📚 课程目录第3章电流采样与重构

3. 电流采样与重构

任务目标

在FOC控制中，三相电流的准确获取是电流环控制的基础。本案例使用双电阻采样方案，在PWM周期内对两相下桥臂电阻的电流进行采样，并通过基尔霍夫定律重构第三相电流，最终验证重构精度。

实现原理

双电阻采样利用电机三相下桥臂串联的采样电阻，在一个PWM周期内，当某一相下桥臂导通时，该相电流流过采样电阻。由于任意时刻三相电流之和为零（星形连接且无中线），只需采样两相即可计算第三相：i_c = -(i_a + i_b)。采样时刻需避开PWM开关切换引起的电流振荡，通常在PWM计数器的特定点（如计数峰值或谷值）触发ADC采样。

关键代码

// 双电阻电流采样与重构 - 基于STM32 HAL库
#include "main.h"

// 采样电阻阻值(Ω)与放大电路增益
#define R_SHUNT         0.01f
#define AMP_GAIN        50.0f
#define VREF            3.3f
#define ADC_RESOLUTION  4095.0f

// 三相电流重构结果
typedef struct {
    float ia;   // A相电流(A)
    float ib;   // B相电流(A)
    float ic;   // C相电流(A)
} PhaseCurrents;

// 根据ADC原始值计算实际电流
static float adc_to_current(uint16_t adc_val, float offset_val) {
    float voltage = (adc_val / ADC_RESOLUTION) * VREF;
    float current = (voltage - offset_val) / (R_SHUNT * AMP_GAIN);
    return current;
}

// 双电阻采样重构 - 在PWM中断中调用
// adc_a: A相采样电阻ADC值, adc_b: B相采样电阻ADC值
// offset_a, offset_b: 零电流时的ADC偏移(校准值)
PhaseCurrents reconstruct_currents(uint16_t adc_a, uint16_t adc_b,
                                   float offset_a, float offset_b) {
    PhaseCurrents currents;

    // 采样时刻对应下桥臂导通，电流方向为流出电机
    currents.ia = adc_to_current(adc_a, offset_a);
    currents.ib = adc_to_current(adc_b, offset_b);

    // 基尔霍夫定律重构C相
    currents.ic = -(currents.ia + currents.ib);

    return currents;
}

// 验证函数：给定已知三相电流，模拟ADC采样并重构
void verify_reconstruction(void) {
    // 测试用例1：平衡三相电流
    float test_ia = 2.0f, test_ib = -1.0f, test_ic = -1.0f;

    // 模拟ADC转换（理想情况，忽略噪声）
    float va = test_ia * R_SHUNT * AMP_GAIN + VREF/2;
    float vb = test_ib * R_SHUNT * AMP_GAIN + VREF/2;
    uint16_t adc_a = (uint16_t)(va / VREF * ADC_RESOLUTION);
    uint16_t adc_b = (uint16_t)(vb / VREF * ADC_RESOLUTION);

    // 零电流偏移（此处设为VREF/2对应值）
    float offset_a = VREF/2 / VREF * ADC_RESOLUTION;
    float offset_b = VREF/2 / VREF * ADC_RESOLUTION;

    PhaseCurrents result = reconstruct_currents(adc_a, adc_b, offset_a, offset_b);

    // 计算重构误差
    float err_a = result.ia - test_ia;
    float err_b = result.ib - test_ib;
    float err_c = result.ic - test_ic;

    // 输出验证结果（通过串口或调试器观察）
    // 预期：err_a≈0, err_b≈0, err_c≈0
}

运行与验证

硬件连接：将电机三相线接入驱动器，A、B两相下桥臂串联采样电阻，采样电阻两端接入差分放大电路后连接ADC通道。
ADC触发配置：在PWM定时器中断中配置ADC注入组转换，触发时刻设为PWM计数峰值（此时下桥臂导通稳定）。
偏移校准：电机静止且所有下桥臂关断时，读取ADC值作为零电流偏移（代码中offset_a/offset_b）。
运行验证：调用verify_reconstruction()，通过调试器观察err_a、err_b、err_c变量。

通过条件：重构误差值小于满量程电流的2%（例如满量程10A时误差<0.2A）。若误差较大，检查采样时刻是否避开开关噪声、放大电路带宽是否足够、ADC偏移校准是否准确。

常见问题

采样点噪声：PWM开关瞬间电流振荡剧烈，需将采样点设置在开关动作后的死区时间之外，通常为PWM周期的中间点。
低调制比失效：当某相占空比接近0%或100%时，下桥臂导通时间过短，无法完成采样。此时需切换为其他采样策略（如单电阻或三电阻），或限制调制比范围。
ADC偏移漂移：温度变化会导致运放偏移漂移，建议在系统空闲时周期性校准。