无刷直流电机单电阻采样分析

一路上

前言

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。

单电阻采样方案

在DC-AC变流器的地线上串联分流电阻，电阻电压信号用运算放大器放大之后输入到MCU的AD引脚，实现电流信号采样。原理如图1中所示：

图1 单电阻电流检测电路

该方案通过单个电阻实现三相电流采样，因此在采样时间上有特定要求，需要在一个PWM周期内连续采样两次，然后通过计算才能得到三相电流。

以三相调制为例（还有两相调制，原理稍有区别），根据相位θ将UVW三相驱动波形分为6个区段，如图2中所示。

图2 三相驱动波形和区段的关系

以区段1为例，三相电流的采样和计算方法如图3中所示。区段1中，一个PWM周期内三角载波与调制波比较结果（即PWM输出信号）共有4种组合：

（UVW）：（000），（100），（110），（111）

其中0表示上桥臂关断，下桥臂导通；1表示上桥臂导通，下桥臂关断。

图3 区段1采样时间示意

当输出PWM为（110）时（A采样点），系统电流如图4中所示，此时分流电阻的电流为-IW；当输出PWM为（100）时（B采样点），系统电流如图5中所示，此时分流电阻的电流为IU。根据IU+IV+IW=0，可以求得IV的值。

图4 A采样点电流示意

图5 B采样点电流示意

按照区段1的原理，各区段的测量电流为：

区段1	100	IU=Ir	IV=-IU-IW
	110	IW=-Ir
区段2	110	IW=-Ir	IU=-IV-IW
	010	IV=Ir
区段3	010	IV=Ir	IW=-IU-IV
	011	IU=-Ir
区段4	011	IU=-Ir	IV=-IU-IW
	001	IW=Ir
区段5	001	IW=Ir	IU=-IV-IW
	101	IV=-Ir
区段6	101	IV=-Ir	IW=-IU-IV
	100	IU=Ir

实际在MCU中实现单电阻采样算法时，大体遵循以上思路。其中的难点在于每次AD采样的执行需要持续一定的时间，按照图3所示的采样原理，若UVW三相或某其中两相的PWM占空比大小比较接近，则无法有足够的时间窗口采集到正确的数值。

因此在实际应用中，需要考虑到AD采样时长与PWM输出连续变化二者之间的矛盾。针对这个问题，也产生了不止一种解决思路，在开发过程中采用了stm32-HAL库给出的解决思路，该方案的代码量较大，涉及了较复杂的中断操作，主要是ADC中断和定时器中断时间的配合，以及采样时间点和采样结果的计算和补偿。

知识点

FOC方式控制的PMSM，主要有三种相电流采集方式，其名称及特点分别为：①三电阻法：最基本的、可靠方式；②单电阻法：一种低成本方式；③电流传感器法：比较高成本的方式。