【SimpleFOC】电流采样基础知识

一、电流采样知识基础

1.1.2、电流采样方式

  电流采样主要有三种方式：

• 低侧电流采样
• 高侧电流采样
• 内置电流采样
   

1.1.2.1、低侧电流采样

 低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术，主要是因为它既不需要高性能的PWM抑制运放（如内置），也不需要支持高压的运放（如高侧），采样电阻在低侧MOS和GND之间，确保了运放输入端的电压非常低。这种方法的缺点是，必须在下桥臂MOS打开时检测电流，PWM频率通常为20k～50khz，这意味着低侧MOS的开关频率为每秒20k～50k次，因此PWM设置与ADC采集之间的同步非常重要。
 

1.1.2.2、高侧电流采样

  高侧电流检测可能是最不常见的电流检测技术，因为它需要支持高压的运放，采样电阻在高侧MOS和直流电源电压之间，使放大器的输入端始终有高电压。 这种方法的另一个缺点和低侧电流采样一样，需要同步PWM和ADC。
 

1.1.2.3、内置（相线/线上）电流采样

  内置电流检测（InlineCurrentSense）是使用起来最简单但是最精准的技术。 采样电阻串联在电机相线上，检测的电流始终都是电机相电流，因为电感中的电流不会突变，所以无论PWM占空比的状态如何，采样到的电流都是连续稳定的。

  这种方法非常适合Arduino，采样程序变得简单了，这应该是考虑到了MEGA328P微弱的性能以及跨平台时程序的适配。内置电流检测的缺点主要在于芯片，需要比常规放大器更好的PWM抑制功能的高精度双向运放，简单的说就是硬件成本高。

二、电流采样相关硬件入门

2.1、INA240介绍

• INA240有四个型号，INA240A1是20倍放大倍数，INA240A2是50倍放大倍数。
• 电机的电流是正弦波，对于采样的差分信号来说，负半周期为负值，为方便处理，需要叠加上偏置电压（芯片内部已经实现）以保证全周期的输出为正值。
  

2.3、SimpleFOC V2.0.3 的参数

• 采样电阻0.01 Ω
• 运放为INA240A2，放大倍数50
• 背面需分别短接A0/A2至输出
• C1_OUT=INA_VCC/2 + 0.01 * I * 50
  • 如果INA_VCC=3.3V，C1_OUT=1.65 + 0.01 * I * 50，电流范围（-3.3A,3.3A）
  • 如果INA_VCC=5.0V，C1_OUT=2.50 + 0.01 * I * 50，电流范围（-5A,5A）
• B相采样输入在PCB上为走线方便做了反向输入，所以放大倍数需乘以 -1（移植后的代码已经做了处理）。

 

2.4、PowerShield V0.2 的参数

• 采样电阻0.001 Ω
• 运放为INA240A2，放大倍数50
• C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 50，电流范围（-33A,33A）

 

三、SimpleFOC 的三种扭矩模式与电流采样的关系

  SimpleFOC中有三种扭矩模式：

• Voltage mode - the simplest one
• DC current mode - 1xPID controller + 1xLPF
• FOC current mode - 2xPID controller + 2xLPF filters

3.2.1、电压模式(Voltage mode)

• 电压模式是之前示例中一直使用的模式，
• 因为不用采样电流，所以硬件简洁，程序简单，执行速度快，
• 适合低速电机控制
  

3.2.2、直流模式(DC current mode)

• 检测电流大小，实现电流环控制
• 只控制Iq，设置Vd=0，
• 像控制直流电机一样控制无刷直流电机的电流
  

3.2.3、FOC模式(FOC current mode)

• 控制Iq和Id，使转子中的磁力与永磁场精确偏移90度，从而确保最大转矩，
• 唯一真正的转矩控制方法，
• 保证电机始终工作在高效状态
  

3.2.4、三种模式对比