浅析单电阻采样时序及具体实现

在对产品体积及成本有较高要求时，单电阻电流采样方案foc进入我们的视野。理论上，单电阻电流采样方案可以实现和二电阻、三电阻电流采样同样的效果，唯一美中不足的是，单电阻电流采样方案没办法实现高调制比，不过这并不影响单电阻电流采样方案的广泛应用。

本文从单电阻电流采样原理出发，深入分析相关理论及时序，并通过simulink仿真实现相关算法

1、单电阻采样原理

母线电流能够反映三相电流。

三相电桥示意图如下，电流采样电阻放在母线负端，电路工作在逆变工况时，可以将电路工作状态分为如下四种状态。

1.三个下桥导通，没有上桥导通

2. 二个下桥导通，一个上桥导通
3. 一个下桥导通，二个上桥导通
4. 没有下桥导通，三个上桥导通

其中电路工作在状态1、状态4时，没有电流流过采样电阻。

工作在状态2时，如上图，采样到的电流均流经U相上桥，此时的母线电流等于U相相电流。

工作在状态3时，如上图，采样到的电流为流经U相上桥、V相上桥的电流之和，由基尔霍夫定律，Iu + Iv + Iw = 0; 可得此时的母线电流等于负的W相相电流。

工作在状态3时，如上图，采样到的电流为流经U相上桥、V相上桥的电流之和，由基尔霍夫定律，Iu + Iv + Iw = 0; 可得此时的母线电流等于负的W相相电流。

当三相电流中的两相电流能够采样得到后，第三相波形可以通过基尔霍夫定律重构。

对开关状态的划分可以再详细一点，整理所有上下桥开关状态下，母线电流与相电流的关系。参照上表(表格来自microchip应用笔记AN1299，文末给出下载方式)

**2、**单电阻采样时序

2.1、单电阻采样时序

上文分析了单电阻采样的原理，以下内容讨论如何协同采样时刻和foc计算。

选择第一个采样点为每一个pwm周期导通时间最短的一相上桥关闭后延时若干个时钟(大于下桥臂导通延时)后的时刻。上图figure2中黄色信号时刻。

选择第二个采样点为每一个pwm周期导通时间第二短的一相上桥关闭后延时若干个时钟(大于下桥臂导通延时)后的时刻。上图figure2中红色信号时刻。

上图中figure1为三相上桥驱动波形，figure2为触发采样信号，每个pwm周期中前两个有效，figure3为母线电流信号，figure4为pwm计数器信号。

电流采样在每个pwm周期中，计数方向为向上计数的半个周期进行，计数到周期值后触发pwm更新事件中断，执行foc计算，电流采样中断优先级高于pwm更新时间中断。

考虑到实际adc采样需要一定的时间，三相pwm占空比中其中两相占空比非常接近时(有效导通时间过小)，将导致采样失败，此时需要通过补偿来增加有效导通时间

2.2、补偿最小采样时间

如上图figure2，在svpwm扇区切换的时候，两相占空比几乎一样，有效导通时间小于单片机adc采样时间，此时必须补偿导通时间。

此处的补偿其实容易理解，我们的电流采样总是在pwm计数器上计数的时候触发，要保证采样时有足够的采样时间，只需要当两相占空比非常接近时，把占空比较大的一相加大即可，同时为了保证电压矢量大小不变，在pwm计数器下记数时，减去之前增加的时间。

实现方法为在pwm计数器计数到0和周期值时都触发pwm事件更新中断，当中断为下溢中断时，判断三相占空比之差，相差过近则增加占空比，并置标志位，上溢中断时判断标志位，标志位有效则减小相关相占空比。

补偿后波形如上图。其中figure1为三相上桥驱动波形，figure2为三相占空比大小。

2.3、系统时序

完成实现过程分析后，我将单电阻电流采样foc分为以下4个模块

1. 电流采样模块
2. 电流重构模块
3. foc计算模块
4. 移相补偿模块

4个模块时序关系如上图，其中：

1. figure1为pwm计数器；
2. figure2黄蓝红波形为三相电流采样触发信号，绿色波形为电流重构模块执行时刻；
3. figure3为foc计算模块执行时刻；
4. figure4为移相补偿模块执行时刻。

放大波形如上。

1. pwm计数器下溢时刻判断占空比大小，有需要的话进行补偿；
2. pwm计数器上计数过程中完成两相电流采样；
3. pwm上溢时刻进行电流重构，得到三相电流；
4. 得到三相电流后执行foc计算；
5. 完成foc计算后再次更新占空比，消除移相补偿造成的电压矢量误差。

3、单电阻采样具体实现

根据上述分析做出simulink仿真。

仿真中各个模块都尽量使用matlab程序实现，易于阅读，文末给出仿真模型的下载方式。

运行仿真，观查相间采样电流(上)和单电阻采样电流(下)结果，可见波形基本一样，美中不足的是单电阻采样电路在扇区切换时，因为采样点相对pwm周期的时刻发生变化，能看出受纹波电流的影响，单电阻采样电流存在畸变。

使用单电阻采样电流替换相间采样电流，引入环路，环路运行正常，与使用相间采样电流运行结果一致。