FOC 电流采样方案对比（单电阻/双电阻/三电阻）

文章目录

• 1 电流采样的作用
• 2 硬件架构
• 3 采样关键
• 4 采样方案
• 5 三电阻采样
• 5.1 三电阻采样点
• 5.2 双电阻采样
• 5.3 双电阻采样点
• 5.4 单电阻采样
• 5.4.1 Sa Sb Sc：100
• 5.4.2 Sa Sb Sc：110
• 5.4.3 SVPWM的开关状态
• 5.4.4 ST方案
• 6 总结
• 7 附录

1 电流采样的作用

在FOC算法中，电流采样在反馈环节是相当重要的一部分，无论是有感FOC，还是无感FOC，相电流是交流三相同步电机在进行坐标变换的关键，最终通过SVPWM实现电机转子磁场和定子磁场的同步转动，通常这里有三种方案，单电阻采样，双电阻采样，三电阻采样，关系到整体系统的成本，算法的复杂程度和最终运行的效果，这里需要更加项目的具体需求进行选择。本文参考ST的单电阻和三电阻采样以及TI的双电阻采样，还有microchip的资料，结合实际中可能需要注意的地方进行总结分析。

几种电流采样方案的对比；

电流采样	成本	算法
单电阻	低	复杂
双电阻	适中	适中
三电阻	高	简单

2 硬件架构

硬件上的设计通常是采集三相电流，通过运算放大器加偏置电压，这样可以就可以采集正负电流，最终在MCU中处理的时候减去偏置电压就行，以Infineon XC167CI SK Board单电阻的方案为例子，具体电路拓扑图如下；

下面是TI C2000 的方案

AP1608410 原文链接
运算放大器

3 采样关键

采样的关键是需要在三相逆变器高端关闭，低端打开的情况下进行采样，这是整体的采样点。因此，采样会存在窗口时间，因为ADC转换完成需要一定数量级的时间，也就是说，在ADC转换完成之前，桥低端是不能关闭的，在这里，双电阻和单电阻采样需要考虑窗口时间的限制，而三电阻采样则不存在窗口时间（PWM占空比接近100%），可以根据SVPWM当前所在象限，进行分类，只需要采集其中不受窗口时间限制的两相电流，然后根据 Ia+Ib+Ic=0 I_{a}+I_{b}+I_{c} = 0" role="presentation" style="position: relative;">Ia+Ib+Ic=0 I_{a}+I_{b}+I_{c} = 0Ia​+Ib​+Ic​=0，进行电流的重构。

4 采样方案

电流采样比较关键的地方主要是硬件的设计和采样点的设置，这里在后面会涉及到通过相应的触发信号去通知ADC进行电流采样，最后进行电流重构。

5 三电阻采样

TI的三电阻采样

5.1 三电阻采样点

正如前面所提到的三电阻采样可以避免窗口时间，如下图所示；在不同扇区需要采样的相电流，可以看到，共同点是避免去采样PWM占空比接近100%的那一相电流。

可以参考一下ST的电机库的做法，通过TIMER_CH4作为ADC采样的触发信号，而采样则可以通过修改TIM_CCR4寄存器去改变采样点，相当灵活的做法；

5.2 双电阻采样

双电阻采样无法避免窗口时间，所以需要限制最终PWM的占空比，为ADC转换预留足够的时间；

5.3 双电阻采样点

5.4 单电阻采样

单电阻采样需要在一个PWM周期内进行两次采样，下面需要在SVPWM六个扇区进行相电流的分类，这里可以对SVPWM的原理进行分析，从而了解如何对电流进行重构；单电阻的电路结构如下图所示；

为了便于理解整个采样的过程，为了表示逆变器的开关管的状态，
Sa表示A相的上下管，同理Sb表示B相的上下管；
这里规定：
Sa = 1表示上管导通，下管断开；
Sa = 0表示下管导通，上管断开；

Sb和Sc以此类推；

5.4.1 Sa Sb Sc：100

5.4.2 Sa Sb Sc：110

5.4.3 SVPWM的开关状态

开关状态	AH	BH	CH	电流
0	0	0	0	0
1	1	0	0	IA I_{A}" role="presentation" style="position: relative;">IA I_{A}IA​
2	1	1	0	−IC -I_{C}" role="presentation" style="position: relative;">−IC -I_{C}−IC​
3	0	1	0	IB I_{B}" role="presentation" style="position: relative;">IB I_{B}IB​
4	0	1	1	−IA -I_{A}" role="presentation" style="position: relative;">−IA -I_{A}−IA​
5	0	0	1	IC I_{C}" role="presentation" style="position: relative;">IC I_{C}IC​
6	1	0	1	−IB -I_{B}" role="presentation" style="position: relative;">−IB -I_{B}−IB​
7	1	1	1	0

因此，单电阻采样，需要在一个PWM周期内进行两次采样；具体如下图所示；

图中的SAL，SBL，SCL分别对应整流桥的下管，因此在一个周期内分别进行了Sample 1和Sample 2这两次采样，对照上表可以推出；

• Sample 1：采集了开关管状态为SAL SBL SCL：101==>SAH SBH SCH：010，此时采样电流为 IB I_{B}" role="presentation" style="position: relative;">IB I_{B}IB​；
• Sample 2：采集了开关管状态为SAL SBL SCL：100==>SAH SBH SCH：011，此时采样电流为 −IA -I_{A}" role="presentation" style="position: relative;">−IA -I_{A}−IA​；

原理搞清楚之后，下面要注意的地方还有两点采样点的确认和窗口时间的限制；

5.4.4 ST方案

6 总结

本文介绍和对比了三种电流采样方案，简单给出了需要注意的地方，由于本人能力有限，文中难免出现错误和纰漏，请大佬不吝赐教。

7 附录

microchip 资料汇总
TI 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design