1.電流采樣方案

1.1.不同數(shù)量的采樣電阻方案

電流采樣是FOC中基礎(chǔ)且重要的一個步驟，只有電流采樣準(zhǔn)確了整個算法才能獲得好的效果。電流采樣是采集續(xù)流電流，也就是在三個下管導(dǎo)通的時候采樣，采集中間時刻的電流，可以反映平均電流（用電感續(xù)流來理解，在電感續(xù)流的時候，中間時刻的電流就可以反應(yīng)平均電流）。電流采樣方式一般分為三電阻、雙電阻、單電阻采樣，其優(yōu)缺點如下圖所示。

1.2.

采樣電阻的位置

這里使用下采樣電阻，也就是電流采樣電阻放在下端，有兩個好處：一是共模電壓接近0V，信號處理相對比較容易。二是在一個PWM周期內(nèi)采樣電阻存在不通電的情況，這樣可以降低采樣電阻的功率。另外，母線上還有一個母線電阻，這個電阻有兩個作用。一是用于單電阻采樣；二是采集母線電流，實現(xiàn)過流保護(hù)。另外，存在將電阻串在相線上的情況，如下圖所示。此時相比下電阻采樣，采集的電流就不同了，因為電流始終是連續(xù)的，不存在采樣窗口的問題。為了采集平均電流，可以采集三上橋臂導(dǎo)通的中間時刻的電流。但是這種方案運放的共模電壓也高了，并且由于電流始終流過電阻，所以電阻的功率要比下電阻采樣要高。

1.3.

采樣窗口問題

當(dāng)下管的PWM占空比很小的時候，如下圖所示的PWM3。由于ADC采樣需要保持一定的時間，所以占空比很小的時候采集到的數(shù)據(jù)就可能不準(zhǔn)。由KCL可知此時的三相電流的和為0，此時如果是三電阻采樣方案，那么可以使用另外兩相占空比大的算出第三相的電流。而如果是雙電阻采樣那么就沒辦法了，只能就這樣使用，或者限制下管的最小占空比，這樣才能保證采樣的電流是準(zhǔn)確的。對于單電阻采樣來說，需要根據(jù)不同的開關(guān)組合得到對應(yīng)的電流，而且需要在一個PWM周期內(nèi)采樣兩次，依靠算法來重構(gòu)三相電流，所以是最困難的一種方案。

2.運放電路

為了降低采樣電阻的功耗，一般采樣電阻的阻值都很小。那么其兩端的壓差也很小，如果直接輸入單片機的ADC進(jìn)行采集，那么單片機很難分辨出來。所以為了提高分辨率，需要對電壓進(jìn)行放大。此外，這么小的電壓信號在放大之前也很容易受到干擾，所以對于PCB的布局布線有要求，需要盡量減小干擾。注意：采集到的電流信號不需要進(jìn)行濾波處理，因為濾波會造成信號延遲。

2.1.運放和比較器

如下圖所示，比較器的兩個輸入端接兩個模擬信號，比較器的輸出是一個數(shù)字信號，即高低電平。但是比較器內(nèi)部是集電極開路或者漏極開路輸出，所以需要在比較器的輸出端接上拉電阻。比較器輸出數(shù)字信號，他的跳邊沿很陡。也就是說比較器的輸出要么飽和，要么截止，而運放一般工作在放大區(qū)。所以按照輸出特性曲線來說，比較器工作在下圖的紅圈處（注意下面的紅圈也可以認(rèn)為是負(fù)飽和區(qū)，只不過一般運放的負(fù)端接GND，那么就是0V，也認(rèn)為是截止）。而運放工作在虛線內(nèi)的放大區(qū)。為了讓比較器的輸出沿更陡，一般接一個正反饋。而運放工作在線性區(qū)。為了讓運放不飽和，一般會接一個負(fù)反饋，抑制運放的飽和，讓他工作在線性區(qū)。此外，運放接入正反饋，也可以當(dāng)做比較器來使用。

2.2.

差分放大

所謂差分就是對兩個信號求差，差分放大就是對兩個信號的差值進(jìn)行放大。其實這里根據(jù)采樣電路就決定了使用的就是差分，因為需要計算的是采樣電阻兩端的壓差，也就是電位差，這就是差分。差分放大的好處是可以消除共模干擾，所謂共模就是信號對地來說，共模干擾就是信號相對于地這個參考點來說的干擾。如下圖所示，如果Ia+和Ia-都存在對地的干擾，那么信號作差之后共模干擾就會減小，這樣運放輸出的信號就更加準(zhǔn)確。

差分接法雖然可以減小共模干擾的影響，但是也存在差模干擾。所謂差模干擾，就是兩根信號線之間的干擾。這是因為兩個信號線之間的環(huán)路有磁場的變化，這樣就會引入干擾。所以差模干擾跟信號走線也有關(guān)系，如果兩根信號線之間的環(huán)路比較大的話，空間就會大，這樣磁場變化引起的干擾也就會越大。因此差分接法走線的時候也盡量要走差分線，這樣可以把環(huán)路空間減小，起到抑制差模干擾的作用。如下圖所示，上面的走線圍城的面積空間大，環(huán)路大，這樣信號線上有電流流過時，就會產(chǎn)生空間磁場，就會有磁耦合產(chǎn)生干擾。而下面的走線形式環(huán)路小，空間小，這樣產(chǎn)生的干擾就小，下面這種形式的走線就是差分走線。

實際的PCB中，差分走線的間距放一倍的線寬就行，一般是0.3mm。并且走線必須要同一層，不在同一層的話需要打孔，打孔的話就會產(chǎn)生寄生電容，這樣就會對信號產(chǎn)生影響，所以走線最好在同一層。

2.3.偏置電壓

由于采樣電阻上的電流可以從下往上流，也可以從上往下流，也就是兩端的電壓可正可負(fù)，那么輸入運放的差分電壓就是正負(fù)電壓。如果運放是正負(fù)電源供電，那么此時運放可以輸出放大的正負(fù)電壓，但是單片機沒法檢測負(fù)壓信號，所以運放只能單電源供電。如果運放是單電源供電，那么又無法輸出負(fù)壓，所以需要對負(fù)壓進(jìn)行處理，也就是對負(fù)壓進(jìn)行電壓抬升，如下圖所示。這個抬升電壓也很簡單，根據(jù)波形對稱，再考慮單片機的AD采樣電壓為3.3V，所以選擇3.3V的一半。

2.4.運放放大倍數(shù)的選擇

為了提高分辨率，讓運放的輸出越接近3.3V越好，留一點余量一般考慮輸出3V即可。這里的運放輸出3V，指的是采樣電阻流過電機的額定電流時運放的輸出。所以這里也能看出來，如果電機的工況能夠確定，這里的運放放大倍數(shù)也能確定。也就是如果選了個大電機，而工況都是小負(fù)載電流很小，那么按照電機額定電流設(shè)計的電路板的分辨率就會低，控制效果不好。這也解釋了為什么ODrive在云臺電機這種小電流的電機上沒有進(jìn)行電流采樣，因為它是針對大電流設(shè)計的，小電流的時候分辨率太低了。對于以下電阻的取值，需要根據(jù)放大倍數(shù)來選擇。反饋電阻一般不建議大于100K，因為根據(jù)大量測試大于100K的話容易引入噪音，也就是干擾。最后根據(jù)運放的虛短和虛斷就可以求得運放的輸出和輸入之間的關(guān)系。

在匹配好放大倍數(shù)的前提下，這里的2K電阻考慮到了一定的限流作用，而且功耗會低一些。其他沒有很多的考慮，這里選擇1K的電阻，然后和反饋電阻匹配好放大倍數(shù)也可以。

此外，有的時候會在運放的兩個輸入端接入一個pF級別的電容，用于濾除差分干擾。但是只要能夠控制這個差分回路，可以不用接這個電容，接了這個電容可能會對信號造成延遲。所以即使加，也是加入一個很小的電容，pF級別。運放的輸出到單片機的ADC引腳之間有一個電阻R97，這個電阻一般取值為幾十歐姆，要考慮ADC內(nèi)部的采樣保持電容的充電時間。這個電阻是充電阻抗，可以破壞走線寄生參數(shù)帶來的震蕩。因為走線上存在寄生參數(shù)，很容易滿足震蕩條件，加了電阻的話可以破壞震蕩條件。（？）

2.5.運放選型

運放選型一般從供電電壓、帶寬、速度（壓擺率）等角度考慮。供電電壓一般參考單片機的電壓來選擇， 比如3.3V的單片機就選擇3.3V供電的運放。帶寬就是在這個頻率范圍內(nèi)，放大的信號不出現(xiàn)衰減或失真，一般經(jīng)驗值選擇5-20M。壓擺率表示運放的輸出速度，也就是輸出電壓的變化率，一般選擇在5-10V/us。此外， 采樣電阻上的信號的頻率并不等于載波頻率，而是跟轉(zhuǎn)速有關(guān)系，也就是一個電周期的頻率大小。電流采樣的運放不一定要選擇高速運放，一般來說壓擺率選擇5V/us也足夠使用。