3. 电流采样与调理：三相电流采样方案与抗干扰实战

电流采样是FOC控制环路的“眼睛”。眼睛看不清，后面PID调得再好也没用。我这些年调试过的电机驱动板，少说也有几十款，出问题最多的往往不是算法，而是电流采样这一关。

今天咱们就把电流采样这事儿彻底聊透。从硬件方案选型，到运放电路设计，再到噪声分析与滤波，一步不落。

3.1 三相电流采样方案对比

先看三种主流方案：单电阻、双电阻、三电阻。说白了就是“用几个采样电阻、在什么时候采”。

3.1.1 单电阻采样

单电阻采样只在直流母线上放一个采样电阻。它的原理是：任意时刻，流过母线的电流等于正在导通的那一相或两相的电流之和。通过在不同PWM状态下采样，可以重构出三相电流。

听起来很巧妙对吧？但坑也不少。

单电阻的采样时刻需要精确控制。一般是在PWM周期的中间点，或者两个相邻开关状态切换时。我习惯用中心对齐PWM，这样采样窗口最宽。

3.1.2 双电阻采样

双电阻采样是目前最主流的方案。两个采样电阻分别放在A相和B相的下桥臂，C相电流通过Ic = -(Ia + Ib)计算得到。

为什么是双电阻？因为两相电流就能重构出第三相，而且不需要像单电阻那样依赖PWM状态。采样窗口更宽，噪声更小。

我个人的经验是：双电阻采样配合差分运放，是性价比最高的组合。大部分工业伺服驱动器都在用这个方案。

3.1.3 三电阻采样

三电阻采样每相一个采样电阻，直接测量每相电流。精度最高，但成本也最高。三个运放、三个ADC通道，PCB面积也大。

什么时候必须用三电阻？低电感电机、高速运转、或者对电流纹波要求极高的场合。比如机器人关节伺服，我就见过不少用三电阻的。

3.2 运放电路设计

采样电阻上的电压通常只有几十毫伏到几百毫伏，MCU的ADC根本没法直接采。必须用运放放大。

运放电路的核心指标就三个：增益、带宽、共模抑制比。

3.2.1 差分放大 vs 单端放大

我强烈建议用差分放大。为什么？因为电机驱动回路里，地平面噪声非常大。单端放大会把地噪声一起放大进去，信噪比惨不忍睹。

差分运放只放大采样电阻两端的压差，对共模噪声有天然的抑制能力。我常用的运放型号是INA240和AD8418，都是专门为电流检测设计的差分放大器。

3.2.2 偏置与电平转换

电机电流是双向的（正转和反转），但MCU的ADC只能采0~3.3V。所以需要把双极性信号转换成单极性信号。

我常用的做法是：给运放加一个1.65V的偏置电压。这样0A对应1.65V，正向电流对应1.65V~3.3V，反向电流对应0V~1.65V。

// 运放输出与电流的关系
// Vout = 1.65V + I * Rshunt * Gain
// 假设 Rshunt = 0.01Ω, Gain = 50
// 那么 1A 电流对应 Vout = 1.65 + 1*0.01*50 = 2.15V
// -1A 电流对应 Vout = 1.65 - 1*0.01*50 = 1.15V

3.2.3 采样电阻选型

采样电阻的阻值不能太大，否则发热严重；也不能太小，否则信噪比不够。

我一般按这个原则选：在最大电流时，采样电阻上的压降不超过100mV。比如最大电流10A，那电阻选0.01Ω，压降100mV。然后运放增益设50倍，输出满量程5V（配合3.3V ADC时再分压或选合适增益）。

3.3 采样噪声分析与滤波

采样噪声是FOC控制的大敌。噪声会导致电流环抖动、速度环震荡，甚至电机啸叫。

3.3.1 噪声来源

我总结了一下，噪声主要来自三个方面：

• 开关噪声： MOSFET开关瞬间产生的尖峰，频率和PWM一致
• 地弹噪声： 大电流流过地平面时产生的电压波动
• 共模噪声： 电机三相之间的耦合干扰

你想想看，PWM开关频率20kHz，开关边沿的上升时间只有几十纳秒。这个尖峰如果直接进ADC，采样值肯定不准。

3.3.2 硬件滤波

硬件滤波是最直接的手段。我一般在运放输出和ADC输入之间加一个一阶RC低通滤波器。

截止频率怎么选？我习惯设在PWM频率的1/10左右。比如PWM是20kHz，RC截止频率就设在2kHz。这样既能滤掉开关噪声，又不会让电流信号失真太多。

// RC滤波器截止频率计算
// fc = 1 / (2 * π * R * C)
// 取 R = 1kΩ, C = 100nF
// fc = 1 / (2 * 3.14 * 1000 * 100e-9) ≈ 1.59kHz

3.3.3 软件滤波

硬件滤波之后，软件上还得再处理一层。我常用的软件滤波方法有：

• 均值滤波： 连续采4~8次取平均，简单有效
• 中值滤波： 对突变噪声有很好的抑制效果
• 一阶低通滤波： 类似硬件RC，用软件实现

我个人最常用的是一阶低通滤波 + 均值滤波的组合。先做一次均值滤波去掉随机噪声，再做一阶低通平滑波形。

// 一阶低通滤波实现
float current_filtered = 0.0f;
float alpha = 0.2f;  // 滤波系数，越小越平滑

float lowpass_filter(float raw_current) {
    current_filtered = alpha * raw_current + (1 - alpha) * current_filtered;
    return current_filtered;
}

3.3.4 采样时序与PWM同步

这个点特别重要，我专门拿出来说。ADC采样时刻必须和PWM同步。

为什么？因为开关噪声只在开关边沿附近出现。如果我们在PWM的中间点采样，正好避开了噪声最严重的时刻。

我习惯用MCU的定时器触发ADC采样。在PWM定时器的计数器等于周期值的一半时，触发ADC开始转换。这样采到的电流值最干净。

3.4 本章知识体系总览

下面这张图把电流采样与调理的完整链路画出来了。从采样电阻到运放，再到滤波和ADC，每一步都有讲究。

这张图把整个电流采样链路串起来了。从方案选型到运放设计，再到噪声滤波，每一步都环环相扣。你只要按照这个链路走，电流采样这块基本不会出大问题。