1. 单电阻采样基础电路搭建

任务目标

搭建用于单电阻FOC（磁场定向控制）的直流母线电流采样电路，理解采样窗口与开关状态的对应关系，为后续相电压重构提供硬件基础。本案例完成的是采样电阻、运算放大器和比较器前端的最小可复现电路设计。

硬件组成与原理

单电阻采样利用逆变器下桥臂开关的不同导通组合，在直流母线串联采样电阻上产生与特定相电流成比例的压降。通过在一个PWM周期内选择两个不同的开关状态（即两个电压矢量）进行两次采样，即可重构出两相电流，第三相由基尔霍夫定律求得。

核心采样窗口发生在下桥臂开关导通、电流续流经过采样电阻的时间段内。采样点必须避开开关动作引起的振铃和死区时间，通常选择在PWM中心对齐计数的中点附近。

电路设计

采样电阻（R_sense）串联在逆变器下桥臂公共端与地之间。电阻两端电压经差分放大器放大后送入ADC。比较器用于产生采样触发信号，确保ADC在电流稳定窗口内采样。

_BUS+ Q1 Q2 Q3 电机（星形连接） Q4 Q5 Q6 R_sense 10mΩ GND 差分放大器 G=50 V_sense+ V_sense− 比较器 →ADC →PWM触发采样窗口：下桥臂导通期间

关键参数计算

设母线电压24V，电机峰值相电流10A。采样电阻功耗P = I²R = 10² × 0.01 = 1W，选用2W额定功率电阻。峰值采样电压V_sense = 10A × 0.01Ω = 0.1V。差分放大器增益取50，则ADC输入峰值电压为5V，匹配典型ADC参考电压。

采样时序要求

PWM周期内需保证最小采样窗口时间t_min。设PWM频率20kHz（周期50μs），ADC采样保持时间1μs，比较器响应时间100ns，则最小窗口约1.5μs。对应最小占空比d_min = 1.5/50 = 3%。当电压矢量作用时间低于此值时，该矢量对应的电流无法采样，需通过移相或插入零矢量补偿。

电路搭建步骤

在逆变器下桥臂公共端与地之间接入10mΩ/2W采样电阻，使用开尔文连接（四线制）减小引线电阻误差；
采样电阻两端差分接入仪表放大器（如INA240），增益设置为50，输出接ADC输入引脚；
将PWM中心对齐计数器的中点信号接入比较器，产生采样触发脉冲，确保采样发生在开关状态稳定后；
在放大器输出端并联100pF滤波电容，抑制开关噪声；
ADC采样率设置为PWM频率的两倍（40kHz），每次PWM周期采样两次，分别对应两个不同的电压矢量。


// 单电阻采样基础电路搭建 - 关键代码片段
// 假设使用STM32 + 定时器触发ADC采样

// 1. 定时器配置（PWM中心对齐模式，用于触发ADC）
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;

void MX_TIM1_Init(void) {
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 0;
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1;
    htim1.Init.Period = 1000 - 1;  // PWM频率 = 72MHz/(1000*2) = 36kHz
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

    // 配置三相互补PWM输出
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;  // 50%占空比初始值
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);

    // 配置触发输出（TRGO -> ADC）
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig);

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
    HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
}

// 2. ADC配置（单通道采样，由TIM1触发）
ADC_HandleTypeDef hadc1;
void MX_ADC1_Init(void) {
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_TRGO;
    hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;
    hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);

    // 采样通道（假设采样电阻电压接在ADC1_IN0）
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 3. 采样中断回调（在ADC转换完成中断中读取电流）
volatile uint16_t adc_raw_value = 0;
volatile float phase_current = 0.0f;

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        adc_raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // 转换为电流：I = (V_adc - V_offset) / (R_shunt * Gain)
        // 假设V_offset=1.65V, R_shunt=0.01Ω, Gain=10, ADC参考3.3V
        float voltage = (adc_raw_value / 4095.0f) * 3.3f;
        phase_current = (voltage - 1.65f) / (0.01f * 10.0f);
    }
}

// 4. 启动ADC采样（使能定时器触发）
void Start_Current_Sampling(void) {
    HAL_ADC_Start_IT(&hadc1);  // 使能ADC中断
    HAL_TIM_Base_Start(&htim1); // 启动定时器
}

验证方法

使用示波器测量采样电阻两端电压波形，确认在PWM周期内出现与开关状态对应的阶梯状电压。用电流钳对比采样电阻波形与真实相电流，确认幅值线性关系。在MCU中读取ADC值，通过串口输出，与万用表实测直流母线电流对比，误差应小于5%。

通过条件：在电机空载和带载两种工况下，ADC采样值换算后的电流与电流钳读数偏差均在5%以内，且波形无削顶或明显毛刺。

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