在電子電路領(lǐng)域，電流采樣與運(yùn)放電路是至關(guān)重要的基礎(chǔ)知識(shí)，它們?cè)谥T多應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

電流采樣在 FOC 算法中的重要性

電流采樣在 FOC（Field - Oriented Control，磁場(chǎng)定向控制）算法中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，其準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)算法的效果。在電機(jī)控制領(lǐng)域，通常采集的是續(xù)流電流，即在三個(gè)下管導(dǎo)通期間進(jìn)行采樣，特別是中間時(shí)刻的電流，它能夠有效地反映平均電流。借助電感續(xù)流的概念可以更好地理解這一點(diǎn)：在電感續(xù)流過(guò)程中，中間時(shí)刻的電流確實(shí)能夠代表平均電流。這對(duì)于精確控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等，具有重要意義。

電流采樣的常見(jiàn)方式

1. 使用采樣電阻與 ADC 測(cè)量：最直接的方法是使用采樣電阻與 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來(lái)測(cè)量電阻上的壓降，這種方式無(wú)需經(jīng)過(guò)運(yùn)放等處理電路。
2. 通過(guò)運(yùn)放處理采樣信號(hào)：可通過(guò)運(yùn)放等處理電路進(jìn)一步處理采樣信號(hào)，例如使用差分放大和跟隨器等技術(shù)，能夠提高信號(hào)的質(zhì)量和可測(cè)量性。
3. 互感器采樣：電表、智能斷路器等電力設(shè)備中通常會(huì)采用互感器來(lái)進(jìn)行電流采樣，互感器會(huì)采集到交流電壓，并經(jīng)過(guò)運(yùn)放精密整流后送給 MCU 的 ADC 口進(jìn)行采樣。
4. 霍爾傳感器采樣：霍爾傳感器也是一種常見(jiàn)的電流采樣方式，不過(guò)其具體應(yīng)用方式可能需要進(jìn)一步了解。此外，可能還存在其他未廣泛應(yīng)用的傳感器技術(shù)。

采樣電阻

當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。在電流采樣中，將阻值較小的電阻串聯(lián)到被測(cè)電路中，把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)電阻被稱為采樣電阻，有時(shí)也被稱為分流電阻或感應(yīng)電阻。
采樣電阻具有以下特點(diǎn)：

• 低阻值：其阻值通常較低，一般不超過(guò) 1Ω，以確保不會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成顯著影響。
• 高精密度：誤差通常控制在 ±1% 以內(nèi)，在某些高要求的應(yīng)用中，會(huì)采用 0.1% 精度的電阻。

由于采樣電阻的阻值較小，其上的電壓降也相對(duì)較小，所以在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要接上放大電路，將微小的電壓放大到可測(cè)量的范圍。

采樣電阻的連接位置也需仔細(xì)考慮。盡管其阻值很小，但與負(fù)載串聯(lián)后仍可能對(duì)負(fù)載造成一定影響。為避免因采樣電阻破壞負(fù)載的接地，特別是在負(fù)載包含高速處理器和模擬電路的精密電路中，通常選擇將采樣電阻接在負(fù)載與電源正極之間，這種配置方式被稱為高邊電流檢測(cè)，與將采樣電阻接在負(fù)載與電源地之間的底邊電流檢測(cè)相對(duì)。

采樣窗口問(wèn)題

在電流采樣過(guò)程中，存在 “采樣窗口” 的概念。當(dāng)對(duì)某個(gè)管腳進(jìn)行采樣時(shí)，采樣電容需要足夠的時(shí)間來(lái)累積電壓，從而形成采樣電壓，通常這個(gè)時(shí)間窗口不應(yīng)小于 7 個(gè) ADCCLK。
在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)。當(dāng)下管的 PWM 占空比非常小時(shí)，如 PWM3 所示，由于 ADC 采樣的時(shí)間限制，所采集到的數(shù)據(jù)可能不夠準(zhǔn)確。但根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL），三相電流之和始終為零。因此，在三電阻采樣方案中，可以通過(guò)另外兩相占空比較大的數(shù)據(jù)來(lái)推算出第三相的電流。而對(duì)于雙電阻采樣方案，則可能無(wú)法直接獲得第三相電流，除非采取某些措施，如限制下管的最小占空比，以確保采樣的準(zhǔn)確性。單電阻采樣方案更為復(fù)雜，它需要根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)組合來(lái)推算對(duì)應(yīng)的電流值，并在一個(gè) PWM 周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，再通過(guò)算法重構(gòu)三相電流，是所有方案中最為困難的一種。

運(yùn)放電路

運(yùn)放，即運(yùn)算放大器，是一種功能多樣的器件。通過(guò)接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，它可以靈活應(yīng)用于精密的交流和直流放大、有源濾波、振蕩器以及電壓比較等眾多領(lǐng)域。需要注意的是，在電流信號(hào)的采集過(guò)程中，通常無(wú)需進(jìn)行濾波處理，因?yàn)闉V波可能會(huì)引入信號(hào)延遲。
運(yùn)放與比較器的差異主要體現(xiàn)在輸出電路的設(shè)計(jì)上。運(yùn)放通常采用雙晶體管推挽輸出，而比較器則僅使用一只晶體管，其集電極直接連接到輸出端，發(fā)射極則接地。此外，比較器在應(yīng)用時(shí)需要外接一個(gè)從正電源端到輸出端的上拉電阻，該電阻的作用類似于晶體管的集電極電阻。

運(yùn)放既可以用于線性放大電路（通過(guò)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)），也可以用于非線性信號(hào)電壓的比較（開(kāi)環(huán)或正反饋）。而電壓比較器則專為信號(hào)電壓比較而設(shè)計(jì)，不適用于線性放大電路（因其缺乏頻率補(bǔ)償）。盡管兩者都可以執(zhí)行信號(hào)電壓比較的任務(wù)，但比較器被優(yōu)化為高速開(kāi)關(guān)，具有比運(yùn)放更快的轉(zhuǎn)換速率和更短的延時(shí)。