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  • 电流采样电路
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    2021-04-23 13:27:02


    前言

    有时候我们需要对电流进行采样,但是电流实际是不好测量的,最简单的方法就是把电流转化为电压,这里推荐一种比较简单的放大电路。差分放大电路。大家可以看模电课本 283-284页的加减运算电路。
    在这里就不推导公式了
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    一、差分放大电路的优点?

    差分放大电路的优点就是具有很高的共模抑制比,就共有的成分都被减掉了,剩下的就是两端的电压差并进行放大,这对于小信号的检测也是可以的。
    Uo=(UI2-UI1)Rf/R.
    在这里插入图片描述

    二、注意事项

    1.电阻要完全对称,最好完全一致

    2.运放的供电电压要大于输入端电压

    总结

    这个电路还是比较重要的,反反复复碰到了好几次,也很好用哦。
    参考博文:运放电流采样电路电压采样电路

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    目录一、原理说明1.1、电流采样1.1.1、为什么要采样电流1.1.2、电流采样方式1.1.2.1、低侧电流采样1.1.2.2、高侧电流采样1.1.2.3、内置电流采样1.2、电流变换1.2.1、AD转换1.2.2、clark变换1.2.3、Park变换1.2.4、...


    SimpleFOC的教程比较多,总链接方便查找文档:SimpleFOC教程链接汇总

    本文已于20211222更新,升级了代码,代码下载,本文最后有链接

    一、原理说明

    1.1、电流采样

    1.1.1、为什么要采样电流

      FOC(Field-Oriented Control),即磁场定向控制,磁场大小与绕组中的电流成正比,所以对磁场的控制在程序上就是对电流的控制。前几节的程序并没有使用电流环,而是直接使用电压值,确实可以达到还行的效果。但是这样做有两个问题:

    • 1、不能保证i_d为零,i_q等于目标值,因此电机并不能工作在效率最高的状态,力矩控制也是不准确的。

    • 2、相电压施加在电感上产生相电流,电压和电流有相位差且并不恒定,低速运行时相位差对电机的影响不明显,但是当速度快了或者速度变化率高了以后,相位差的影响就会非常明显。

    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

    在这里插入图片描述
      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

    在这里插入图片描述
      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、内置电流采样

    在这里插入图片描述
      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。

    1.2、电流变换

    本节增加电流环,主要增加了以下功能,

    • 1、AD转换获取电流值Ia和Ib,
    • 2、通过Clark变换得到Iα和Iβ ,
    • 3、获取电机角度,通过Park变换得到Id和Iq,
    • 4、Id、Iq不能突变,同时为减少干扰,做平滑滤波,
    • 5、Id、Iq与设定值比较,通过PID运算得到Vd 和Vq,

    1.2.1、AD转换

      为了与官方代码保持一致,AD转换采用简单的单通道转换模式,主程序循环一次获取一次A/B相的电流。
    在这里插入图片描述

    1.2.2、clark变换

    在这里插入图片描述

    1.2.3、Park变换

    在这里插入图片描述
      Park变换中的“θ”是电角度,由读出的编码器角度转变而来
    在这里插入图片描述

    1.2.4、LPF运算

    • dc_current模式只有 Iq 的LPF运算
    • foc_current模式有 Iq 和 Id 的LPF运算
      在这里插入图片描述

    1.2.5、PID运算

    • dc_current模式只有q轴电流的PID运算
    • foc_current模式有q轴电流和d轴电流两个变量的PID运算
    • 电流环使用 P、I 两个参数。
      在这里插入图片描述

    二、电流采样参数设置

    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。
      在这里插入图片描述
    • 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以保证全周期的输出为正值。
      在这里插入图片描述

    2.2、电流实际波形

    • 下图为电机静止时A/B相运放输出端波形,VCC=3.3V,所以此时电压=1.65V,
      在这里插入图片描述
    • 下图为电机转动时运放输出端波形
      在这里插入图片描述

    2.3、SimpleFOC V2.0.3 的参数

    在这里插入图片描述

    • 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

    在这里插入图片描述

    • 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)

    2.5、SimpleMotor 的参数

    在这里插入图片描述

    • 采样电阻0.001 Ω
    • 运放为INA240A1,放大倍数20
    • C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 20,电流范围(-82.5A,82.5A)

    三、扭矩模式

      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
      在这里插入图片描述

    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
      在这里插入图片描述

    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
      在这里插入图片描述

    3.2.4、三种模式对比

    在这里插入图片描述

    四、硬件介绍

    4.1、原理图

    在这里插入图片描述

    4.2、SimpleMotor方案

    4.2.1、准备清单

    序号名称数量
    1SimpleMotor1
    2带编码器云台电机1
    3USB转串口1
    412V或24V电源1

    在这里插入图片描述

    带编码器云台电机可以是AS5600,也可以是TLE5012B。

    AS5600电机 购买链接:某宝购买
    TLE5012B电机 购买链接:某宝购买
    SimpleMotor 购买链接:某宝购买

    4.2.2、接线

    在这里插入图片描述

    只展示M1的接线,M2的接线根据原理图自行连接。

    4.3、STM32方案

    4.3.1、准备清单

    序号名称数量
    1STM32核心板1
    2SimpleFOCShield V2.0.31
    3带编码器的云台电机1
    4USB转串口1
    55V电源1
    612V电源1
    7杜邦线若干

    在这里插入图片描述
    带编码器云台电机可以是AS5600,也可以是TLE5012B。
    AS5600电机 购买链接:某宝购买
    TLE5012B电机 购买链接:某宝购买
    simpleFOCShield V2.0.3购买链接:某宝购买

    4.3.2、接线

    在这里插入图片描述
    Shield V2.0.3的背面按照上图短接
    在这里插入图片描述

    对照 Shield V2.0.3 的原理图:

    STM32核心板V2.0.3
    PA05
    PA19
    PA26
    PB98
    PA3A0
    PA4A2
    3V33V3
    GNDGND

    如果是AS5600编码器,如下

    STM32核心板AS5600电机
    PB6SCL
    PB7SDA
    3V3VCC
    GNDGND

    如果是TLE5012B编码器,如下

    STM32核心板TLE5012电机
    PB15MOSI
    PB14MISO
    PB13SCK
    PB8CSQ
    GNDGND
    3V3VCC

    在这里插入图片描述
    只展示M1的接线,M2的接线根据原理图自行连接。

    五、程序演示

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    注意:
    1、voltage_limit最大只能设置为供电电压的 1/√3(12V限制为6.9,24V限制为13.8),
    2、如果检测到的极对数与实际不符,停止继续操作,否则电机会堵转。

    5.1、力矩模式

    5.2、速度模式

    5.3、位置模式

    5.1、5.2、5.3不再写教程,请根据上一篇文章操作

    六、代码升级说明

    本文已于20211222第一次升级了代码:

    1、优化PID子程序。之前代码把位置PID、速度PID和电流PID_q_d 各自做为独立的函数调用,本次升级只写一个函数,把PID相关参数定义为结构体,与官方代码保持一致。

    2、优化LPF子程序。与PID的做法相同,只写一个函数,把相关参数定义为结构体,与官方代码保持一致。

    3、增加了对AS5047P、MA730编码器的支持(目前共支持AS5600、TLE5012B、AS5047P、MA730四种磁编),使用代码时只需在 MyProject.h 中把使用的型号设置为1即可。

    4、官方最新的SimpleFOC库V2.2.0(2021年12月14日)版本新增加了sensor->update()函数,并因此对角度处理做了大改。
    之前调试代码的时候,就发现官方代码中角度读取处理的不太好,特别是速度模式上电的时候电机会突然转一下然后停止,当时按照我的理解改进了这部分代码,最新版本中官方修补了这个问题,我本来是打算把这个部分升级到官方一致,但是修改了一天后发现官方的代码仍然很混乱(相信这部分代码官方以后还会再升级),所以此次放弃了这部分的升级,仍保持之前的设计思路,只做简单优化。

    5、升级零点检测,在已知电机参数的情况下,通过设置 零点偏移角度和方向,可以跳过检测。与官方代码保持一致。

    6、优化了while主循环中的计时方式,由原来的timer4中断累加修改为systick查询。当前代码中只有一个串口接收中断。与官方代码保持一致。

    7、电流采样修改为三相采样。之前只写了两相采样,觉得两相就可以三相似乎浪费,调试ESP32drive的时候仔细看了下代码,发现三相多了一个平均处理,应该会比两相更可靠一点点,所以这次升级为第三相可选择,与官方代码保持一致。

    8、升级后的代码可以很好的实现电流闭环,解决了之前发现的所有问题,所有功能都经过了本人的实际测试,当前代码在本人看来已无懈可击,虽为开源但也要认真负责。

    9、这个系列的代码开放到这一章为止,之后的双电机控制不再开放,只提供给购买SimpleMotor的客户,本人其实是很想把所有代码完全开放,至少可以扩大我的影响力,但这会影响到付费客户的体验,如果花了钱和不花钱得到的资料一样多。

    (完)


    升级后源码下载:
    链接:https://pan.baidu.com/s/1gex-l-KQbw-hRLxzE-ptPg
    提取码:g921

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    SimpleFOC移植STM32(一)—— 简介
    SimpleFOC移植STM32(二)—— 开环控制
    SimpleFOC移植STM32(三)—— 角度读取
    SimpleFOC移植STM32(四)—— 闭环控制
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    展开全文
  • FOC——13.电流采样与运放电路

    千次阅读 2021-07-15 22:30:08
    电流采样方案1.1.不同数量的采样电阻方案1.2.采样电阻的位置1.3.采样窗口问题2.运放电路2.1.运放和比较器2.2.差分放大2.3.偏置电压2.4.运放放大倍数的选择2.5.运放选型 1.电流采样方案 1.1.不同数量的采样电阻方案 ...

    1.电流采样方案

    1.1.不同数量的采样电阻方案

    image-20210715195429532

    ​ 电流采样是FOC中基础且重要的一个步骤,只有电流采样准确了整个算法才能获得好的效果。电流采样是采集续流电流,也就是在三个下管导通的时候采样,采集中间时刻的电流,可以反映平均电流(用电感续流来理解,在电感续流的时候,中间时刻的电流就可以反应平均电流)。电流采样方式一般分为三电阻、双电阻、单电阻采样,其优缺点如下图所示。

    1.2.采样电阻的位置

    ​ 这里使用下采样电阻,也就是电流采样电阻放在下端,有两个好处:一是共模电压接近0V,信号处理相对比较容易。二是在一个PWM周期内采样电阻存在不通电的情况,这样可以降低采样电阻的功率。另外,母线上还有一个母线电阻,这个电阻有两个作用。一是用于单电阻采样;二是采集母线电流,实现过流保护。

    ​ 另外,存在将电阻串在相线上的情况,如下图所示。此时相比下电阻采样,采集的电流就不同了,因为电流始终是连续的,不存在采样窗口的问题。为了采集平均电流,可以采集三上桥臂导通的中间时刻的电流。但是这种方案运放的共模电压也高了,并且由于电流始终流过电阻,所以电阻的功率要比下电阻采样要高。

    image-20210715201137842

    1.3.采样窗口问题

    ​ 当下管的PWM占空比很小的时候,如下图所示的PWM3。由于ADC采样需要保持一定的时间,所以占空比很小的时候采集到的数据就可能不准。由KCL可知此时的三相电流的和为0,此时如果是三电阻采样方案,那么可以使用另外两相占空比大的算出第三相的电流。而如果是双电阻采样那么就没办法了,只能就这样使用,或者限制下管的最小占空比,这样才能保证采样的电流是准确的。

    ​ 对于单电阻采样来说,需要根据不同的开关组合得到对应的电流,而且需要在一个PWM周期内采样两次,依靠算法来重构三相电流,所以是最困难的一种方案。

    image-20210715222510679

    2.运放电路

    ​ 为了降低采样电阻的功耗,一般采样电阻的阻值都很小。那么其两端的压差也很小,如果直接输入单片机的ADC进行采集,那么单片机很难分辨出来。所以为了提高分辨率,需要对电压进行放大。此外,这么小的电压信号在放大之前也很容易受到干扰,所以对于PCB的布局布线有要求,需要尽量减小干扰。

    ​ 注意:采集到的电流信号不需要进行滤波处理,因为滤波会造成信号延迟。

    2.1.运放和比较器

    ​ 如下图所示,比较器的两个输入端接两个模拟信号,比较器的输出是一个数字信号,即高低电平。但是比较器内部是集电极开路或者漏极开路输出,所以需要在比较器的输出端接上拉电阻。比较器输出数字信号,他的跳边沿很陡。也就是说比较器的输出要么饱和,要么截止,而运放一般工作在放大区。所以按照输出特性曲线来说,比较器工作在下图的红圈处(注意下面的红圈也可以认为是负饱和区,只不过一般运放的负端接GND,那么就是0V,也认为是截止)。而运放工作在虚线内的放大区。为了让比较器的输出沿更陡,一般接一个正反馈。而运放工作在线性区。为了让运放不饱和,一般会接一个负反馈,抑制运放的饱和,让他工作在线性区。

    ​ 此外,运放接入正反馈,也可以当做比较器来使用。

    image-20210715205630144

    2.2.差分放大

    ​ 所谓差分就是对两个信号求差,差分放大就是对两个信号的差值进行放大。其实这里根据采样电路就决定了使用的就是差分,因为需要计算的是采样电阻两端的压差,也就是电位差,这就是差分。

    ​ 差分放大的好处是可以消除共模干扰,所谓共模就是信号对地来说,共模干扰就是信号相对于地这个参考点来说的干扰。如下图所示,如果Ia+和Ia-都存在对地的干扰,那么信号作差之后共模干扰就会减小,这样运放输出的信号就更加准确。

    image-20210715210051745

    ​ 差分接法虽然可以减小共模干扰的影响,但是也存在差模干扰。所谓差模干扰,就是两根信号线之间的干扰。这是因为两个信号线之间的环路有磁场的变化,这样就会引入干扰。所以差模干扰跟信号走线也有关系,如果两根信号线之间的环路比较大的话,空间就会大,这样磁场变化引起的干扰也就会越大。因此差分接法走线的时候也尽量要走差分线,这样可以把环路空间减小,起到抑制差模干扰的作用。

    ​ 如下图所示,上面的走线围城的面积空间大,环路大,这样信号线上有电流流过时,就会产生空间磁场,就会有磁耦合产生干扰。而下面的走线形式环路小,空间小,这样产生的干扰就小,下面这种形式的走线就是差分走线。

    image-20210715210421714

    ​ 实际的PCB中,差分走线的间距放一倍的线宽就行,一般是0.3mm。并且走线必须要同一层,不在同一层的话需要打孔,打孔的话就会产生寄生电容,这样就会对信号产生影响,所以走线最好在同一层。

    2.3.偏置电压

    ​ 由于采样电阻上的电流可以从下往上流,也可以从上往下流,也就是两端的电压可正可负,那么输入运放的差分电压就是正负电压。如果运放是正负电源供电,那么此时运放可以输出放大的正负电压,但是单片机没法检测负压信号,所以运放只能单电源供电。如果运放是单电源供电,那么又无法输出负压,所以需要对负压进行处理,也就是对负压进行电压抬升,如下图所示。这个抬升电压也很简单,根据波形对称,再考虑单片机的AD采样电压为3.3V,所以选择3.3V的一半。

    image-20210715211125792

    2.4.运放放大倍数的选择

    ​ 为了提高分辨率,让运放的输出越接近3.3V越好,留一点余量一般考虑输出3V即可。这里的运放输出3V,指的是采样电阻流过电机的额定电流时运放的输出。所以这里也能看出来,如果电机的工况能够确定,这里的运放放大倍数也能确定。也就是如果选了个大电机,而工况都是小负载电流很小,那么按照电机额定电流设计的电路板的分辨率就会低,控制效果不好。这也解释了为什么ODrive在云台电机这种小电流的电机上没有进行电流采样,因为它是针对大电流设计的,小电流的时候分辨率太低了。

    ​ 对于以下电阻的取值,需要根据放大倍数来选择。反馈电阻一般不建议大于100K,因为根据大量测试大于100K的话容易引入噪音,也就是干扰。最后根据运放的虚短和虚断就可以求得运放的输出和输入之间的关系。

    image-20210715213306463

    ​ 在匹配好放大倍数的前提下,这里的2K电阻考虑到了一定的限流作用,而且功耗会低一些。其他没有很多的考虑,这里选择1K的电阻,然后和反馈电阻匹配好放大倍数也可以。

    image-20210715211955931

    ​ 此外,有的时候会在运放的两个输入端接入一个pF级别的电容,用于滤除差分干扰。但是只要能够控制这个差分回路,可以不用接这个电容,接了这个电容可能会对信号造成延迟。所以即使加,也是加入一个很小的电容,pF级别。

    ​ 运放的输出到单片机的ADC引脚之间有一个电阻R97,这个电阻一般取值为几十欧姆,要考虑ADC内部的采样保持电容的充电时间。这个电阻是充电阻抗,可以破坏走线寄生参数带来的震荡。因为走线上存在寄生参数,很容易满足震荡条件,加了电阻的话可以破坏震荡条件。(

    2.5.运放选型

    ​ 运放选型一般从供电电压、带宽、速度(压摆率)等角度考虑。供电电压一般参考单片机的电压来选择, 比如3.3V的单片机就选择3.3V供电的运放。带宽就是在这个频率范围内,放大的信号不出现衰减或失真,一般经验值选择5-20M。压摆率表示运放的输出速度,也就是输出电压的变化率,一般选择在5-10V/us。

    ​ 此外, 采样电阻上的信号的频率并不等于载波频率,而是跟转速有关系,也就是一个电周期的频率大小。电流采样的运放不一定要选择高速运放,一般来说压摆率选择5V/us也足够使用。

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  • 在电池充放电管理、电池管理保护以及电池电量计应用场合中,一般都会使用到电流采样电阻,进行电池充放电电流的检测。其原理是在电池充放电回路中放置一个采样电阻R, 电流流经采样电阻产生压差,采样电阻两端电压...

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    在电池充放电管理、电池管理保护以及电池电量计应用场合中,一般都会使用到电流采样电阻,进行电池充放电电流的检测。其原理是在电池充放电回路中放置一个采样电阻R, 电流流经采样电阻产生压差,采样电阻两端电压经过RC滤波电路调理后进入AD采样, 电阻两端电压差除以采样电阻即可得到回路的充放电电流。采样电阻值通常比较低,一般不超过1欧,比如20毫欧,但是精度较高,一般都在±1%,同时电阻封装一般选用0805或更大封装,以防电阻额定功率不够而失效。

    不同芯片,采样电阻相对电池的位置有所不同。一般情况下,电池充电芯片的采样电阻在电池高侧,如图1所示;而电量计以及保护芯片的采样电阻则在电池低侧居多,如图2所示。

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    图1 充电芯片采样电阻

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    图2 电量计采样电阻

    由于采样电阻值较小,因此焊料的接触电阻以及器件的引脚电阻就都已经不能忽略,但是这些电阻值无法精确估算,且不同板卡之间可能差异很大,不具有一致性。如果直接从电阻两端读取电压,可能会有很大误差。因此为了保证充电电流检测精度,通常都是采用开尔文接法,如图3所示,直接从电流采样电阻的两个焊盘上引出走线连接到芯片管脚,大电流走线则从焊盘的另外位置引出,电压测试通道和电流主干道分开使用不同的触点,因此,电压测试通道基本没有电流,可以一定程度上排除上述接触电阻等影响,提高测试精度。

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    图3 采样电阻开尔文接法

    由于电流采样电阻上的电压信号相对大电流来说比较微弱,很容易受到干扰,因此,一般都会增加电容进行滤波,如图4所示,其中差模滤波电容必不可少,但是共模滤波电容则视情况可用可不用,如果地平面做的不好,导致各处地电平不一致,共模滤波反而可能导致电阻两端出现压差,影响精度。

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    图4

    进行PCB Layout时总的原则是将阻容等元器件尽量靠近芯片引脚,尤其采样电阻走线尽量短,避免受干扰影响。同时注意大电流回路的电源过孔和地过孔孔径要足够大,且数量足够多,以提供足够的电流承载能力,不产生过大的压降。

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