FOC 电流采样方案对比(单电阻/双电阻/三电阻)

本文详细探讨了电流采样在FOC算法中的重要性,比较了单电阻、双电阻和三电阻三种采样方案的成本、算法复杂度,并介绍了ST和TI的实例。重点讲解了三电阻采样如何避免窗口时间,以及单电阻采样中SVPWM开关状态下的电流重构。

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原文:https://www.cnblogs.com/unclemac/p/12783352.html

文章目录

1 电流采样的作用

在FOC算法中,电流采样在反馈环节是相当重要的一部分,无论是有感FOC,还是无感FOC,相电流是交流三相同步电机在进行坐标变换的关键,最终通过SVPWM实现电机转子磁场和定子磁场的同步转动,通常这里有三种方案,单电阻采样,双电阻采样,三电阻采样,关系到整体系统的成本,算法的复杂程度和最终运行的效果,这里需要更加项目的具体需求进行选择。本文参考ST的单电阻和三电阻采样以及TI的双电阻采样,还有microchip的资料,结合实际中可能需要注意的地方进行总结分析。

几种电流采样方案的对比;

电流采样成本算法
单电阻复杂
双电阻适中适中
三电阻简单

2 硬件架构

硬件上的设计通常是采集三相电流,通过运算放大器加偏置电压,这样可以就可以采集正负电流,最终在MCU中处理的时候减去偏置电压就行,以Infineon XC167CI SK Board单电阻的方案为例子,具体电路拓扑图如下;
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下面是TI C2000 的方案
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AP1608410 原文链接
运算放大器
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3 采样关键

采样的关键是需要在三相逆变器高端关闭,低端打开的情况下进行采样,这是整体的采样点。因此,采样会存在窗口时间,因为ADC转换完成需要一定数量级的时间,也就是说,在ADC转换完成之前,桥低端是不能关闭的,在这里,双电阻和单电阻采样需要考虑窗口时间的限制,而三电阻采样则不存在窗口时间(PWM占空比接近100%),可以根据SVPWM当前所在象限,进行分类,只需要采集其中不受窗口时间限制的两相电流,然后根据 Ia+Ib+Ic=0I_{a}+I_{b}+I_{c} = 0Ia​+Ib​+Ic​=0,进行电流的重构。

4 采样方案

电流采样比较关键的地方主要是硬件的设计和采样点的设置,这里在后面会涉及到通过相应的触发信号去通知ADC进行电流采样,最后进行电流重构。

5 三电阻采样

TI的三电阻采样
在这里插入图片描述

5.1 三电阻采样点

正如前面所提到的三电阻采样可以避免窗口时间,如下图所示;在不同扇区需要采样的相电流,可以看到,共同点是避免去采样PWM占空比接近100%的那一相电流。
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可以参考一下ST的电机库的做法,通过TIMER_CH4作为ADC采样的触发信号,而采样则可以通过修改TIM_CCR4寄存器去改变采样点,相当灵活的做法;
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5.2 双电阻采样

双电阻采样无法避免窗口时间,所以需要限制最终PWM的占空比,为ADC转换预留足够的时间;
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5.3 双电阻采样点

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5.4 单电阻采样

单电阻采样需要在一个PWM周期内进行两次采样,下面需要在SVPWM六个扇区进行相电流的分类,这里可以对SVPWM的原理进行分析,从而了解如何对电流进行重构;单电阻的电路结构如下图所示;
在这里插入图片描述
为了便于理解整个采样的过程,为了表示逆变器的开关管的状态,
Sa表示A相的上下管,同理Sb表示B相的上下管;
这里规定:
Sa = 1表示上管导通,下管断开;
Sa = 0表示下管导通,上管断开;

SbSc以此类推;

5.4.1 Sa Sb Sc:100

在这里插入图片描述

5.4.2 Sa Sb Sc:110

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5.4.3 SVPWM的开关状态

开关状态AHBHCH电流
00000
1100IAI_{A}IA​
2110−IC-I_{C}−IC​
3010IBI_{B}IB​
4011−IA-I_{A}−IA​
5001ICI_{C}IC​
6101−IB-I_{B}−IB​
71110

因此,单电阻采样,需要在一个PWM周期内进行两次采样;具体如下图所示;
在这里插入图片描述
图中的SAL,SBL,SCL分别对应整流桥的下管,因此在一个周期内分别进行了Sample 1Sample 2这两次采样,对照上表可以推出;

  • Sample 1:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:101==>SAH SBH SCH:010,此时采样电流为 IBI_{B}IB​;
  • Sample 2:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:100==>SAH SBH SCH:011,此时采样电流为 −IA-I_{A}−IA​;

原理搞清楚之后,下面要注意的地方还有两点采样点的确认和窗口时间的限制;

5.4.4 ST方案

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6 总结

本文介绍和对比了三种电流采样方案,简单给出了需要注意的地方,由于本人能力有限,文中难免出现错误和纰漏,请大佬不吝赐教。

7 附录

microchip 资料汇总
TI 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design

### FOC电流采样中的双电阻方法及其原理 在永磁同步电机(PMSM)的控制中,磁场定向控制(Field-Oriented Control, FOC)是一种广泛应用的技术。为了实现精确的FOC算法,准确获取电机相电流至关重要。 #### 双电阻采样的基本概念 双电阻采样是指通过两个独立放置于逆变器下桥臂末端的分流电阻来测量两相电流的一种方式[^1]。这种方法能够提供足够的信息用于计算第三相电流,因为根据基尔霍夫定律,在任何时间点流入节点的总电流等于流出该节点的总电流之和。 #### 工作机制 当采用双电阻配置时,每个电阻分别位于不同相位线路上方的地线上。由于这些位置处于低侧开关旁边,因此可以避免高压共模噪声干扰问题,从而提高了信噪比(SNR)[^2]。具体来说: - 当某一时刻只有特定的一组上下桥臂导通时,比如PWM1H、PWM2L 和 PWM3L 导通,则此时可以通过检测对应支路中的分流电阻两端压降得到实际流过的瞬态电流值。 - 对应到具体的物理现象就是:如果观察者站在地电平视角看过去,会发现经过这两个分流电阻上的电压呈现出带有正负极性的交流特性——即所谓的“带正负信号”的正弦波形;而后续连接在此之后的操作放大器(OPA)则负责对该原始信号做进一步处理,例如将其偏移至安全范围内并适当放大以便AD转换器读取。 #### 数学描述与实施细节 假设已知某一时段内某个半周期内的工作状态,如T2期问PWM2L 和PWM3L有效且PWM1H也同时开启的情况下,那么就可以利用此时间段内的数据推算出其他时段的数据变化趋势。对于这种情况下的电流IA而言,其表达式可表示如下: \[ I_A(t)=\frac{V_{R_1}(t)}{R} \] 这里\( V_{R_1}\)代表第一个分流电阻两端产生的差分电压,\( R\)则是所选分流电阻的具体阻值大小。值得注意的是,尽管上述公式仅针对单一情况进行了说明,但在整个调制过程中,随着不同的功率器件交替开通关闭,最终形成的连续波形便构成了完整的三相电流图像[^3]。 ```python def calculate_current(voltage_across_resistor, resistance_value): """ 计算基于给定电阻两端电压测得的实际电流 参数: voltage_across_resistor (float): 测量所得电阻两端电压(V) resistance_value (float): 使用的标准分流电阻欧姆数(Ω) 返回: float: 实际流过电阻的电流(A) """ current = voltage_across_resistor / resistance_value return current ```
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