FOC——13.电流采样与运放电路

电流采样是FOC只有电流采样准确，整个算法才能取得良好的效果。电流采样是收集续流电流，即在三个下管导通时采样。采集中间电流可反映平均电流（通过电感续流理解，中间电流可反映平均电流）。电流采样方式一般分为三电阻、双电阻、单电阻采样，其优缺点如下图所示。

采样电阻，即电流采样电阻放在下端，有两个优点：一是共模电压接近0V，信号处理相对容易。二是一个PWM周期内采样电阻存在不通电的情况，这样可以降低采样电阻的功率。另外，母线上还有一个母线电阻，这个电阻有两个作用。一是用于单电阻采样；二是采集母线电流，实现过流保护。

此外，电阻串在相线上，如下图所示。此时，与下电阻采样相比，采集的电流不同，因为电流总是连续的，没有采样窗口的问题。为了收集平均电流，可以收集三上桥臂中间时间的电流。但该方案的共模电压也较高，电阻的功率高于下电阻采样。

当下管的PWM当占空比很小时，如下图所示PWM3。由于ADC采样需要一定的时间，所以当空间比很小时，收集到的数据可能不准确。由KCL可以看出，此时三相电流的和为0。如果此时是三电阻采样方案，则可以使用另外两相占空比较大的计算第三相电流。如果是双电阻采样，则没有办法，只能这样使用，或限制管道的最小空间比，以确保采样电流准确。

为了降低采样电阻的功耗，一般采样电阻的阻值都很小。那么其两端的压差也很小，如果直接输入单片机的ADC如果采集，单片机很难区分。因此，为了提高分辨率，有必要放大电压。此外，如此小的电压信号在放大前容易受到干扰，因此对于PCB布线有要求，需要尽量减少干扰。

注：采集到的电流信号不需要过滤，因为过滤会导致信号延迟。

如下图所示，比较器的两个输入端连接两个模拟信号，比较器的输出是一个数字信号，即高低电平。但比较器内部是集电极开路或漏极开路输出，因此需要将电阻连接到比较器的输出端。比较器输出数字信号，他的跳边很陡。也就是说，比较器的输出要么饱和，要么截止，运输一般在放大区工作。因此，根据输出特性曲线，比较器在下图的红圈中工作（请注意，下面的红圈也可以被视为负饱和区，但通常的负端连接GND，那么就是0V，也被认为是截止日期)。在虚线内的放大区域运放。一般来说，为了使比较器的输出沿更陡，接收正反馈。在线区域运输和运输。为使运放不饱和，一般会接受负反馈，抑制运放饱和，使其在线工作。

此外，运放接入正反馈也可作为比较器使用。

差异是两个信号之间的差异，差异放大是两个信号之间的差异。事实上，这里根据采样电路决定使用差异，因为需要计算采样电阻两端的压差，即电位差，即差异。

区分放大的优点是可以消除共模干扰。所谓共模，就是信号对地，共模干扰就是信号对地相对于参考点的干扰。如下图所示Ia 和Ia-对地面有干扰，信号差异后共模干扰会减少，使输出信号更准确。

虽然差分接法可以减少共模干扰的影响，但也存在差模干扰。所谓差模干扰，就是两根信号线之间的干扰。这是因为两条信号线之间的环路有磁场变化，会引起干扰。因此，差模干扰也与信号线有关。如果两条信号线之间的环路相对较大，则空间将较大，因此磁场变化引起的干扰将越大。因此，在差分接线时，也要尽量走差分线，这样可以减少环路空间，起到抑制差模干扰的作用。

如下图所示，上述布线围栏面积空间大，环路大，使信号线上的电流流过时，会产生空间磁场和磁耦合干扰。以下布线形式环路小，空间小，干扰小，以下布线形式为差异化布线。

实际的PCB在中间，将差分线的间距放置一倍的线宽，一般为0.3mm。而且线路必须是同一层，不在同一层需要打孔，打孔会产生寄生电容，会影响信号，所以线路最好在同一层。

由于采样电阻上的电流可以从下到上或从上到下流动，即两端的电压可以是正的或负的，因此输入和放置的差异电压是正的和负的电压。如果是正负电源供电，则此时可以输出放大的正负电压，但单片机无法检测负压信号，因此只能单电源供电。如果运输是单电源供电，则无法输出负压，因此需要处理负压，即负压升高，如下图所示。提升电压也很简单。根据波形对称，考虑单片机AD采样电压为3.3V，所以选择3.3V的一半。

为了提高分辨率，输出接近3.3V越好，留一点余量一般考虑输出3V即可。这里的运输输出3V，指采样电阻流过电机额定电流时的输出。因此，如果能确定电机的工况，也能确定这里的运放放大倍数。也就是说，如果选择大型电机，工作条件小，负载电流小，则根据电机额定电流设计的电路板分辨率低，控制效果差。这也解释了为什么ODrive云台电机这种小电流的电机没有电流采样，因为它是为大电流设计的，分辨率太低。

需要根据放大倍数选择以下电阻的值。一般不建议反馈电阻大于100K，大量测试大于1000K它很容易引起噪音，即干扰。最后，根据运输的虚短和虚断，可以获得运输的输出和输入之间的关系。

这里的2K电阻考虑到一定的限流作用，功耗会更低。没有太多其他考虑。这里选择1K电阻，然后与反馈电阻匹配放大倍数。

从供电电压、带宽、速度、带宽、速度(压摆率)等角度考虑。供电电压一般由单片机电压选择， 比如3.3V单片机选择3.3V供电运输和放电。带宽在此频率范围内，放大信号不会衰减或失真。一般经验值为5-20M。压摆率表示输出速度，即输出电压的变化率，一般选择在5-10V/us。

此外， 采样电阻上的信号的频率并不等于载波频率，而是跟转速有关系，也就是一个电周期的频率大小。电流采样的运放不一定要选择高速运放，一般来说压摆率选择5V/us也足够使用。