FOC控制基于电阻的电流采样方案比较

FOC控制基于电阻的电流采样方案比较

最近有时间把TI ST还有Microchip三家关于PMSM控制中使用电阻采样相的电路看了一下，发现各家都有自己的特点，就做个总结吧。

1.TI C2000系列双电阻采样法

原理说明

在U相和V相的下桥分别串联一个功率电阻，通过一个运放电路连接至A/D。采样时机放在PWM的下溢中断进行，U V两相电阻上的电流即为电机U V相的线电流。

关键点

(1)采样时机：

必须在下桥臂全部导通的时候进行采样。

在软件设计的时候,采用下溢中断(处于第7段和第1段零矢量区域中),将电流采样的任务安排在一个PWM周期的开始处,在比较匹配到来之前的期间,U、V两相的上桥臂都是关断的,也就是说下桥臂是导通的,这样就可以在每个PWM周期顺利采样一次两个相电流值。

(2)采样方式

因为电机绕组线圈呈感性，线圈上的相电流不能突变，因此从矢量U0 转换到零矢量后，其对应的工作状态转换如图所示，其中二极管能起到续流作用，此时，下桥臂采样电阻上流过的是相电流，因此在每个PWM周期前期通过下桥臂的采样电阻检测相电流是可行的。

开关状态为000时电流的流通路径

(3)采样电流电路

从上图可以看出，流经各相采样电阻的电流是正负的，故采样电阻上端的电压是一个带正负信号的正弦波形(下端为地)，后级运放电路作用是将整体电压抬高，并且进行比例增益。

2.STM32的方案：三电阻采样法

(1)电流处理：

采样电阻上端采集到的电压是一个带正负的正弦波形，所以其后端一定要接一个运放电路，一方面是滤波，更重要的则是把采集到的信号缩放到AD能采集的电压范围。这个电路可以采用同相比例放大+偏移。

(2)AD触发：

在STM32的高级定时器中，除了产生三相PWM波的CH1,CH2,CH3之外还有一个CH4，这个通道只能产生一路PWM波，它可以用来触发AD，可以比较容易的和前面几个PWM波同步，而且配置好周期能非常灵活的取采样点。(3)相采样选择：

每次需要采集两个电流，采集哪两个电流由SVPWM当前扇区决定。每次只有在下桥臂打开的时候才能进行采样。

(4)干扰Tnoise和Trise：

Tnoise是每次开关管打开或者关闭时，对当前采集的相电压的影响时间。Trise 是每次开关管打开的时候该相电流会有一个跳变，需要一段时间来稳定。在这两个时间里面不能采集电流。

(5)SVPWM：

SVPWM是FOC算法的最后一步，根据前面运算得到的数据，修改PWM波形输出，从而修正电机的运行，同时确定下次相电流采样的扇区。

[R1]此处与TI方案不同，ST方案根据扇区号来确定当前需要采样的电流相，而TI根据二极管续流可以持续获得稳定的U/V相电流反馈，TI的方法更好

[R2]TI的方案是在PWM 关闭的时候采样的，也就没有了干扰的问题

下面这张表格是是运用ST库的时候三电阻和单电阻在效率等方面的比较：

3.Microchip方案（AN1299）

采用单电阻方式采样，在一组7段矢量的时间内，根据不同的开关顺序，进行多次采样

[R3]相比TI方案，采样次数较多，消耗的CPU资源较多，需要考虑死区对各个采样窗的影响，还有各采样窗口有最小宽度限制，处理算法相对比较麻烦

对于三相逆变器，我们将分析此周期的所有不同的PWMxL 组合（T0、T1、T2 和T3），了解电流测量代表着什么。从T0开始，在逆变器中我们有如下的电子开关（MOSFET 或IGBT）组合，从中我们看到，没有电流流经单分流电阻（图10）。

前进到T1，我们看到PWM2L 有效，同时PWM1H和PWM3H也有效（目前没有显示，但假设PWM输出是互补的）。由于有电流通过相A和C流入电机，通过相B流出电机，我们可以认为此电流测量值表示的是–IB，如图11 所示。

在T2 期间，PWM2L 和PWM3L 有效，且PWM1H有效。这种组合给出的是流经单分流电阻的电流IA，如图12 所示。

T3的情形与T0一样，其中没有电流流经分流电阻，所以IBUS = 0，如图13 所示。

PIC 单电阻采样时间点的计算

总结：

通过双电阻、三电阻和单电阻的相电流采样方法，都是基于电机绕组电感电流通过二极管续流的原理，然后通过通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出该相电流。

不同的采样方法，对相电压占空比有不同的要求，因此电压利用率也不同，可参考《基于PSoC4的矢量控制方案：电流采样》。