3. 电流采样与调理电路设计

做电机控制，电流采样是第一步，也是最容易出问题的一步。

我刚开始做PMSM驱动时，总觉得算法才是核心，电路嘛，能采到电流就行。结果呢？板子一上电，电流波形全是毛刺，FOC根本跑不起来。后来才明白——采样电路没设计好，再牛的算法也是白搭。

这一章，咱们就聊聊电流采样与调理电路。说白了，就是怎么把电机绕组里的电流，变成ADC能读的电压信号。

3.1 相电流采样电阻选型

采样电阻，也叫分流电阻。它串联在电机相电流回路里，电流流过时产生压降，我们测这个压降就知道电流了。

选型时，我主要看四个参数：

• 阻值：不能太大，否则发热严重；也不能太小，否则信号太弱。一般取毫欧级，比如5mΩ、10mΩ。
• 功率：根据最大电流算。P = I²R，留1.5~2倍余量。
• 精度：1%是底线，0.5%更好。
• 温漂：这个容易被忽略。我踩过坑——常温下采样挺准，跑半小时后电流就偏了。后来换成低TCR（温度系数）的电阻才解决。

另外，采样电阻的布局也很关键。走线要短，要宽，要用开尔文接法——也就是把采样电压的走线单独引出来，别跟大电流走线混在一起。否则，PCB铜箔的电阻会引入额外误差。

3.2 运放电路设计

采样电阻上的电压通常只有几十毫伏，ADC没法直接读。这时候就需要运放来放大。

3.2.1 差分放大 vs 同相放大

两种方案我都用过，说说我的感受。

差分放大：

• 优点：共模抑制比高，能抑制电机PWM开关带来的共模噪声。
• 缺点：电阻匹配要求高，四个电阻稍有偏差，共模抑制比就下降。
• 典型电路：用INA180这类专用电流检测运放，内部已经匹配好了。

同相放大：

• 优点：电路简单，输入阻抗高。
• 缺点：共模电压直接加在运放输入端，对运放的共模输入范围要求高。

我个人习惯用差分方案。为什么？因为电机驱动环境噪声大，差分天生抗干扰。我曾在某款伺服驱动器上试过同相放大，结果PWM开关瞬间，运放输出直接饱和了——共模电压太高。

3.2.2 运放选型要点

参数	要求	说明
失调电压	< 1mV	失调大了，小电流测不准
带宽	> 1MHz	要能跟上PWM开关频率
压摆率	> 5V/μs	响应要快，不能拖泥带水
共模抑制比	> 80dB	越高越好

常用的型号有：OPA2333、AD8606、MCP6002。我比较偏爱OPA2333，零漂移，温漂小，适合电流采样这种精密应用。

3.3 ADC采样时序与同步

采样时序，是很多新手容易忽略的坑。

PMSM控制中，电流采样必须在PWM周期的特定时刻进行。为什么？因为电机相电流是连续的，但采样电阻上的电压只在PWM开关管导通时才有。

举个例子：下桥臂导通时，电流流过采样电阻；上桥臂导通时，电流不经过采样电阻。如果你在错误的时间采样，采到的就是零或者噪声。

正确的做法是：

• 在PWM载波周期的中点或谷底触发ADC采样。
• 此时，三相下桥臂都导通，电流回路完整，采样值最准确。
• 用定时器或PWM模块的触发信号，直接启动ADC转换，实现硬件同步。

具体到STM32，可以用TIM1的TRGO事件触发ADC注入组转换。代码大概这样：

// 配置PWM定时器触发ADC
TIM_SelectOutputTrigger(TIM1, TIM_TRGOSource_Update);
ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC1, ADC_ExternalTrigInjecConv_T1_TRGO);

嗯，这里要注意：触发时刻要避开PWM开关边沿，因为开关瞬间有尖峰干扰。一般建议在PWM周期的中间点采样，也就是计数器值等于ARR/2的时候。

3.4 硬件滤波与抗混叠

采样信号进ADC之前，一定要滤波。不滤波的话，高频噪声会折叠到低频段，这就是所谓的混叠。

混叠有多可怕？我举个例子：电机运行时，PWM开关频率是20kHz，采样频率是10kHz。那么20kHz的噪声会折叠到10kHz - 20kHz = -10kHz，也就是10kHz的假信号。这个假信号会混入电流反馈，导致FOC控制紊乱。

抗混叠滤波，通常用一阶RC低通滤波器：

• 截止频率 f_c = 1 / (2πRC)
• 一般取采样频率的1/3到1/5
• 比如采样频率10kHz，截止频率取2~3kHz

电阻和电容的取值也有讲究：

• R不能太大，否则运放驱动能力不够，信号建立时间变长。
• C不能太大，否则充放电慢，影响采样速度。

我常用的组合是：R=1kΩ，C=10nF，截止频率约16kHz。这个值对于10kHz采样率来说，够用。

另外，有些工程师喜欢在运放输出端加一个TVS管或肖特基二极管，把电压钳位在ADC输入范围内。这个做法我建议加上——万一运放输出异常，ADC不至于烧掉。

好了，电流采样电路这块，核心就是这些。总结一下：

• 采样电阻选低阻值、低温漂的合金电阻
• 运放用差分方案，选低失调、高CMRR的型号
• 采样时序用硬件触发，在PWM中点采样
• 加RC低通滤波，防止混叠

下一章，咱们聊聊位置传感器——没有准确的位置信号，FOC就是盲人摸象。