無刷直流電機矢量控制技術：單電阻采樣-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-09-16
無刷直流電機的矢量控制中，采用分流電阻進行三相電流采樣是一種經濟成本較低、應用較成熟的方案，因此在很多低成本產品中應用十分廣泛。
分流電阻方案的整體思路是在下橋臂或地線上串聯分流電阻，通過運放和控制器AD進行測量，獲取電機三相電流。根據使用的電阻數量，分流電阻方案可分為三電阻采樣、兩電阻采樣和單電阻采樣，每種方案都有各自的優點和缺陷。本文主要介紹單電阻采樣方法。
單電阻采樣原理如圖1中所示。在DC-AC變流器的地線上串聯分流電阻，電阻電壓信號用運算放大器放大之后輸入到MCU的AD引腳，實現電流信號采樣。
圖1 單電阻電流檢測電路
該方案通過單個電阻實現三相電流采樣，因此在采樣時間上有特定要求，需要在一個PWM周期內連續采樣兩次，然后通過計算才能得到三相電流。
以三相調制為例（還有兩相調制，原理稍有區別），根據相位θ將UVW三相驅動波形分為6個區段，如圖2中所示。
圖2 三相驅動波形和區段的關系
以區段1為例，三相電流的采樣和計算方法如圖3中所示。區段1中，一個PWM周期內三角載波與調制波比較結果（即PWM輸出信號）共有4種組合：
（UVW）：（000），（100），（110），（111）
其中0表示上橋臂關斷，下橋臂導通；1表示上橋臂導通，下橋臂關斷。
圖3 區段1采樣時間示意
當輸出PWM為（110）時（A采樣點），系統電流如圖4中所示，此時分流電阻的電流為-IW；當輸出PWM為（100）時（B采樣點），系統電流如圖5中所示，此時分流電阻的電流為IU。根據IU+IV+IW=0，可以求得IV的值。
圖4 A采樣點電流示意
圖5 B采樣點電流示意
按照區段1的原理，各區段的測量電流為：
實際在MCU中實現單電阻采樣算法時，大體遵循以上思路。其中的難點在于每次AD采樣的執行需要持續一定的時間，按照圖3所示的采樣原理，若UVW三相或某其中兩相的PWM占空比大小比較接近，則無法有足夠的時間窗口采集到正確的數值。
因此在實際應用中，需要考慮到AD采樣時長與PWM輸出連續變化二者之間的矛盾。針對這個問題，也產生了不止一種解決思路，采用stm32-HAL庫給出的解決思路，該方案的代碼量較大，涉及了較復雜的中斷操作，主要是ADC中斷和定時器中斷時間的配合，以及采樣時間點和采樣結果的計算和補償。
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