随着对电机控制器成本的要求越来越高，越来越多厂家开始使用在功率模块的三个IGBT下桥臂母线处仅放置一个采样电阻，然后通过软件算法重构出三相电流，进而实现FOC无传感控制的方案。拓扑结构如下图1所示：

图1

对于三相电流重构的基本原理，如果不太熟悉的读者，可以参考Microchip的良心应用笔记《AN1299--PMSM 无传感器FOC 的单分流三相电流重构算法》，这是一份很好的入门材料；如果已经熟稔于心，可以跳过直接往下阅读。

关于重构三相电流的软件算法，各大芯片厂家都把这个视为核心专利，不轻易透露。但不管怎么变化，所涉及的核心无非就两点：（1）采样时刻（2）不可观测区的补偿方法。如Microchip AN1299中是在PWM左半部分周期采样两次，不可观测区出现时采用“左边不够，右边凑”的方法。如下图2所示，采样时刻为B和C，图3是对非观测区的补偿移动。

图2

图3

据ST的公开文档介绍，采样时刻也在左半部分周期采样两次，不可观测区出现时采用“往下凹去一部分”的方法，如下图4所示。

图4

TI的方法也是在PWM左半部分周期采样两次，当出现不可观测区时，当前周期不够的，提前“预支”下一个周期的值来补偿，如下图5所示。

图5

笔者的方法是左半部分采样一次，右半部分采样一次，不可观测区出时，通过左右平移来解决不可观测问题，如下图6所示：

图6

但问题是仅仅有软件算法就够了吗？就可以实现完美的电流重构了吗？

远远不够！

单电阻采样与双电阻、三电阻采样算法相比，它最大的特点就在于软件算法与硬件特性深度融合，如果稍不注意，就有可能掉入到开发过程中的各种“坑”，笔者将列出单电阻采样一些共性问题，解决好这些问题，就能有效的避免单电阻算法开发的各种“坑”。

“坑”1----- 采样时刻选择

图7

从上图7中可以看出：Sampling Moment T5的时刻只要落在T1+T3+T4这个偏移量之后一定时间即可，这里T1是死区时间，可以取定值，一旦PWM配置完成后即固定不变。但T3，T4时间会随着电流的增加，以及电流环路响应速度的变慢、甚至硬件特性的变化而增加，实际应用中T3, T4不可按典型值来取，需要按最大值来取。T3可按芯片手册手册中的最大值取，T4可按运放能够放大后的最大电压值除以Slew Rate来取值。即使T3, T4设置完成之后，也需要在实际负载上长期运行，确保轻载、额定、过载等各种情况下，当前采样时刻重构出来的电流都是正确的。

实际芯片运行时，可用一个IO口电平输出的翻转来表征采样时刻，如下图8所示。蓝色波形是母线电流经过运放后输出的电压波形，黄色波形为使用IO口表征的当前采样时刻。笔者的方法是左半部分采样一次，右半部分采样一次，因此就可以看出在一个周期的左右平台上各有一次采样，需要注意的是在一个电频率周期内，需要找到采样窗口特别小的情况下，观察采样时刻是否正确。

8

“坑”2----- 补偿时可能出现的问题

上文提到的方法：当出现不可观测区出时，可以通过左右平移的方法来补偿。以下图9为例，即把PWM1左移，PWM2右移来对非观测区进行补偿，如果经过补偿之后三个PWM比较值仍然比较接近，这种情况主要发生在低速度运行时，如果此时PWM1的右边边界已经左移到PWM3的右边边界的左边时，这时采样时刻2 的就不是扇区（110）了，那么对应的电流也就不是  了；此时扇区就变成(010)，对应的电流值也就变成  。所以需要全面考虑好各种情况，否则采样得出来的电流值就是错误的。

图9

“坑”3-----启动和低速阶段带来的噪音及处理方法

做过单电阻采样的都对下面的图10十分清楚，采样的时刻存在非观测区：①采样中存在的低调制指数区 ②从区间到区间变迁时的中到高调制指数区。

图10

采样中存在的低调制指数区就是指三相之间的占空比很接近，也就是电机低速运行时，这时往往指的是电机的启动过程。此时在低速状态下重构出电流，往往绝大部分状态都是非观测区，所以全过程都需要对采样窗口进行移动，这就会带来较大的电流谐波，引起启动时较大噪音。

处理方法主要有两种：

（1） 启动阶段使用V/F 控制方式，不使用电流环，不进行电流重构，等速度增加上去后就已经跨过了低调制指数区，这时再切入速度外环、电流内环的双闭环控制，这就可以有效的避免由于移相来的电流谐波。这种方法比较适用于风机、水泵等启动力矩较小的应用场景。

（2） 启动时使用特殊的PWM调制方式，启动时PWM1左移一定的角度，PWM2右移一定的角度，这样可以采样的窗口将大大的增加，等到速度增加上去以后再切换为正常的调制方式。

“坑”4-----电流重构可能会造成的相位滞后

通常DSP的PWM模块都有一个PWM信号的延迟输出功能，即DPS在当前载波周期内设置的新脉宽占空比值，需要在下一个周期或下一个半周期才能得到电压上的更新。至于是下一个周期还是下一个半周期，与芯片的PWM模块的设置有关，如下图11所示。

图11

也就是经过重构出的三相电流，经过FOC的计算，本应该在这个周期生效立即输出当前周期的电压值，实际上需要得到下一个周期或下一个半周期才能生效。那么此电机已经转过了一个PWM周期的时间，所以估算出来的角度需要进行补偿。

补偿值的大小与PWM周期和当前转速有关，转速越高，PWM周期载频越低，补偿的角度就越大。

“坑”5-----高占空比可能出现的问题

图12红色方框标注的地方的特点是：其中有一相点空比很大，另两相占空比相等，也就是图13中于正六边形第2区域接近各个六边形各个顶点的位置。

图12

图13

这时如果由于非观测区，需要对高占空比波形进行移动，就有可能超出PWM周期的边界，这时就会造成采样值错误。所以对于高转速区域，需要进行一定的占空比限制，或是使用弱磁来保证母线电压的使用始终在一定的幅度内。

总结：单电阻电流采样无论是算法实现的复杂程度，还是由此而产生的控制、角度估算等方面都存在诸多风险，都需要在设计中仔细评估，才能从容的避开设计过程的各种“坑”。希望本文的总结对于单电阻采样最终工程应用的实现有一定的帮助作用。