4、电流采样与重构：单电阻/双电阻/三电阻采样原理、电流重构算法、采样噪声滤波
好，咱们进入FOC控制里最“接地气”的一环——电流采样。
说实话，我在刚入行那会儿，觉得SVPWM和坐标变换才是核心技术，电流采样嘛，不就是用ADC读个电压吗？后来被现实狠狠教育了一顿。你算法写得再漂亮，电流采不准，整个FOC就是空中楼阁。电机转起来嗡嗡响、力矩抖得像筛子，十有八九是采样环节出了问题。
今天咱们就把电流采样这事儿彻底聊透。从硬件拓扑到软件重构，再到滤波处理，一条线串下来。
4.1 三种采样电阻拓扑：选型与原理
先看硬件。电流采样最常用的方式，是在逆变器的电流回路上串联精密电阻，测电阻两端的压降，再用ADC读回来。根据电阻数量和位置的不同，分三种方案。
4.1.1 三电阻采样
这是最“老实”的方案。在逆变器下桥臂的三个发射极，各接一个采样电阻到地。每个电阻负责一相电流。
- 优点：三相电流独立测量，没有重构延迟，精度最高。
- 缺点：三个电阻、三个运放、三个ADC通道，成本高、PCB面积大。
- 适用场景：伺服驱动器、高端机器人关节，对电流纹波和动态响应要求极高的场合。
我在做一款20kW的伺服驱动器时，用的就是三电阻方案。当时电机在低速重载下要求力矩波动小于1%，双电阻重构出来的电流波形实在达不到要求，只能上三电阻。嗯，成本翻了一倍，但效果确实立竿见影。
4.1.2 双电阻采样
这是工业界最主流的方案。只在V相和W相下桥臂放采样电阻，U相电流通过基尔霍夫电流定律算出来：Iu = -(Iv + Iw)。
- 优点：比三电阻少一个通道，成本适中。
- 缺点：在SVPWM某些扇区，有一相电流无法直接采样，需要重构。
- 适用场景：大部分通用变频器、电动工具、家电驱动。
说白了，双电阻是性价比之王。我个人的习惯是，只要成本允许，优先选双电阻。重构算法虽然麻烦点，但做熟了也就那么回事。
4.1.3 单电阻采样
这个就有点“极限运动”的味道了。只在直流母线上放一个采样电阻，通过在不同PWM开关状态下采样，反推出三相电流。
- 优点：成本最低，一个电阻、一个运放搞定。
- 缺点：重构算法极其复杂，在低调制比区域（比如电机刚启动时）几乎无法准确采样。
- 适用场景：成本极度敏感的消费类产品，比如小风扇、低端水泵。
我曾经在一个吸尘器项目里被迫用单电阻方案，BOM成本压到极致。结果调试重构算法调了整整两周，最后还是加了个小技巧——在低调制区主动注入一个“测量脉冲”才搞定。你想想看，为了省几毛钱，多花了多少开发时间？
4.2 电流重构算法：从硬件到软件的桥梁
好，硬件选型定了，接下来就是软件怎么把ADC读到的电压值变成真正的电流值。
这里有个核心概念：采样时刻。你必须在PWM周期的特定时刻去采样，才能采到正确的电流。
4.2.1 双电阻重构原理
双电阻采样，为什么需要重构？
因为SVPWM的每个扇区里，总有一相下桥臂的导通时间非常短（甚至为零）。如果那个时刻去采样，电流还没建立起来，读到的值就是错的。
举个例子，在扇区I（0°~60°），U相上桥臂一直导通，下桥臂一直关断。这时候U相下桥臂的采样电阻上根本没有电流流过。你采U相干嘛？
所以双电阻重构的思路是：
- 在每个PWM周期内，只采样V相和W相下桥臂的电流。
- 利用
Iu = -(Iv + Iw)算出U相电流。 - 但要注意，V相和W相也不是随时都能采。必须等到两相下桥臂都导通的时候，才能同时采样。
这个“同时导通”的时间窗口，就是SVPWM里两个非零矢量的作用时间。说白了，你需要在PWM周期的中间点（通常是计数器归零或达到峰值时）触发ADC。
// 伪代码：双电阻采样触发逻辑
// 假设PWM中心对齐模式
if (PWM_CNT == 0) // 周期起始点
{
// 此时所有下桥臂导通，采样V相和W相
ADC_StartConversion(CH_V, CH_W);
}
4.2.2 单电阻重构的“三态采样”
单电阻就更有意思了。你只有一个电阻在直流母线上，母线电流在不同开关状态下，对应的是不同相的电流。
- 当U上、V下、W下导通时，母线电流 = Iu
- 当U下、V上、W下导通时，母线电流 = Iv
- 当U下、V下、W上导通时，母线电流 = Iw
所以，你需要在同一个PWM周期内，至少采样两次（甚至三次）母线电流，每次对应不同的开关状态，然后拼出三相电流。
这里有个大坑：采样窗口太短。当调制比很低时，某些开关状态的持续时间可能只有几百纳秒，ADC根本来不及建立。我当年就掉进过这个坑，电机一转起来电流波形就跟鬼画符一样。
解决办法？要么加硬件——用更快的ADC和运放；要么改软件——在低调制区主动插入一个“测量矢量”，人为拉长采样窗口。当然，这会增加谐波，属于“两害相权取其轻”。
4.3 采样噪声滤波：别让ADC毁了你的FOC
电流采回来了，但ADC读到的值里全是噪声。开关管的开关噪声、电机反电动势的耦合、地弹……随便哪个都能让你的电流波形抖成心电图。
我见过很多新手，一上来就上卡尔曼滤波，觉得高大上。其实没必要。对于电流采样，简单粗暴的方法往往最有效。
4.3.1 硬件滤波
在ADC输入端加RC低通滤波器。截止频率一般设在开关频率的1/10左右。
比如你的PWM开关频率是10kHz，那RC滤波器的截止频率设在1kHz左右。R取1kΩ，C取0.1μF，算下来截止频率约1.6kHz，够用。
4.3.2 软件滤波
软件上，我推荐用滑动平均滤波或一阶低通滤波。
滑动平均滤波：取最近N次采样值的平均值。N一般取4~16。优点是平滑效果好，缺点是会引入N个采样周期的延迟。
// 滑动平均滤波示例
#define FILTER_LEN 8
static int16_t buffer[FILTER_LEN];
static uint8_t index = 0;
static int32_t sum = 0;
int16_t moving_average(int16_t new_sample)
{
sum -= buffer[index];
sum += new_sample;
buffer[index] = new_sample;
index = (index + 1) % FILTER_LEN;
return (int16_t)(sum / FILTER_LEN);
}
一阶低通滤波：y[n] = α * x[n] + (1-α) * y[n-1]。α越小，滤波越强，延迟越大。我一般取α=0.1~0.3。
4.3.3 采样时序与PWM同步
最后说一个容易被忽略的点：采样时刻必须与PWM同步。
你想想看，PWM开关瞬间，母线上会有巨大的电流尖峰。如果你恰好在那个时刻采样，读到的值肯定是错的。所以ADC触发必须避开开关沿。
我一般把采样点设在PWM周期的正中间（中心对齐模式），或者紧挨着开关沿之后（等振铃衰减完）。具体延迟多少，要看你的硬件设计。我习惯在示波器上抓一下开关波形，看看振铃持续多久，然后设置一个死区时间。
| 采样方案 | 推荐采样时刻 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 三电阻 | PWM周期中点 | 各相独立，无需重构 |
| 双电阻 | PWM周期中点 | 需避开最小脉宽区域 |
| 单电阻 | 多个开关状态切换点 | 需保证采样窗口足够宽 |
好了，电流采样这块儿就聊到这儿。总结一句话：采样是FOC的“眼睛”，眼睛花了，算法再强也白搭。下一章咱们聊聊电流环的PI参数整定，那又是一个“调参调到头秃”的环节。