检测部分：相电流低端采样

三相无刷电机驱动器电路设计

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前言

电流采样有三种方式：

其中低端采样有三种方法：单电阻、双电阻、三电阻采样。

方法	​硬件成本	​采样复杂度 ​	是否需要检测反向电流	​反向电流检测能力	​适用场景
​单电阻采样	最低	最高	​需要	依赖母线电流极性判断，需保证采样窗口覆盖反向电流时段（如PWM续流阶段），受算法限制。	成本敏感的中低性能应用
​双电阻采样	中等	中等	​需要	两相直接采样可检测负电流，第三相通过计算获得，需硬件支持双极性信号输入。	平衡性能与成本的场景
​三电阻采样	最高	最低 ​	需要	三相独立检测，直接测量负电流，硬件支持双极性信号（如差分放大或电平偏移电路）。	高性能或高精度需求的应用

其中的反向电流生成的经典场景：
1、再生制动：
电机作为发电机运行时，电流反向流动，能量回馈至电源。
（电动车下坡时，电机反转发电，电流方向与驱动时相反。）
2、PWM开关阶段续流：
在PWM关断期间，电感电流通过续流二极管（体二极管或外部二极管）反向流动。
（上桥臂关断时，电流通过下桥臂二极管续流，母线电流方向反转。）
3、换向过程中的电流换向：
在六步换相法中，换相瞬间可能导致相电流极性突变。
（从A相切换到B相导通时，A相电流可能因电感特性短暂反向。）
4、动态负载突变：*
负载突然减小时，电机反电动势可能超过电源电压，引发反向电流。

（我选择三电阻采样的方式，来实现六步换相和FOC）

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一、采样电阻的选择

低端采样通常是将电阻放在MOSFET的下端，也就是地线侧，这样测量的电压相对于地，比较容易处理。但需要考虑电阻的阻值、功率、温度系数，还有噪声干扰的问题。

• 注意：
  采样电阻的阻值不能太大，否则功耗太高，发热严重。但也不能太小，否则采样到的电压信号太小，容易被噪声淹没，影响精度

1、确定关键参数
最大相电流：根据电机参数确定（该电机满负载10.5A，但是想着后面可能会换电机，所以我根据MOSFET的参数来确定，即额定10A，峰值30A来算）

ADC输入范围：该驱动使用的是2.5V参考电压，板载ADC为12位。

目标精度：1%
2、采样电压的合理范围：
典型范围：（下限：避免噪声干扰信号；上限：保留10%余量，防止运放饱和或ADC溢出）

参考电压	典型范围
2.5V	50mV~300mV
3.3V	50mV~500mV
5V	100mV~500mV

动态范围优化（参考电压2.5V时）：

• ADC为12位，则每个LSB（最小分辨率）为：
  $$LSB=\frac{2.5V}{4096}\approx 0.61mV$$
• 假设目标电流精度为1%，则采样电压需覆盖至少 ​100个LSB​（即 0.61mV×100≈61mV），因此采样电压应大于60mV。

3、阻值计算与功耗平衡
计算：
$$R=\frac{V_{采样电压}}{I_{最大电流}}$$
采样电压设为150mV;最大电流30A;
计算得：0.005Ω。
功耗计算（MOSFET额定电流10A）：
$$P=I^{2}R=10^2\times 0.005\Omega =0.5W(至少选择1W留有余量)$$

4、电阻性能要求

• 温度系数（TCR）​：优选低温漂电阻（如金属箔电阻、锰铜合金），TCR ≤50ppm/℃。

• 寄生电感：选择无感电阻（如薄膜电阻），避免高频开关噪声干扰。

• 精度：至少±1%精度，高精度场景需±0.5%或更低。

5、PCB布局优化

• 电阻靠近MOSFET地端，缩短走线以减少噪声。

• 使用Kelvin连接（四线制）隔离功率和信号路径。

• 差分走线至运放，避免地线干扰。

• 在运放前端添加RC低通滤波器（如1kΩ+100nF），截止频率约160Hz，抑制PWM噪声。

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二、运放电路搭建

1.确定信号链需求

• 输入信号范围
  有上面的内容可知：
  最大电流30A；
  动态电流范围-30~30A；
  采样电压150mA；
  信号动态范围0（负满量程）~0.15V（正满量程）；

• 目标输出范围
  匹配板载ADC的输入范围（0~2.5V），需要放大倍数（1/2VREF偏移）：
  $$G=\frac{1.25V}{0.15V}\approx 8.33\times ,实际取（G=8，保留余量）$$

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2.选择运放拓扑

• 差分放大电路​（抑制共模噪声）
  共模信号是指同时作用于多个电路或电子设备上的信号，这些信号具有相同的幅值和相位，且相对于设备或电路的地（或参考）电势具有相同的偏移量。共模信号通常是由于电源噪声、接地回路干扰、信号线的不平衡等原因产生的。
  选择的运算放大器：尽量有高共模抑制比（CMRR >100dB）、低失调电压
  选择的电阻网络：精密匹配电阻（误差 ≤0.1%）

• 其中搭建运放电路的的时候，因为需要检测反向电流，所以需要使用差分放大电路或电平偏移，使ADC可测量负电压（如运放偏置至Vref/2）。

• 差分放大器电平便宜（基本功能电路）：
  

运放虚短和虚短：VOP- = VOP+ = VOP
节点TP1：
$$\frac{Vop-Vin2}{R4}+\frac{Vop-Vout}{R5}=0$$
节点TP2：
$$\frac{Vop-Vin1}{R1}+\frac{Vop-Vref}{R2}+\frac{Vop-0}{R3}=0$$
由两个式子可得：
$$Vout=\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R2\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}\ast \text{ Vref }$$
$$+\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R1\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}\ast \text{ Vin1}-\frac{R5}{R4}\ast Vin2$$
总结为：
$$Vout=A\ast Vref+B\ast (Vin1-Vin2)$$
其中:
直流偏置部分：
$$\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R2\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}\ast \text{ Vref }$$
差分放大部分：
$$\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R1\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}\ast \text{ Vin1}-\frac{R5}{R4}\ast Vin2$$
在FOC控制方式中，相电流偏置电压为$\frac{1}{2}Vref$，且为了由R4和R5控制放大比例，则有：
$$\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R2\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}=\frac{1}{2}$$
$$\frac{R4+R5}{R4}\ast \frac{1}{R1\ast \left(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\frac{1}{R3}\right)}=\frac{R5}{R4}$$
可得：R2=R3；R2 * R4 = 2R1 * R5 。通常R1 = R4；R2 = R3 = 2R5
即：
$$Vout=\frac{1}{2}\ast Vref+\frac{R5}{R4}\ast (Vin1-Vin2)$$
$$Vout=\frac{1}{2}\ast Vref+\frac{R5}{R4}\ast (R\ast I)$$

将参数带入
VREF=2.5V;
R5=16K;
R4=2K;
R=0.005R;
可求得：
当电流为-30A时,Vout=0.05V；
当电流为0A时,Vout=1.25V；
当电流为30A时,Vout=2.45V；

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初版原理图（后续修改后再更新）：