三相电流采样——三电阻方案：采样窗口与时序约束

前置阅读《电流环 PI 的离散化——从连续域设计到代码实现》——PI输出的代码实现是integralKi*error*Ts其中errori_ref-i_fb。这篇的任务解释上面那个i_fb反馈电流是怎么从PMSM的三根相线上获取的以及为什么不能在任意时刻采样。1.一个核心问题电流环FLOW的前半段PMSM相电流ia,ib,ic→采样电阻运放→ADC数字量→电流数字值i_fb→PI算误差如果ADC读到的电流值本身就是错的后面PI、坐标变换全白搭。所以问题来了——在SVPWM驱动的三相桥里什么时候测才能测到真实的相电流直觉答案逆变桥输出的就是PWM方波但电机绕组是感性负载相电流被电感滤成近似正弦——既然电流是平滑的那随时采样不就行了不对。三电阻采样的精度取决于采样电阻两端的共模电压在采样那一刻是否稳定。2.三电阻采样的物理原理2.1电路结构常用的三电阻采样有两种电阻接法。其中一种是相线串联方案——采样电阻Rshunt串联在逆变桥输出端与电机绕组之间另一个常见方案是低端串联——采样电阻串在每个下管MOSFET的源极和GND之间电流只在下管导通时流经电阻。两种方案的采样窗口逻辑不同相线串联低端串联电流流过电阻的时刻始终流过仅下管导通时采样的限制因素共模电压跳变后运放需稳定时间没有下管导通就测不到运放要求高共模抑制比CMRR低共模电压要求低以下以相线串联方案展开——因为我目前板子的架构是这个也是目前很多驱动板的选择。2.2为什么还是要在零矢量区间采样相线串联下电流始终流过Rshunt那是不是随时都能采问题出在采样电阻两端的共模电压上。电机相线上的电压随着PWM开关在Vin和GND之间跳变。每次MOSFET通断Rshunt两端的共模电压突然变化后级的差分运放需要时间从这种跳变中恢复。回到SVPWM驱动的7段时序000─→100─→110─→111─→110─→100─→000在000下管全通或111上管全通期间没有MOSFET发生开关动作三相共模电压都稳定在GND或Vin——这是采样窗口。在100/110等主动矢量期间每隔一段就有一个MOSFET切换边沿共模电压在跳变——运放输出在振铃稳定之前不可信。所以采样窗口仍然是零矢量区间但原因不是”有没有电流”而是”共模电压是否稳定”。这个区别很重要在相线串联方案里采样窗口的限制不是来自”能不能测到电流”而是来自”运放能不能在开关噪声中给出精确读数”。3.采样窗口的量化计算3.1T0与调制比的关系定义SVPWM调制比M即电压利用率MV_实际输出/V_SVPWM最大线性输出SPWM最大线性输出Vdc/2→电压利用率50%SVPWM最大线性输出Vdc/√3→电压利用率57.7%M归一化到SVPWM极限M0~1主动矢量总时间T1T2M·TsT0Ts−(T1T2)(1−M)·Ts7段式把T0切成三段T0/4、T0/2、T0/4中间一段长度T0/2——最长连续安静窗口T0/2(1−M)·Ts/220kHz,Ts50μs下一目了然MT0/20.122.5μs0.512.5μs0.77.5μs0.85.0μs0.92.5μs0.951.25μsM越大窗口越短。M0.9时窗口开始紧张M0.95时基本不够用。3.2ADC需要多长时间基于STM32G474为170MHz系统时钟ADC时钟配到~42.5MHz/4ADC时钟周期:23.5ns采样保持时间:10.5个时钟≈250ns12位转换时间:12.5个时钟≈294ns单通道总耗时:~0.54μs如果两个ADC同步采样ia一路ib一路并发总耗时还是~0.54μs。对比T0/2最短也是微秒级——ADC几乎不构成约束。3.3真正的瓶颈运放建立时间每次MOSFET切换采样电阻两端的共模电压从GND跳变到Vin或反向。后级差分运放需要时间从这个跳变中恢复输出稳定到0.1%精度。这个建立时间取决于运放的带宽和压摆率。典型电流检测运放如INA240、TSV991等共模跳变幅度:12V~48V取决于你的母线电压运放建立时间:1~3μs到0.1%精度这才是采样的真实瓶颈。ADC转换只要0.5μs但运放要等1~3μs才能输出稳定信号。3.4现实约束ADC触发必须在零矢量段开始、运放稳定之后从零矢量段开始大约有(T0/2−运放建立时间)可用。M0.9时T0/22.5μs减去2μs建立时间还能塞下一次ADC转换。M0.95时T0/21.25μs——来不及。注意一个反直觉的点提高PWM频率帮不了你。40kHz下Ts25μsT0/212.5·(1-M)μs——窗口比例不变但绝对时间进一步缩短运放建立时间还是2μs跑不掉。4.结论三句话总结第一采样窗口零矢量区间。相线串联方案中电流始终流经采样电阻但每次MOSFET切换后共模电压跳变运放需要时间稳定。零矢量区间没有开关动作是唯一保证共模电压稳定的时段。第二窗口随调制比M增大而缩短。T0/2(1−M)·Ts/2M0.8时还有5μsM0.95时只剩1.25μs。第三瓶颈在运放不在ADC。ADC转换只要~0.5μs但运放建立要1~3μs。提高PWM频率反而让窗口更短。