电机控制-单电阻电流采样

鸣涧

电机控制-单电阻电流采样

无刷直流电机的矢量控制中，采用分流电阻进行三相电流采样是一种经济成本较低、应用较成熟的方案，因此在很多低成本产品中应用十分广泛。分流电阻方案的整体思路是在下桥臂或地线上串联分流电阻，通过运放和控制器AD进行测量，获取电机三相电流。根据使用的电阻数量，分流电阻方案可分为三电阻采样、两电阻采样和单电阻采样，每种方案都有各自的优点和缺陷。本文主要介绍单电阻采样方法。

单电阻采样：随着对电机控制器成本的要求越来越高，越来越多开始使用在功率模块的三个MOSFET下桥臂母线处仅放置一个采样电阻，通过分时采集一个周期内的两次电流一个或者两个下桥臂导通，重构出电机三相电流。

一个载波周期中，零矢量，死区，有效矢量区域划分:

T0 ：零矢量

DT：死区

T1：有效矢量

T2：有效矢量

对于7段式的SVPWM来讲，一个载波周期中，先是零矢量T0→插入死区DT→有效矢量T1→插入死区DT→有效矢量T2......

从上面示意图来看，我们采样时刻在T1和T2那么就能获得正确的采样信号。

上面的原理来看好像单电阻采样只要设置好采样时刻，那么就能得到准确的电流信号，我们从实际的波形来看看采样时候的电流波形以及单电阻采样可能会出现的问题。

CH1 ：采样电阻上的波形

CH2/3/4：UVW 的波形

可以看到采样电阻上面的波形震荡和毛刺非常明显，继续放大看下采样电阻上的震荡信号

先看采样窗口比较大的时候，黄色方框是DT+T1

CH3 ：采样电阻上的波形

CH1/2/4：下桥Gate端的驱动波形

当窗口较大的时候，T1的范围很宽，震荡结束之后，还有一段很长的平稳的信号足够给我们采样。

我们还可以看出采样电阻的第一个震荡是发生在上桥MOS打开的时候，有时候也会发生在下桥关闭的时候，也就是在DT开始和结束的时候都有可能发生震荡，我们先保留这个问题继续往下看。

再看采样窗口比较小的时候，实线和虚线之间是DT+T2：

CH3 ：采样电阻上的波形

CH1/2/4：下桥Gate端的驱动波形

当窗口较小的时候，T2的范围很窄，有效的矢量范围内大部分都是震荡的电流，如果我们采样到震荡范围的电流，就会影响我们采样的真实性导致启动容易失败。

但是我们会发现会出现采样窗口特别小的时候，保证MOSFET开关速度的时候，震荡又不可避免，就会导致整个窗口都是电流震荡 导致采样一直得不到正确。

关于窗口出现很小的情况和最小采样窗口，简单说明下：

图1 扇区阴影示意图

图2 扇区坐标系空间矢量图

图3 采样时间窗口

1、当我们需要得到左上角阴影部分的矢量信号时候我们会发现我们的驱动波形会出现“两长一短”或者“两短一长”的状态，如图3所示。

2、当“ 1 ”所描述的情况出现后，我们会发现我们有一个有效的采样区间会很小或者几乎没有，这个时候我们采样不到我们需要的信号。

3、所以我们需要设置最小采样窗口，也就是程序上判断处理当判断窗口值小于最小窗口的时候，程序会主动补偿一个窗口出来用于采样，再在同一个半周期把窗口补偿回去。

以下是最小采样窗口补偿的时序图：

图4 在PWM周期后半周期进行补偿

图5 采样点

• 当窗口不足时，在前半周期删减，后半周期补偿
• 因为电流采样都是在前半周期完成，后半周期的采样窗口是否足够已经没有关系
• 同时因为在同一个电周期进行了补偿，三相的占空比没有发生变化不会影响最终合成的矢量
  
  

硬件上的优化处理也会改善单电阻采样信号的捕获

1、采样电阻上的信号线差分走线，推荐差分线使用开尔文接法

2、驱动地和采样电阻的地分开走线

3、地线回路尽可能短，电容靠近芯片放置等等都能改善采样信号的捕获

4、C33电容不宜太大，R34上不可并电容，VCC和I_Shunt之间不适合加电容

5、R51&C39通过对采样电阻上面的电流信号RC滤波之后得到平均电流，从而做功率闭环，关于RC的取值太大虽然会得到更稳定的平均电流但是会导致电流信号滞后，功率环震荡，另外由于ADC采样会产生一个很小的电流，R51选取太大会导致采样值会比实际值偏小一点。