FOC 电流采样

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采样点

在基尔霍夫定律下，三相电流的合应该等于 0，因此只需要获取亮相电流就可以重构出完整的三相电流。

对于 STM32 一般通过高级定时器的 channel4 作为 ADC 的触发源，对于下桥臂电流采样，需要在下桥臂 MOS 管导筒的时候才能去采样，而且需要在 MOS 管导通时间以及电流稳定后才能采样到比较可靠的电流。

  • 当 \(\Delta_1\) 大于两倍的 $T_{dead} + T_{on} + T_{ring} + T_{conv} $ 那么在 PWM Freq Middle 时刻出发 ADC 转换也是足够转换 3 相中任意的一相。
  • 当 \(\Delta_1\) 大于$T_{dead} + T_{on} + T_{ring} + T_{conv} 那么从 CCRmax 之后开始转换也是可以转换 3 相中任意的一相。
  • 当 \(\Delta_2\) > \(\Delta_0\) > \(\Delta_1\) 那么导通最短的那一相就没有足够的转换时间了，那么只能转换导通时间长的那两相。
  • \(\Delta_1\) < \(\Delta_0\) 和 \(\Delta_2\) < \(\Delta_0\) 没有足够的转换时间，有两相电流不可获取将无法重建三相电流。

因此需要根据 u、v、w 三相 pwm 的占空比来调整 timer 的 channel 4 比较值来调整触发时刻完成三相电流的重建工作。

相电流重构

  • 对于 Sector4 和 5，C 相导通时间最长，相应的就是下桥臂导通时间最短，这个时候应该采集 A 和 B 相电流。
  • 对于 Sector2 和 3，B 相导通时间最长，相应的就是下桥臂导通时间最短，这个时候应该采集 A 和 C 相电流。
  • 对于 Sector1 和 6，A 相导通时间最长，相应的就是下桥臂导通时间最短，这个时候应该采集 B 和 C 相电流。

常用芯片

MP6540 电流采样

MP6540H 的内部电流采样电路。其输出可通过外部电阻器 (RTERM) 和参考电压 (VREF) 来设置。两个等值电阻连接到 ADC 电源和地，接地用于终止输出。

MP6540 的电流采样计算比较简单，这里就不再详细说明了。

DRV8301/DRV8302 电流采样

首先将 DRV8301 的框图列出来，大致了解下结构，主要就是通过 SNx 和 SPx 四个引脚之间的电阻来采样电流。

如果我们需要采样一个桥臂的电流，那传统的方式自然是直接在电路上串联一个采样电阻，然后采样两端电压即可。由于电阻是串联进电路的，所以阻值当然是要越低越好。但是这又会带来另一个问题，低阻值导致的采样精度不高，因此需要运放来实现电流的采样。

我们以 odriver 原理图为例进行计算，如下：

这里 R27 和 R28 电阻就是采样电阻，\(500u\Omega(500 * 10^{-6})\Omega\).

下面是官方手册给出的电流计算方式。

这里做如下说明： \(SN_x - SN_x\) 是采样电阻两端的电压值，也是我们需要测量的值，得到该值后除以电阻就得到对应的电流值。Vo 是我们 ADC 得到的值。针对官方给出的公式，我们做如下计算：

\[ V_o = \frac{V_{REF}}{2} - G \times (SN_x - SP_x) \]

化简如下：

\[ (SN_x - SP_x) = \frac{(\frac{V_{REF}}{2} - V_o )}{G} \]

这里 G 是 10、20、40、80. \(V_{REF}\)一般是 3.3v，那么如下：

\[ (\frac{V_{REF}}{2} - V_o ) = (\frac{3.3}{2} - \frac{ADC}{2^{12}} \times 3.3 ) = \frac{2^{11} - ADC}{2^{12}} \times 3.3 \]

得到电流值如下：

\[ (SN_x - SP_x) = I_{measure} \times R_{Isensor} = \frac{2^{11} - ADC}{2^{12}} \times \frac{3.3}{G} \]

得到最终结果为：

\[ I_{measure} = \frac{2^{11} - ADC}{2^{12}} \times \frac{3.3}{G} \times \frac{1}{R_{Isensor}} \]

死区时间的计算

我们用下列公式计算控制死区时间：

\[ t_{dead} = [(td_{offmax} - td_{onmin}) + (tpdd_{max} - tpdd_{min})] * 1.2 \]

  • \(td_{offmax}\) ：MOS 管最大关断延迟时间。
  • \(td_{onmin}\)：MOS 管最小开通延迟时间。
  • \(tpdd_{max}\)：驱动器最大传输延迟时间。
  • \(tpdd_{min}\)：驱动器最小传输延迟时间。

在该公式中，第一项\(td_{offmax}-td_{onmin}\)为最大关断延迟时间和最小开通延迟时间之差。这一项主要描述 MOS 管器件结合所用的门极电阻的特性。由于上升和下降时间通常比延迟时间短很多，这里就不考虑它们。另一项\(tpdd_{max} - tpdd_{min}\)为由驱动器决定的传输延迟时间之差（延迟时间不匹配）。该参数通常可在驱动器制造商提供的驱动器数据表中查找到。对于基于光耦合器的驱动器，该参数值通常很大。

对于 csd18540q:

\(td_{offmax}\) = 20ns \(td_{onmin}\) = 6ns

STM32 实现双 ADC 采样三电阻电流

重构采样点

STM32 的高级定时器有 6 个 pwm channel，我们可以使用前三个 channel 输出互补的 pwm，第四个 channel 用于触发 adc 的采样时刻。这里主要是根据扇区以及三通道的 pwm 占空比来判断电流采样点时刻。

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/**
 * @brief  Configure the ADC for the current sampling related to sector 1.
 *         It means set the sampling point via TIMx_Ch4 value and polarity
 *         ADC sequence length and channels.
 *         And call the WriteTIMRegisters method.
 * @retval none
 */
uint16_t R3_2_SetADCSampPointSectX(void)
{
    uint16_t sampling_point;
    uint16_t DeltaDuty;

    /* 通过检查最小占空比验证是否可以在 PWM 中间进行采样 */
    if ((uint16_t)(kMCLowLevelInstance.half_pwm_period - kMCLowLevelInstance.low_duty) > kMCLowLevelInstance.t_after) {
        /* 当可以在 PWM 周期的中间进行采样时，始终对所有扇区的相同相位（选择 AB）进行采样，以便在偏移量之间存在差异时不会引起电流不连续 */

        /* GetPhaseCurrent 需要的扇区号，采样 A 相和 B 相对应扇区 4 或 5  */
        kMCLowLevelInstance.sector = SECTOR_5;

        /* 在 PWM 周期中间设置采样点触发器 */
        sampling_point = kMCLowLevelInstance.half_pwm_period - (uint16_t)1;
    } else {
        /* 在这种情况下，有必要转换具有最大和可变互补占空比的相位。*/
        DeltaDuty = (uint16_t)(kMCLowLevelInstance.low_duty - kMCLowLevelInstance.mid_duty);

        /* Definition of crossing point */
        if (DeltaDuty > (uint16_t)(kMCLowLevelInstance.half_pwm_period - kMCLowLevelInstance.low_duty) * 2u) {
            sampling_point = kMCLowLevelInstance.low_duty - kMCLowLevelInstance.t_before;
        } else {
            sampling_point = kMCLowLevelInstance.low_duty + kMCLowLevelInstance.t_after;

            if (sampling_point >= kMCLowLevelInstance.half_pwm_period) {
                /* ADC trigger edge must be changed from positive to negative */
                kMCLowLevelInstance.adc_external_polarity_injected = (uint16_t)LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_FALLING;
                sampling_point = (2u * kMCLowLevelInstance.half_pwm_period) - sampling_point - (uint16_t)1;
            }
        }
    }
    return R3_2_WriteTIMRegisters(sampling_point);
}

重构电流采样

我们可以根据当前扇区以及三通道的 pwm 占空比来选择采样哪两相电流，通常不采样占空比最小的那一通道，而通过基尔霍夫定律来算第三通道的电流，避免采样区间太小造成的采样电流不稳定。具体算法如下：

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/**
 * @brief  It computes and return latest converted motor phase currents motor
 * @param  pHdl: handler of the current instance of the PWM component
 * @retval Ia and Ib current in Curr_Components format
 */
void R3_2_PhaseCurrentsUpdate(void)
{
    int16_t i_a,i_b;
    int32_t aux;
    uint32_t adc_data_reg1, adc_data_reg2;

    uint8_t sector = (uint8_t)kMCLowLevelInstance.sector;
    TIM_TypeDef* TIMx = kMCLowLevelInstance.TIMx;
    adc_data_reg1 = *kMCLowLevelInstance.adc_data_reg1[sector];
    adc_data_reg2 = *kMCLowLevelInstance.adc_data_reg2[sector];

    /* disable ADC trigger source */
    // LL_TIM_CC_DisableChannel(TIMx, LL_TIM_CHANNEL_CH4);
    LL_TIM_SetTriggerOutput(TIMx, TIM_TRGO_RESET);

    switch (sector) {
        case SECTOR_4:
        case SECTOR_5:
            /* Current on Phase C is not accessible     */
            /* Ia = phase_a_offset - ADC converted value) */
            aux = (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_a_offset) - (int32_t)(adc_data_reg1);

            /* Saturation of Ia */
            if (aux < -INT16_MAX) {
                i_a = -INT16_MAX;
            } else if (aux > INT16_MAX) {
                i_a = INT16_MAX;
            } else {
                i_a = (int16_t)aux;
            }

            /* Ib = phase_b_offset - ADC converted value) */
            aux = (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_b_offset) - (int32_t)(adc_data_reg2);

            /* Saturation of Ib */
            if (aux < -INT16_MAX) {
                i_b = -INT16_MAX;
            } else if (aux > INT16_MAX) {
                i_b = INT16_MAX;
            } else {
                i_b = (int16_t)aux;
            }
            break;

        case SECTOR_6:
        case SECTOR_1:
            /* Current on Phase A is not accessible     */
            /* Ib = phase_b_offset - ADC converted value) */
            aux = (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_b_offset) - (int32_t)(adc_data_reg1);

            /* Saturation of Ib */
            if (aux < -INT16_MAX) {
                i_b = -INT16_MAX;
            } else if (aux > INT16_MAX) {
                i_b = INT16_MAX;
            } else {
                i_b = (int16_t)aux;
            }

            /* Ia = -Ic -Ib */
            aux = (int32_t)(adc_data_reg2) - (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_c_offset); /* -Ic */
            aux -= (int32_t)i_b;                                                     /* Ia  */

            /* Saturation of Ia */
            if (aux > INT16_MAX) {
                i_a = INT16_MAX;
            } else if (aux < -INT16_MAX) {
                i_a = -INT16_MAX;
            } else {
                i_a = (int16_t)aux;
            }
            break;

        case SECTOR_2:
        case SECTOR_3:
            /* Current on Phase B is not accessible     */
            /* Ia = phase_a_offset - ADC converted value) */
            aux = (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_a_offset) - (int32_t)(adc_data_reg1);

            /* Saturation of Ia */
            if (aux < -INT16_MAX) {
                i_a = -INT16_MAX;
            } else if (aux > INT16_MAX) {
                i_a = INT16_MAX;
            } else {
                i_a = (int16_t)aux;
            }

            /* Ib = -Ic -Ia */
            aux = (int32_t)(adc_data_reg2) - (int32_t)(kMCLowLevelInstance.phase_c_offset); /* -Ic */
            aux -= (int32_t)i_a;                                                     /* Ib */

            /* Saturation of Ib */
            if (aux > INT16_MAX) {
                i_b = INT16_MAX;
            } else if (aux < -INT16_MAX) {
                i_b = -INT16_MAX;
            } else {
                i_b = (int16_t)aux;
            }
            break;

        default:
            break;
    }
    kMCLowLevelInstance.current_a = i_a;
    kMCLowLevelInstance.current_b = i_b;
}

...
static MotorControlLowLevel_t kMCLowLevelInstance = {
    .adc_config1 = {MC_ADC_CHANNEL_2  << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT),
                   MC_ADC_CHANNEL_1  << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT),
                   MC_ADC_CHANNEL_2  << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT)},
    .adc_config2 = {MC_ADC_CHANNEL_12 << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT),
                   MC_ADC_CHANNEL_12 << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT),
                   MC_ADC_CHANNEL_2  << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT),
                   MC_ADC_CHANNEL_12 << ADC_JSQR_JSQ1_Pos | (LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO & ~ADC_INJ_TRIG_EXT_EDGE_DEFAULT)},
    ...
};

注意这里 sector 1 的采样通道是 ADC1 的 MC_ADC_CHANNEL_2 和 ADC2 的 MC_ADC_CHANNEL_12，sector2 的采样通道是 ADC1 的 MC_ADC_CHANNEL_1 和 ADC2 的 MC_ADC_CHANNEL_12。这个表格是根据前面的理论部分以及原理图来计算得到的通道。

在得到原始的 ADC 值之后可以通过电路原理将 ADC 转换为对应的电流值，这个就跟具体的设计有关了，这里不过多赘述。

参考文献

https://www.monolithicpower.cn/cn/designing-a-brushless-motor-driver-circuit-with-the-mp6540
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8301.pdf?ts=1664978601316&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FDRV8301