4、单电阻采样方案：原理、采样窗口、重构算法、死区时间影响。
好，咱们今天聊聊单电阻采样。说实话，这个方案在低成本电机驱动里用得特别多。你想想看，一个电阻、一个运放，就能把三相电流都采回来，成本优势太明显了。但代价是什么？是算法复杂度上去了，采样窗口得精打细算，重构算法也得写得漂亮。
我个人习惯把单电阻采样叫做“抠门但聪明”的方案。为什么这么说？因为它用最少的硬件，干最复杂的活。我在项目里遇到过好几次，明明硬件设计没问题，但电机一跑起来电流波形就是不对。后来查来查去，发现是采样时刻没选对，重构出来的电流全是噪声。嗯，这里面的门道，咱们今天一条一条捋清楚。
4.1 单电阻采样的基本原理
说白了，单电阻采样就是在直流母线上串一个采样电阻。你想想看，任何时候，三相电流加起来等于零（星形连接）。所以只要知道两相电流，第三相就能算出来。但问题来了——母线电流不是一直等于某一相电流的。
母线电流和相电流的关系，取决于当前开关管的导通状态。比如：
- 当上管A、下管B、下管C导通时，母线电流 = Ia
- 当上管A、上管B、下管C导通时，母线电流 = -(Ia + Ib) = Ic
- 其他组合以此类推
所以，单电阻采样的核心思路就是：在PWM周期的特定时刻，采集母线电流，然后根据当前开关状态，反推出某一相电流。再结合基尔霍夫电流定律，把三相电流全算出来。
关键点：单电阻采样只能在一个PWM周期内采集到一个电流样本。要得到两相电流，需要两个不同的采样时刻。这就是为什么需要“两次采样”或者“移相采样”。
4.2 采样窗口：你只有那么点时间
采样窗口，是单电阻方案里最容易翻车的地方。我刚开始做的时候，觉得不就是采个电流嘛，随便找个时间点采一下不就行了？结果发现，采样窗口太窄，ADC还没稳定，PWM状态就变了。
采样窗口受限于两个因素：
- 最小有效时间（Tmin）：开关管导通后，电流需要时间建立稳定。这个时间包括：死区时间、开关管导通延迟、电流建立时间。一般需要1-2μs。
- ADC采样时间（Tsample）：ADC本身需要采样保持时间。比如12位ADC，采样时间通常需要0.5-1μs。
所以，一个可靠的采样窗口，至少需要：Tmin + Tsample ≈ 2-3μs。
你想想看，如果PWM周期是50μs（20kHz），那2-3μs的窗口还算宽裕。但如果PWM频率跑到40kHz，周期只有25μs，那采样窗口就变得非常紧张了。
我曾经踩过的坑：有一次做高速电机项目，PWM频率设到了60kHz。单电阻采样窗口只有不到1.5μs。结果ADC采样值全是乱的，电流重构出来像锯齿波。后来没办法，只能降低PWM频率，或者改用双电阻方案。所以，单电阻采样不适合超高频PWM场景。
4.3 重构算法：从母线电流到三相电流
重构算法，说白了就是“猜”电流。你只采到了一个值，但你需要三个值。怎么猜？靠的是PWM状态和时序。
常见的重构算法有两种：
4.3.1 两次采样法（最常用）
在一个PWM周期内，安排两次采样：
- 第一次采样：在PWM周期的中间时刻，此时母线电流等于某一相电流（比如Ia）
- 第二次采样：在PWM周期的另一个时刻，此时母线电流等于另一相电流（比如Ib）
然后：Ic = -(Ia + Ib)。搞定。
但这里有个前提：两次采样时刻，对应的开关状态必须不同。如果两次采样时开关状态一样，那采到的就是同一相电流，没用。
4.3.2 移相PWM法
当PWM占空比很接近0%或100%时，两次采样法会失效。因为采样窗口太窄了。这时候可以用移相PWM法：
- 把三相PWM的载波相位错开
- 这样，即使某一相的占空比接近极限，其他相的开关状态还能提供采样窗口
- 代价是：增加了PWM的开关损耗，而且算法更复杂
我个人的建议：如果占空比在10%-90%范围内，用两次采样法就够了。如果经常工作在极限占空比（比如弱磁区），那就得考虑移相PWM法。我在一个风机项目里用过移相法，效果不错，但代码量翻了一倍。
4.4 死区时间影响：看不见的误差源
死区时间，是单电阻采样里最容易忽略的问题。你想想看，死区时间内，所有开关管都是关断的。这时候母线电流是多少？是零吗？不是！
实际上，死区时间内，电流通过续流二极管流动。母线电流不反映任何一相电流，而是反映续流路径上的电流。如果你在死区时间内采样，那采到的值就是错的。
死区时间对单电阻采样的影响，主要体现在：
| 影响方面 | 具体表现 | 严重程度 |
|---|---|---|
| 采样窗口缩小 | 死区时间占用了PWM周期，实际可用采样窗口变窄 | 中等 |
| 电流重构误差 | 死区时间内采到的电流值，不能用于重构 | 严重 |
| 零电流钳位 | 在电流过零附近，死区效应导致电流波形失真 | 中等 |
怎么解决？我一般用两个办法：
- 采样时刻避开死区：把采样点安排在死区结束之后，确保开关管已经稳定导通。这个最简单，也最有效。
- 死区补偿：在软件里对死区造成的电压误差进行补偿。这个比较复杂，但能从根本上改善电流波形质量。
避坑指南：我曾经在一个项目里，死区时间设了2μs，PWM频率20kHz。结果采样窗口被压缩到只剩1μs。ADC根本来不及稳定。后来我把死区时间降到1μs，采样窗口就宽裕多了。所以，死区时间不是越大越好，够用就行。
4.5 单电阻采样的局限性
说了这么多优点，也得说说缺点。单电阻采样不是万能的：
- 低速性能差：电机转速很低时，反电动势小，电流纹波大。单电阻采样很难准确捕捉到瞬时电流。
- 对PWM频率敏感：PWM频率越高，采样窗口越窄，重构误差越大。
- 算法复杂度高：相比双电阻或三电阻，单电阻的软件工作量至少多30%。
所以，选方案的时候要权衡。如果成本敏感、PWM频率不高、对电流精度要求一般，单电阻是首选。但如果要做高性能伺服，我建议还是上双电阻或三电阻，省心很多。
好了，单电阻采样这部分就聊到这儿。下一节咱们讲双电阻采样方案，那个就简单多了，但成本也上去了。到时候再细聊。