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无刷电机采用无感foc控制采样电阻选择
无刷电机采用无感foc 控制算法,核心问题之电流采样以及采样电阻选型问题。
在无感 foc 控制算法中,为了获取转子角度,目前比较常用的方式是通过采集两相的相
电流,由于单片机的adc 无法直接采集到电流,因此通过电流重构的方式来讲电流转换为电
压,由欧姆定律可知,电压与电流是呈现出正比例关系的,而单片机的 adc 是能够采集到电
压的,因此可以通过采集电压来实时反应电机的相电流。
如何将相电流转化为单片机能够采集到的电压,以及在 foc 中存在一个核心问题,因为
相电流是正弦的,那么必然存在 0 线以下的电流,也即是我们常说的负电流(如图 1 所示),
单片机的 adc 是无法分别带有矢量性质的电压,它只能采集标量性的电压,那么如何采集 0
线以下的电压
图 1.电机 U 相相电流
对于如何采集负电流,目前常用的手段是在这个信号上在叠加一个固定信号,由控制理
论中的知识可知,两个线性信号叠加所得到的信号依然是线性的,这就给我们实时采集相电
流提供了理论基础。(如图 2 所示)
图 2.两个线性信号
由以上的分析可知,理论上是完全可行的,那么另外一个信号如何选取呢,为了简便计
算,我们可以直接选定一个常数值 B 来叠加相电流,这种操作我们通常称之为改变基准线抬
高相电流。(如图 3 所示)
图 3.相电流叠加常值
在电机控制行业中,工程师们习惯将这个常值称呼为偏置电压。那么这个常值该怎么确
定呢,从上面的分析可以看出,我们要采集到准确的相电流就要求这个常值必须稳定。如果
你用普通的电阻分压的模式来做的话,如果源电压端受到干扰,那么这个输出就必然也受到
干扰,也就无法采集到准确的相电流了。最简单而又行之有效的方式就是用 LDO 芯片来降
压得到一个稳定的电压值,那么这个电压值选多少呢,0.5v?,0.8V? ,2V?还是什么
我们从图 3 中可以看出,如果 A 值选的过小会导致出现图中的突出部分,也就是电流
又跑到 0 线以下了,在结合图 4 可以看出如果 A 值选的过大,又会导致它超出 adc 的采集
范围,结合以上可以看出选择合理的常值 A 是非常重要的。
再看图 4 ,由初中知识可知,电流是基于点(k*pi/2 ,0)呈中心对称的,那么我将A 值
定为 adc 基准电压的一半岂不是完美解决这个问题,那么这里就出现了一个问题,这样做的
话会导致 adc 的可用范围变小为(A~adc_refVol),这就是搞foc 人常说的电流采样范围的问
题。
图4.偏置电压叠加相电压
那么如何把相电流转变成相电压呢,由基尔霍夫定律知道电流流过电阻就会在电阻两端
产生电势差,根据这一规律就可以设计电路了。
单片机采集电压有两种方式:a.单端采样,b.差分采样
单端采样方式采集到的电压并不准确,foc 无传感器控制方式,发 pwm 波需要准确角度
来发每一个角度对应的 pwm,因此对角度的准确性要求较高,往往采用差分采样的方式,
下方就是一个典型的差分采样电路,可以看到它的增益为10。
图5.电压差分采样电路
使用运放搭建差分采样电路时,放大增益有一定程度的要求,最好不要超过 10 倍,因
为放大倍数过大在放大有效电流的同时也会放大相应的杂波信号,很多时候需要对电流进行
一定程度的滤波,需要加 pi 型滤波网络。
下面详细讲解一下采样电阻的选择,由于电机的相电流是会流过它的,会有大电流流过,
需要采用功率电阻,考虑到散热以及准确性,需要采用较大封装的电阻,以及精密电阻
图 6.采样电阻示例
首先需要用电流钳来确定相电流的有效值
电流钳选择 10mv/A ,示波器中选择放大10 倍,可以看到示波器中 vmax = 336mv ,那么
换算下,最大电流即是 33.6A ,
假设你选择的采样电阻是 2 毫欧(及 R002),你的相电流最大值为 10A,由欧姆定律知
电压最大为0.002*10 = 0.02V ,经过差分电路放大10 倍也就是 0.2V ,加上偏置电压1.65v 最
终输出的即是 1.65v+0.2v =
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