4. 单电阻采样原理：采样窗口与PWM占空比的约束关系

单电阻采样，说白了就是只用一个电流传感器，把三相电流都测出来。很多低成本方案都在用，但坑也不少。我最早接触这个方案时，觉得挺简单——一个电阻加个运放就搞定，省成本嘛。结果调试时发现，采样时机不对，电流波形全是毛刺，根本没法用。

为什么会这样？因为单电阻采样的核心，是利用不同开关状态下母线电流的流向，重构出三相电流。你想想看，电机三相电流之和为零（星形连接），理论上测两相就能算出第三相。但单电阻只测母线电流，那就得靠PWM开关状态来“分时”采样。

4.1 单电阻采样的基本原理

先看一个典型的单电阻采样电路。直流母线上串联一个采样电阻，运放放大后送ADC。当逆变器开关管动作时，母线电流会依次反映不同相的电流。

具体来说，当某一相的上管导通、下管关断时，该相电流会流过母线。如果两相上管同时导通，母线电流就是这两相电流之和。利用这些关系，再加上三相电流之和为零，就能解方程了。

我习惯把采样时刻分成三种情况：

• 单相导通区：只有一相上管导通，母线电流直接等于该相电流
• 两相导通区：两相上管导通，母线电流等于这两相电流之和
• 三相导通区：三相都导通或都关断，母线电流为零（无效区）

实际应用中，我们主要利用前两种区域。但问题来了——这些区域存在的时间窗口，完全由PWM占空比决定。

4.2 采样窗口与PWM占空比的约束

这里有个关键约束：采样窗口必须足够宽，才能让ADC稳定采集。ADC需要建立时间，运放也有压摆率限制，再加上开关管导通瞬间的振荡，这些都会吃掉采样窗口。

我记得有一次调试，PWM频率设到20kHz，占空比在50%附近时采样正常。但一旦占空比接近0%或100%，电流波形就开始跳变。查了半天，发现是采样窗口太窄，ADC还没稳定就被关掉了。

那么，采样窗口到底需要多宽？我一般按这个经验值来估算：

参数	典型值	说明
ADC采样时间	0.5~1 μs	取决于ADC时钟和采样电容
运放建立时间	0.2~0.5 μs	运放带宽越高，建立越快
开关管振荡时间	0.3~0.8 μs	死区时间和振铃
最小安全窗口	1.5~2.5 μs	建议留余量

这个最小窗口对应到PWM占空比上，就是占空比的上下限。假设PWM周期为50μs（20kHz），那么占空比必须满足：

D_min >= T_window / T_pwm = 2.5 / 50 = 5%
D_max <= 1 - T_window / T_pwm = 95%

也就是说，占空比只能在5%~95%之间才能可靠采样。超出这个范围，要么采样窗口不够，要么根本采不到。

4.3 采样时序的三种策略

面对占空比约束，业界有几种常见的采样策略。我按自己的理解排了个优先级：

1. 中心对齐PWM + 双采样：在PWM周期的两个对称点采样，利用平均值抑制噪声。这是我最常用的方法，适合大多数应用。
2. 边沿对齐PWM + 单采样：只在PWM周期的固定时刻采样，实现简单，但抗噪性差一些。
3. 移相PWM + 多采样：通过移相制造额外的采样窗口，适合占空比极端的情况。但实现复杂，我一般只在必要时用。

我个人习惯用中心对齐PWM，因为它天然在载波波峰和波谷处产生对称的采样点。这两个点的电流值理论上相等，取平均后能抵消一部分开关噪声。

4.4 占空比极限区域的应对方法

当占空比接近0%或100%时，单电阻采样会失效。这时候怎么办？我分享几个实战经验：

• 强制插入最小占空比：在占空比指令上做限幅，比如限制在5%~95%。代价是牺牲了一点电压利用率。
• 使用电流重构算法：当采样窗口不足时，用上一周期的电流值做预测。我试过，效果还行，但动态响应会变差。
• 切换到双电阻或三电阻采样：如果硬件支持，可以在低占空比时切换采样模式。不过这会增加硬件成本。

4.5 单电阻采样的核心逻辑图

下面这张图总结了单电阻采样的工作流程和约束关系。我画图时习惯把关键路径标出来，方便调试时快速定位问题。

4.6 实战中的几个坑

最后聊几个我踩过的坑，希望能帮你少走弯路：

• 采样点选在开关管切换瞬间：这时候电流振荡最大，ADC采到的全是噪声。我建议采样点选在PWM周期的中间位置，避开切换时刻。
• 忽略死区时间的影响：死区时间内所有开关管都关断，母线电流为零。如果采样窗口落在死区里，采到的就是0。我习惯在软件里把死区时间从采样窗口中扣除。
• ADC采样电容充电不足：采样窗口太窄时，ADC内部的采样电容来不及充满，导致转换结果偏小。我一般会在ADC前加一级缓冲器，或者降低ADC输入阻抗。

嗯，单电阻采样就是这样——原理不复杂，但细节决定成败。只要把采样窗口和占空比的约束关系搞清楚，大部分问题都能提前规避。