié)

本文介紹和對比了三種電流采樣方案，簡單給出了需要注意的地方，由于本人能力有限，文中難免出現(xiàn)錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。

7 附錄

microchip 資料匯總TI 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design