电流采样原理：相电流与母线电流的采样方法及误差来源

做电机控制，电流采样是第一步，也是最容易出问题的一步。我见过不少工程师，算法写得漂亮，结果一上电就炸管，查到最后发现是电流采样不准。说白了，你喂给控制器的电流信号本身就是错的，那后面算出来的角度、速度、转矩，全都会跑偏。

这一节，我们就把电流采样这件事彻底讲透。我会从最常用的采样方法讲起，然后重点聊聊那些让你头疼的误差来源。嗯，这些都是我在项目里踩过的坑，今天一并倒出来。

相电流采样，就是直接测量流过电机三相绕组的电流。常用的方案有三种，我列个表给你对比一下：

我个人习惯，只要 PCB 空间允许，优先用三电阻采样。为什么？因为它的采样窗口最宽，调试起来最省心。两电阻和单电阻方案，在低速重载时经常会出现「采样盲区」，那会儿电流波形畸变得厉害，你想想看，控制器拿到这种数据，能算准才怪。

我的经验： 三电阻采样时，采样电阻的阻值不要选太大。我一般选 5~10 mΩ，太大功耗扛不住，太小信噪比又不够。另外，电阻的温漂系数要控制在 ±50 ppm/℃ 以内，否则温度一上来，电流读数就飘了。

母线电流采样，就是在直流母线上串一个采样电阻，测量整个逆变器的总电流。它的优点是电路简单，一个电阻加一个差分运放就搞定。但缺点也很明显——你只能看到总电流，看不到每一相的细节。

母线电流采样通常用在过流保护上。比如我设置一个阈值，母线电流超过 50A 就立刻关断 PWM。这种保护反应快，硬件上几个微秒就能触发，比软件过流保护靠谱得多。

不过要注意一点：母线电流是脉动的。因为 MOSFET 在不停地开关，母线电流其实是断续的。你采样的时候，必须选在 PWM 导通的中点附近，否则采到的值要么是 0，要么是峰值，都不对。

避坑指南： 我曾经在一个项目里，直接用 ADC 连续采样母线电流，然后做平均。结果发现电流读数总是偏小，差点把电机烧了。后来才意识到，母线电流在 PWM 关断期间是 0，平均下来当然偏小。正确的做法是：只在 PWM 导通期间采样，而且要在导通时间的中间位置采样。

采样误差是绕不开的话题。我把它归纳为五个主要来源，你对照着检查自己的电路，大概率能命中两三个。

电阻误差——采样电阻本身有精度和温漂。普通电阻 ±1%，好一点的 ±0.1%。温度每升高 10℃，阻值可能漂 0.1%~0.5%。
运放失调电压——运放不是理想的，输入端总有个几毫伏的失调电压。对于小电流采样，这个误差占比很大。比如你采 1A 电流，采样电阻 10 mΩ，信号才 10 mV，运放失调 2 mV，那就是 20% 的误差。
PCB 布局寄生参数——采样回路走线太长，会引入寄生电感和电阻。高频开关噪声会耦合进来，导致采样波形上叠加了很多毛刺。
ADC 量化误差——12 位 ADC 的理论分辨率是 1/4096，但实际有效位数（ENOB）通常只有 10~11 位。采样速率越高，ENOB 越低。
时序误差——采样时刻没选对。PWM 开关瞬间有巨大的 dv/dt 和 di/dt，如果在那时候采样，结果全是噪声。

你看，这么多误差叠加在一起，最终电流读数的精度能做到 ±5% 就已经很不错了。所以我在做电流环的时候，一般不会把增益调得太高，否则系统会因为这些误差而抖动。

采样时序是重中之重。我见过太多人，电路画得漂亮，程序写得也顺，结果就是电流读不准。问题出在哪？采样时刻不对。

对于三电阻采样，采样窗口在下桥臂导通的时候。具体来说，PWM 周期开始后，下桥臂导通，电流流过采样电阻，这时候才能采样。但要注意，MOSFET 导通后有一个振铃期，大概几百纳秒，这段时间电流是不稳定的。你得等振铃结束再采样。

我一般这样设置采样时序：

你可能会问：如果占空比很小，比如只有 5%，导通时间才 5 μs，减去等待的 2 μs，只剩 3 μs，采样窗口够吗？嗯，这就是三电阻采样的短板。遇到这种情况，我一般会改用连续采样模式，或者干脆换用更高精度的隔离式电流传感器。

  核心要点： 采样时序的核心就一句话——在信号最稳定的时候采样。避开开关瞬态，避开振铃，避开死区时间。做到了这三点，你的电流采样就成功了一大半。

下面这张图，把电流采样的核心逻辑串起来了。你可以把它当作一个快速参考，以后做方案选型或排查问题时，对着图走一遍，思路会清晰很多。

这张图把相电流采样、母线电流采样和误差来源三个分支串在了一起。你从根节点往下看，就能快速定位自己当前关注的是哪个方向。比如你在调试时发现电流读数不准，那就顺着「误差来源」分支，一个一个排查。

电流采样这件事，说难不难，说简单也不简单。核心就三点：选对方案、找准时序、控好误差。三电阻采样是我最推荐的做法，母线电流采样适合做硬件过流保护，而误差来源你心里要有数，调试时才能快速定位问题。