第三节 电流采样与调理电路

电流采样，是FOC控制中最关键的一环。你想想看，整个矢量控制算法，说白了就是靠电流反馈来闭环的。采样不准，后面算得再漂亮也是白搭。我刚开始做FOC驱动时，就吃过这个亏——电流波形看着挺好，电机一转起来就嗡嗡响，查了三天才发现是采样电阻的布局出了问题。

这一节，我们重点聊三个问题：用什么方案采样、运放怎么选怎么配、ADC怎么触发才能采到准确值。

一、相电流采样方案：单电阻、双电阻、三电阻

目前主流的方案就这三种。我按自己的经验，一个一个说清楚。

1. 单电阻采样

单电阻采样，就是在直流母线上串一个采样电阻。通过检测母线电流，再结合当前PWM开关状态，重构出三相电流。

优点：

  • 成本最低，只需要一个采样电阻和一个运放
  • PCB布局简单，占用面积小

缺点：

  • 电流重构算法复杂，低速和高速区都有盲区
  • 对PWM占空比有限制，不能太窄也不能太宽
  • 噪声较大，精度一般
我的经验：单电阻方案适合成本敏感、对性能要求不高的场合，比如风扇、水泵。我曾在某款吸尘器项目上用过，量产了十几万台，基本稳定。但如果你要做伺服驱动器，建议直接跳过。

2. 双电阻采样

双电阻采样，是在两相下桥臂各串一个采样电阻。比如A相和B相，C相通过计算得到（因为三相电流之和为零）。

优点：

  • 成本适中，比单电阻多一个运放通道
  • 电流重构简单，没有盲区问题
  • 精度比单电阻好很多

缺点：

  • 需要两路ADC同步采样
  • 对PWM对称性有一定要求

关键点：双电阻采样时，两相电流必须在同一时刻采样。我见过有人用MCU的ADC轮流采样，结果相位差了几微秒，电流波形就出现了畸变。记住，一定要用ADC的同步触发功能。

3. 三电阻采样

三电阻采样，就是三相下桥臂各放一个采样电阻。每相电流直接测量，互不干扰。

优点：

  • 精度最高，每相独立测量
  • 算法最简单，直接读ADC值就行
  • 没有PWM占空比限制

缺点：

  • 成本最高，需要三个运放通道
  • PCB面积大，布局要求高
  • 功耗略大（三个电阻的损耗）
注意：三电阻方案虽然精度高，但采样电阻的功率选型不能马虎。我曾经在一个48V/10A的项目上，用了1206封装的采样电阻，结果跑满载时电阻发热严重，导致阻值漂移，电流反馈越来越不准。后来换成2512封装才解决。

三种方案怎么选？我一般这样判断：

应用场景 推荐方案 理由
低成本风扇/水泵 单电阻 成本优先，性能要求低
通用工业驱动 双电阻 性价比最高，性能足够
伺服/机器人 三电阻 精度优先，算法简单

二、运放选型与偏置设计

采样电阻上的电压信号非常微弱，通常只有几十到几百毫伏。必须用运放放大到ADC的输入范围（一般是0~3.3V或0~5V）。

运放选型，我重点关注这几个参数：

  • 失调电压（Vos）：越低越好，最好小于1mV。失调电压会直接叠加到采样信号上，造成电流偏置误差。
  • 共模抑制比（CMRR）：至少80dB以上。电机驱动是强干扰环境，共模噪声很大。
  • 带宽（GBW）：至少1MHz以上。虽然电流信号频率不高（几kHz），但PWM开关噪声会耦合进来，运放需要能响应。
  • 轨到轨输出：最好支持。这样能充分利用ADC的输入范围。

我常用的运放型号：

  • TI的OPA4376（四通道，Vos=5μV，性价比高）
  • ADI的AD8606（双通道，Vos=65μV，噪声低）
  • ST的TSV912（双通道，轨到轨，便宜）

偏置设计这块，有个常见的坑。因为电流是双向的（电机正转和反转），采样电阻上的电压也是正负双向的。但ADC只能采集正电压，所以需要加一个偏置电压，把信号抬升到ADC的中间点。

举个例子：ADC输入范围0~3.3V，偏置电压设为1.65V。那么：

  • 电流为零时，ADC读数为1.65V
  • 正向电流时，ADC读数大于1.65V
  • 反向电流时，ADC读数小于1.65V

偏置电路一般用电阻分压加电压跟随器实现。我习惯用精密基准源（比如TL431）来产生偏置电压，比直接用电源分压稳定得多。

避坑指南：我曾经在一个项目上直接用3.3V电源分压做偏置，结果电源纹波有50mV，直接耦合到偏置电压上，导致电流采样噪声巨大。后来换成TL431，纹波降到1mV以下，问题解决。

三、ADC采样时序与同步触发

这部分是很多初学者容易忽略的。ADC什么时候采样？采样的值对不对？这直接决定了FOC控制的性能。

先说说为什么需要同步触发。PWM驱动电机时，电流波形是这样的：

  • PWM导通期间，电流上升
  • PWM关断期间，电流下降
  • 在PWM周期的中间点（即对称PWM的谷底），电流纹波最小

所以，最理想的采样时刻就是PWM周期的中间点。这时候电流纹波最小，采样值最接近真实平均值。

具体怎么做？我以STM32为例说明：

// 配置定时器TIM1为PWM输出，中心对齐模式
// 配置TIM1的TRGO事件在更新事件时触发ADC

// ADC配置代码片段
void ADC_Config(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_7Cycles5);
    
    // 使能ADC的触发模式，触发源为TIM1的TRGO
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_TRGO;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_Rising;
    
    // 配置为注入组，用于同步采样两相电流
    ADC_InjectedSequencerLengthConfig(ADC1, 2);
    ADC_InjectedChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_7Cycles5);
    ADC_InjectedChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_7Cycles5);
}

这里的关键是：

  • PWM定时器配置为中心对齐模式
  • TRGO事件在计数器等于0时触发（即PWM周期中间点）
  • ADC配置为注入组，可以同时采样多路通道
小技巧：如果你用双电阻或三电阻方案，一定要确保所有通道在同一时刻采样。STM32的注入组可以做到这一点，但要注意注入组的转换时间不能太长，否则会错过最佳采样窗口。我一般把采样时间设为最短（7.5个ADC时钟周期），够用就行。

还有一个细节：采样窗口的宽度。PWM周期中间点附近，电流纹波最小，但也不是一个点。一般来说，采样窗口宽度不要超过PWM周期的5%。比如PWM频率20kHz（周期50μs），采样窗口最好控制在2.5μs以内。

注意：如果PWM占空比非常小或非常大，采样窗口可能会和开关噪声重叠。这时候需要做特殊处理，比如在软件中判断占空比范围，切换到其他采样策略。我一般在占空比小于10%或大于90%时，改用单电阻重构算法来补充。

最后总结一下采样时序的要点：

  1. 使用中心对齐PWM模式
  2. 在PWM周期中间点触发ADC
  3. 多路电流必须同步采样
  4. 采样窗口尽量短
  5. 极端占空比时做特殊处理

嗯，电流采样这部分就聊到这里。下一节我们讲电流调理电路中的滤波器设计，那也是个容易踩坑的地方。

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