📚 课程目录第3章电流采样与调理电路设计

3. 电流采样与调理电路设计

任务目标

设计一个用于无感FOC控制器的相电流采样与调理电路，将电流传感器输出的差分信号经过放大、偏置和滤波后，送入MCU的ADC引脚。要求电路能够将双极性电流信号（例如±10A）映射到ADC的0~3.3V输入范围，并保证信号带宽满足FOC控制环的需求。

电路方案与关键参数

采用INA240（或等效的高共模差分放大器）作为电流检测放大器，搭配采样电阻（分流电阻）。INA240的输出为以基准电压（VREF）为中心的电压信号，可直接适配单极性ADC。

设计规格：

分流电阻：R_shunt = 1 mΩ（功率≥2W，低感）
检测电流范围：I_max = ±10A
INA240增益：G = 100 V/V（A3版本）
基准电压：V_REF = 1.65V（由MCU的3.3V分压或精密基准源提供）
ADC输入范围：0 ~ 3.3V

信号链路计算：

最大差分输入：V_diff,max = I_max × R_shunt = 10A × 1mΩ = 10mV
放大器输出摆幅：V_out = V_REF ± (V_diff × G) = 1.65V ± 1.0V → 0.65V ~ 2.65V
ADC利用率：(2.65 - 0.65) / 3.3 ≈ 60.6%，满足FOC采样精度要求

完整电路原理图

// 电流采样调理电路（单相为例，三相重复此结构）
// 电源：AVDD=3.3V, AGND

// 分流电阻与INA240连接
R_shunt (1mΩ) 串联于电机相线低端（或高端）
  IN+ ── R_shunt 高端 ── 电机相线
  IN- ── R_shunt 低端 ── 功率地（PGND）

// INA240A3 (增益100)
U1 INA240:
  VCC   → 5V（或3.3V，需确认共模范围）
  GND   → AGND（与PGND单点连接）
  IN+   → 分流电阻高端
  IN-   → 分流电阻低端
  REF   → VREF_1V65（来自分压电阻）
  OUT   → 至RC滤波器

// 基准电压生成（1.65V）
R1 10kΩ: 3.3V ── R1 ──┬── R2 10kΩ ── AGND
                       └── C1 100nF ── AGND
                       节点 = VREF_1V65

// 输出RC低通滤波器（抗混叠）
R3 100Ω: INA240_OUT ── R3 ──┬── C2 1nF ── AGND
                             └── ADC_CHx（MCU引脚）

// ESD/过压保护
D1 (BAT54S): ADC_CHx ── D1 ── 3.3V（钳位到3.3V+0.3V）
             ADC_CHx ── D2 ── AGND（钳位到-0.3V）

PCB布局关键要点

分流电阻采用四线开尔文连接，避免走线电阻引入误差
INA240的IN+和IN-走线应紧贴且等长，减少差分噪声拾取
REF引脚走线远离功率开关节点，避免耦合干扰
RC滤波器靠近MCU的ADC引脚放置
模拟地（AGND）与功率地（PGND）在分流电阻的采样点处单点连接

ADC配置与采样验证

以STM32G4系列为例，配置ADC1注入组通道，采样时间设为最大（如 47.5 周期），触发源选择定时器（与PWM同步）。

// ADC初始化（STM32 HAL库示例）
void ADC_Init(void) {
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
    hadc1.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_TRGO;
    hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;
    hadc1.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN;
    hadc1.Init.SamplingTimeCommon = ADC_SAMPLINGTIME_47CYCLES_5;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);

    // 配置采样通道（假设PA0为ADC1_IN1）
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLINGTIME_47CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 读取ADC值并转换为电流
float ReadPhaseCurrent(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
    uint16_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    // 反算电流：I = (Vout - VREF) / (G * Rshunt)
    float vout = (adc_val / 4095.0f) * 3.3f;
    float current = (vout - 1.65f) / (100.0f * 0.001f);
    return current;
}

验证方法与判定标准

静态验证：

不连接电机，给电路上电，用万用表测量INA240输出引脚，应等于V_REF（1.65V ± 10mV）。
用信号发生器在分流电阻两端注入10mV直流差分信号（或直接通入1A直流电流），测量输出应为1.65V + 1.0V = 2.65V（对应+1A）。

动态验证：

连接电机并运行FOC开环控制（低速），通过调试器实时读取ADC采样值。
在电机相线上串联电流探头（示波器），对比ADC换算电流与探头读数。
判定标准：在±5A范围内，ADC换算电流与探头读数误差 ≤ 2% 满量程（即 ≤ 0.2A）。

常见问题排查：

若输出始终接近0V或3.3V，检查REF引脚电压是否为1.65V，以及INA240供电是否正常。
若输出噪声过大（>50mV峰峰值），检查RC滤波器是否生效，以及AGND/PGND是否单点连接。
若ADC读数在电流为0时偏移超过±20mV，需校准VREF分压电阻精度（使用0.1%精度电阻）。