三種FOC電流采樣方案對比

目錄

1 電流采樣的作用

2 硬件架構

3 采樣關鍵

4 采樣方案

5 三電阻采樣

5.1 三電阻采樣點

5.2 雙電阻采樣

5.3 雙電阻采樣點

5.4 單電阻采樣

6 總結

7 附錄

1 電流采樣的作用

在FOC算法中，電流采樣在反饋環節是相當重要的一部分，無論是有感FOC，還是無感FOC，相電流是交流三相同步電機在進行坐標變換的關鍵，最終通過SVPWM實現電機轉子磁場和定子磁場的同步轉動，通常這里有三種方案，單電阻采樣，雙電阻采樣，三電阻采樣，關系到整體系統的成本，算法的復雜程度和最終運行的效果，這里需要更加項目的具體需求進行選擇。

本文參考ST的單電阻和三電阻采樣以及TI的雙電阻采樣，還有microchip的資料，結合實際中可能需要注意的地方進行總結分析。

幾種電流采樣方案的對比；

2 硬件架構

硬件上的設計通常是采集三相電流，通過運算放大器加偏置電壓，這樣可以就可以采集正負電流，最終在MCU中處理的時候減去偏置電壓就行，以Infineon XC167CI SK Board單電阻的方案為例子，具體電路拓撲圖如下；

下面是TI C2000 的方案

AP1608410 原文鏈接運算放大器

3 采樣關鍵

采樣的關鍵是需要在三相逆變器高端關閉，低端打開的情況下進行采樣，這是整體的采樣點。因此，采樣會存在窗口時間，因為ADC轉換完成需要一定數量級的時間，也就是說，在ADC轉換完成之前，橋低端是不能關閉的，在這里，雙電阻和單電阻采樣需要考慮窗口時間的限制，而三電阻采樣則不存在窗口時間（PWM占空比接近100%），可以根據SVPWM當前所在象限，進行分類，只需要采集其中不受窗口時間限制的兩相電流，然后根據 ，進行電流的重構。

4 采樣方案

電流采樣比較關鍵的地方主要是硬件的設計和采樣點的設置，這里在后面會涉及到通過相應的觸發信號去通知ADC進行電流采樣，最后進行電流重構。

5 三電阻采樣

TI的三電阻采樣

5.1 三電阻采樣點

正如前面所提到的三電阻采樣可以避免窗口時間，如下圖所示；在不同扇區需要采樣的相電流，可以看到，共同點是避免去采樣PWM占空比接近100%的那一相電流。

可以參考一下ST的電機庫的做法，通過TIMER_CH4作為ADC采樣的觸發信號，而采樣則可以通過修改TIM_CCR4寄存器去改變采樣點，相當靈活的做法；

5.2 雙電阻采樣

雙電阻采樣無法避免窗口時間，所以需要限制最終PWM的占空比，為ADC轉換預留足夠的時間；

5.3 雙電阻采樣點

5.4 單電阻采樣

單電阻采樣需要在一個PWM周期內進行兩次采樣，下面需要在SVPWM六個扇區進行相電流的分類，這里可以對SVPWM的原理進行分析，從而了解如何對電流進行重構；單電阻的電路結構如下圖所示；

為了便于理解整個采樣的過程，為了表示逆變器的開關管的狀態，Sa表示A相的上下管，同理Sb表示B相的上下管；

這里規定：Sa = 1表示上管導通，下管斷開；Sa = 0表示下管導通，上管斷開；

Sb和Sc以此類推；

5.4.1 Sa Sb Sc：100

5.4.2 Sa Sb Sc：110

5.4.3 SVPWM的開關狀態

因此，單電阻采樣，需要在一個PWM周期內進行兩次采樣；具體如下圖所示；

圖中的SAL，SBL，SCL分別對應整流橋的下管，因此在一個周期內分別進行了Sample 1和Sample 2這兩次采樣，對照上表可以推出；

Sample 1：采集了開關管狀態為SAL SBL SCL：101==>SAH SBH SCH：010，此時采樣電流為 ；

Sample 2：采集了開關管狀態為SAL SBL SCL：100==>SAH SBH SCH：011，此時采樣電流為 ；

原理搞清楚之后，下面要注意的地方還有兩點采樣點的確認和窗口時間的限制；

5.4.4 ST方案

6 總結

本文介紹和對比了三種電流采樣方案，簡單給出了需要注意的地方，由于本人能力有限，文中難免出現錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。

審核編輯：湯梓紅