第四章 电流采样与重构：从物理量到控制信号的桥梁

电流采样，说白了就是FOC控制的眼睛。眼睛不好使，后面算法再牛也白搭。我刚开始做电机驱动时，就吃过采样不准的亏——电机嗡嗡响，转速还抖得厉害。后来才发现，是采样时序没调好。

这一章，我们就把电流采样这件事彻底讲透。从硬件原理到软件实现，再到Simulink建模，一条龙搞定。

4.1 相电流采样方法概述

FOC控制需要知道两相电流（通常是A相和B相），第三相可以通过基尔霍夫定律算出来。采样方法主要有三种：单电阻、双电阻、三电阻。

你可能会问：为什么不用三电阻？简单啊。但成本、体积、功耗，这些工程现实问题会让你不得不选更少的电阻。

采样方式	电阻数量	成本	采样精度	适用场景
单电阻	1个	最低	中等（需重构）	低成本、小体积
双电阻	2个	中等	较高	主流方案
三电阻	3个	最高	最高	高精度、大功率

4.2 单电阻采样原理与电流重构

单电阻采样，只在直流母线上放一个采样电阻。听起来很省，但有个大问题：你只能测到母线电流，不是相电流。

那怎么得到相电流？靠重构。

基本原理是这样的：在PWM周期的不同时刻，母线电流反映的是不同相的电流。比如，当A相上管导通、B相下管导通时，母线电流就是A相电流。通过在不同时刻采样，就能拼出三相电流。

我在项目中遇到过一个问题：当调制比很低时，非零电压矢量的持续时间太短，根本来不及采样。这时候电流重构就会失败，电机直接抖起来。

4.3 双电阻采样原理

双电阻采样，在下桥臂的A相和B相各放一个电阻。这是目前最主流的方案。

为什么主流？因为简单可靠。你只需要在PWM周期的中点，同时采样两相电流就行。不需要重构，不需要复杂的时序计算。

采样时机：当所有下管都导通时（零矢量000），电流从下管流过采样电阻。这时候采样，得到的就是真实的相电流。

4.4 三电阻采样原理

三电阻采样，每相下桥臂各放一个电阻。精度最高，但成本也最高。

它的好处是：任何时候都能采样，不受PWM状态限制。而且可以检测三相电流的平衡性，对故障诊断很有帮助。

不过说实话，对于大多数应用，双电阻已经足够了。三电阻更多用在伺服驱动器、大功率变频器这些对精度要求极高的场合。

4.5 电流重构算法详解

单电阻采样的核心，就是电流重构算法。我把它拆成三步：

1. 确定采样时刻：根据当前PWM占空比，找到两个非零电压矢量的作用区间
2. 采集母线电流：在两个时刻分别采样，得到I1和I2
3. 重构相电流：根据电压矢量与相电流的对应关系，反推出Ia、Ib、Ic

举个例子，假设当前是扇区I，电压矢量是V1(100)和V2(110)：

• 在V1作用期间采样，母线电流 = Ia
• 在V2作用期间采样，母线电流 = -Ic
• 然后通过Ia + Ib + Ic = 0，算出Ib

嗯，这里要注意：采样顺序不能搞反。我刚开始就犯过这个错，把V1和V2的采样值搞混了，结果重构出来的电流相位全反了。

4.6 采样时序设计

采样时序设计，是电流采样中最容易出问题的地方。我总结了一个口诀：避开死区，对齐中点，留足窗口。

具体来说：

• 避开死区：死区时间内上下管都关断，电流路径不确定。采样必须避开死区
• 对齐中点：双电阻采样时，在PWM周期中点采样最稳定
• 留足窗口：ADC采样需要时间（通常几百ns到几us），要确保采样窗口足够

你想想看，如果采样窗口只有0.5us，而ADC需要1us才能完成采样，那采到的数据肯定是错的。所以设计时序时，一定要算好时间余量。

4.7 Simulink建模实现

在Simulink中建模电流采样，我一般分三步走：

1. PWM生成模块：产生三相PWM波形，包含死区时间
2. 采样触发模块：根据PWM状态，生成ADC触发信号
3. 电流重构模块：实现单电阻或双电阻的电流重构算法

下面是一个双电阻采样的Simulink模型核心代码：

function [Ia, Ib, Ic] = CurrentSampling(PWM_A, PWM_B, PWM_C, ADC_Val_A, ADC_Val_B)
    % 双电阻采样：在PWM周期中点采样
    % 输入：PWM信号，ADC采样值
    % 输出：三相电流
    
    % 判断是否在采样窗口内
    if (PWM_A == 0 && PWM_B == 0 && PWM_C == 0)
        % 所有下管导通，采样有效
        Ia = ADC_Val_A * CurrentScale;
        Ib = ADC_Val_B * CurrentScale;
        Ic = -(Ia + Ib);  % 基尔霍夫定律
    else
        % 不在采样窗口，保持上次值
        Ia = Ia_prev;
        Ib = Ib_prev;
        Ic = Ic_prev;
    end
    
    % 更新保持值
    Ia_prev = Ia;
    Ib_prev = Ib;
    Ic_prev = Ic;
end

4.8 知识体系总览

为了让你对整个电流采样体系有个全局认识，我画了一张图：

这张图把整个知识体系串起来了。从顶层的采样方法选择，到中间的核心技术，再到底层的实现工具，每一步都环环相扣。

最后说一句：电流采样看起来简单，但真正做好不容易。我建议你在实际项目中，先用双电阻方案起步，等把时序和重构都吃透了，再考虑单电阻降成本或者三电阻提精度。