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(gè)步驟，只有電流采樣準(zhǔn)確了整個(gè)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(gè)下管導(dǎo)通的時(shí)候采樣，采集中間時(shí)刻的電流，可以反映平均電流（用電感續(xù)流來(lái)理解，在電感續(xù)流的時(shí)候，中間時(shí)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(diǎn)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(gè)好處：一是共模電壓接近0V，信號(hào)處理相對(duì)比較容易。二是在一個(gè)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(gè)母線電阻，這個(gè)電阻有兩個(gè)作用。一是用于單電阻采樣；二是采集母線電流，實(shí)現(xiàn)過(guò)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(shí)相比下電阻采樣，采集的電流就不同了，因?yàn)殡娏魇冀K是連續(xù)的，不存在采樣窗口的問(wèn)題。為了采集平均電流，可以采集三上橋臂導(dǎo)通的中間時(shí)刻的電流。但是這種方案運(yùn)放的共模電壓也高了，并且由于電流始終流過(guò)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(wèn)題

當(dāng)下管的PWM占空比很小的時(shí)候，如下圖所示的PWM3。由于ADC采樣需要保持一定的時(shí)間，所以占空比很小的時(shí)候采集到的數(shù)據(jù)就可能不準(zhǔn)。由KCL可知此時(shí)的三相電流的和為0，此時(shí)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(méi)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(duì)于單電阻采樣來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)組合得到對(duì)應(yīng)的電流，而且需要在一個(gè)PWM周期內(nèi)采樣兩次，依靠算法來(lái)重構(gòu)三相電流，所以是最困難的一種方案。

2.運(yùn)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(jī)的ADC進(jìn)行采集，那么單片機(jī)很難分辨出來(lái)。所以為了提高分辨率，需要對(duì)電壓進(jìn)行放大。此外，這么小的電壓信號(hào)在放大之前也很容易受到干擾，所以對(duì)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(hào)不需要進(jìn)行濾波處理，因?yàn)闉V波會(huì)造成信號(hào)延遲。

2.1.運(yùn)放和比較器

如下圖所示，比較器的兩個(gè)輸入端接兩個(gè)模擬信號(hào)，比較器的輸出是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，即高低電平。但是比較器內(nèi)部是集電極開(kāi)路或者漏極開(kāi)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(hào)，他的跳邊沿很陡。也就是說(shuō)比較器的輸出要么飽和，要么截止，而運(yùn)放一般工作在放大區(qū)。所以按照輸出特性曲線來(lái)說(shuō)，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(guò)一般運(yùn)放的負(fù)端接GND，那么就是0V，也認(rèn)為是截止）。而運(yùn)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(gè)正反饋。而運(yùn)放工作在線性區(qū)。為了讓運(yùn)放不飽和，一般會(huì)接一個(gè)負(fù)反饋，抑制運(yùn)放的飽和，讓他工作在線性區(qū)。此外，運(yùn)放接入正反饋，也可以當(dāng)做比較器來(lái)使用。

2.2.

差分放大

所謂差分就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)求差，差分放大就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)的差值進(jìn)行放大。其實(shí)這里根據(jù)采樣電路就決定了使用的就是差分，因?yàn)樾枰?jì)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(hào)對(duì)地來(lái)說(shuō)，共模干擾就是信號(hào)相對(duì)于地這個(gè)參考點(diǎn)來(lái)說(shuō)的干擾。如下圖所示，如果Ia+和Ia-都存在對(duì)地的干擾，那么信號(hào)作差之后共模干擾就會(huì)減小，這樣運(yùn)放輸出的信號(hào)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(hào)線之間的干擾。這是因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)線之間的環(huán)路有磁場(chǎng)的變化，這樣就會(huì)引入干擾。所以差模干擾跟信號(hào)走線也有關(guān)系，如果兩根信號(hào)線之間的環(huán)路比較大的話，空間就會(huì)大，這樣磁場(chǎng)變化引起的干擾也就會(huì)越大。因此差分接法走線的時(shí)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(hào)線上有電流流過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，就會(huì)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(shí)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(huì)產(chǎn)生寄生電容，這樣就會(huì)對(duì)信號(hào)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(yùn)放的差分電壓就是正負(fù)電壓。如果運(yùn)放是正負(fù)電源供電，那么此時(shí)運(yùn)放可以輸出放大的正負(fù)電壓，但是單片機(jī)沒(méi)法檢測(cè)負(fù)壓信號(hào)，所以運(yùn)放只能單電源供電。如果運(yùn)放是單電源供電，那么又無(wú)法輸出負(fù)壓，所以需要對(duì)負(fù)壓進(jìn)行處理，也就是對(duì)負(fù)壓進(jìn)行電壓抬升，如下圖所示。這個(gè)抬升電壓也很簡(jiǎn)單，根據(jù)波形對(duì)稱，再考慮單片機(jī)的AD采樣電壓為3.3V，所以選擇3.3V的一半。

2.4.運(yùn)放放大倍數(shù)的選擇

為了提高分辨率，讓運(yùn)放的輸出越接近3.3V越好，留一點(diǎn)余量一般考慮輸出3V即可。這里的運(yùn)放輸出3V，指的是采樣電阻流過(guò)電機(jī)的額定電流時(shí)運(yùn)放的輸出。所以這里也能看出來(lái)，如果電機(jī)的工況能夠確定，這里的運(yùn)放放大倍數(shù)也能確定。也就是如果選了個(gè)大電機(jī)，而工況都是小負(fù)載電流很小，那么按照電機(jī)額定電流設(shè)計(jì)的電路板的分辨率就會(huì)低，控制效果不好。這也解釋了為什么ODrive在云臺(tái)電機(jī)這種小電流的電機(jī)上沒(méi)有進(jìn)行電流采樣，因?yàn)樗轻槍?duì)大電流設(shè)計(jì)的，小電流的時(shí)候分辨率太低了。對(duì)于以下電阻的取值，需要根據(jù)放大倍數(shù)來(lái)選擇。反饋電阻一般不建議大于100K，因?yàn)楦鶕?jù)大量測(cè)試大于100K的話容易引入噪音，也就是干擾。最后根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷就可以求得運(yùn)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(huì)低一些。其他沒(méi)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(shí)候會(huì)在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端接入一個(gè)pF級(jí)別的電容，用于濾除差分干擾。但是只要能夠控制這個(gè)差分回路，可以不用接這個(gè)電容，接了這個(gè)電容可能會(huì)對(duì)信號(hào)造成延遲。所以即使加，也是加入一個(gè)很小的電容，pF級(jí)別。運(yùn)放的輸出到單片機(jī)的ADC引腳之間有一個(gè)電阻R97，這個(gè)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(shí)間。這個(gè)電阻是充電阻抗，可以破壞走線寄生參數(shù)帶來(lái)的震蕩。因?yàn)樽呔€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(yùn)放選型

運(yùn)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(jī)的電壓來(lái)選擇， 比如3.3V的單片機(jī)就選擇3.3V供電的運(yùn)放。帶寬就是在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，放大的信號(hào)不出現(xiàn)衰減或失真，一般經(jīng)驗(yàn)值選擇5-20M。壓擺率表示運(yùn)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(hào)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(gè)電周期的頻率大小。電流采樣的運(yùn)放不一定要選擇高速運(yùn)放，一般來(lái)說(shuō)壓擺率選擇5V/us也足夠使用。