FOC中的三种电流采样方式，你真的会选择吗？

一、前言：电流采样的作用

在FOC控制算法中，采样电流是算法实现的基础且又相当重要的一部分，准确的电流采样能给算法带来事半功倍的效果，电流采样准确了，那么为后面的坐标变换得到准确的结果打下很好的基础，用一句话来形容就是“基础不对，努力白费”，由此可见电流采样在整个FOC算法中的作用。

那么电流采样的方式一般分为三电阻、双电阻、单电阻，这三种采样方式都有其优点和缺点，方案的不同，对应的电流处理方式也就不同，系统最终运行的效果可能也会有差异，所以这三种方案也有其适用的场合。那么这篇文章会结合这三种方式来给大家进行相关的分析及总结，起一个抛砖引玉的作用，希望读者能够举一反三，有更优的方式。

图一：三种采样方式优缺点对比

二、三种硬件拓扑结构

图二：三电阻方案逆变桥连接示意图

图三：三电阻方案运放连接示意图

图四：双电阻方案逆变桥连接示意图

图五：双电阻方案运放连接示意图

图六：单电阻方案逆变桥连接示意图

图七：单电阻方案运放连接示意图

三、采样的关键之处

电流的采样有峰值电流和平均电流采样，一般比较常见的是平均电流采样及其控制，那么对平均电流的采样方式其实也有两种，一种是检流电阻放在逆变桥的上桥的下端，另一种就是上面我们逆变桥的示意图中的检流电阻接在逆变桥的下桥的下端。

一般的方式都是将采样电阻放在逆变桥下管的下端，这种方式对应的检流电路相对简单，而且对应的功耗也会降低，那么检流电阻放在逆变桥下管的下端时采集的是续流电流，然后我们可以在下桥开通的中点进行采样，此时对应的电流反映了平均电流，因此对应的电流控制就是平均电流控制。

那么，如果我们使用的是三电阻方式采样的话，选用的ADC模块必须至少要有三个通道同时采样的功能，这样才能确保采样得到的三相相电流是同一时刻的电流，此时才能保证Iu+Iv+Iw=0，这个公式成立。这样的话，才能根据下图八所以的波形，对采样窗口小的一相电流进行重新计算。

图八：SVPWM第一扇区PWM波形

而如果是双电阻采样的话，只有两个采样电阻，得到的电流无法使用Iu+Iv+Iw=0这个公式，因此，即使碰到采样窗口小的情况，如果不进行算法处理的话，双电阻方案就出现局限性了。而要想得到更好的适应场景，就必须对双电阻方案进行算法补偿，这也是双电阻方案的关键之处。

同样对于单电阻采样方案，需要根据不同的开关组合来得到对应的电流，而且需要在一个PWM周期内采样两次，这种方式更是不能满足Iu+Iv+Iw=0，只能靠算法来进行补偿修正，所以单电阻的方式更加困难，也是目前市面上的难点，如果能把难点解决，这种方式是最优且最便宜的方式。

四、电流采样方式选取

在电机控制中，对电流采样的采样转换方式一般都是使用PWM触发ADC来转换，以微芯公司的单片机为例，ADC模块会被配置为自动采样和触发转换，如下图九所示为自动采样，触发转换序列示意：

图九：自动采样和触发转换序列示意

当PWM模块设置的触发点匹配之后，触发信号就会给到ADC模块，此时上图九中的采样开关就会断开，然后ADC模块开始转换，转换完成即可得到对应的采样电流的电压信号的AD数值，在程序中使用这个数值进行算法编写验证即可。

五、三种采样方式的对比及注意事项

1、三电阻采样方式

这种方式是三种方式中较简单的，直接使用三个检流电阻采样电机的三相相电流，这样得到的结果比较直接，然后只需要根据扇区找出采样窗口小的一相，然后使用公式Iu+Iv+Iw=0，把采样窗口小的一相相电流重新计算出来，这样得到的结果准确度是最高的，后面相关算法的实现也是最好实现的，所以这是三电阻采样的优点。只是因为要使用三个检流电阻和三个运放，所以在硬件成本上会相对其它两种更高些。

图十：触发点示意图（波形不考虑死区）

2、双电阻采样方式

双电阻采样的话，采样出来的两相电流就必须直接使用了，即使出现偏差也需要去使用，这种方式不能像三电阻采样那样，可以根据其它两相算出第三相电流。也就是说，双电阻需要考虑采样窗口的问题。如果要保证采样电流准确的话，必须保证采样窗口足够大。要让采样窗口足够大的话，就需要对PWM波形进行变形处理，但是这样会增加算法的执行时间。这种方式的优点是节省了一个检流电阻和一个运放。

如下图所示，红圈前面为振荡区，如果采样窗口很小的话，只有振荡区，无法得到准确的电流，处理采样窗口，可以参照下图的方式，这样得出的电流就会更加准确。

图十一：合适的电流采样区域

3、单电阻采样方式

单电阻和前面两种方式最大的不同是它无法做到同时得到两路电流信号，即使得到了两路电流信号，推算第三路电流信号也是有误差的。Iu+Iv+Iw=0这个公式是有条件的，就是这三个电流必须是同一时刻的电流。当电机的电感量较大时，得到的这两路电流更接近于真实情况。当电机电感量较小的时候，偏差就有可能比较大，所以如果电感量大的电流，可以选择单电阻采样。

单电阻方式需要在一个PWM周期内进行两次采样，这样的话就需要对算法中开关状态进行分析，理清采样的时刻对应的重构电流属于哪一相的电流。

图十二：单电阻方案电流采样转换触发点

好了，关于电流采样的内容我们就讨论到这里，本文只是给大家提供一个思路，起个抛砖引玉的作用，期望大家能够把这部分做得更好，下次如果有机会，还会继续讨论相关的内容，谢谢大家，感谢观看！ 

有霍尔传感器SVPWM学习总结

这里根据PWM中断用来产生正弦波。

电机概念及分类介绍

一、电机概念介绍

从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。

这里主要介绍旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用及其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。

图一：伺服电机

二、电机分类及应用概述

众所周知，电机是传动及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式。因此人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。

图二：旋转电机的分类

三、伺服电机

伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能够将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控元件，从而达到控制目的。

伺服电机的应用现状：

    橡胶轮胎行业：轮弹簧钢丝机、线切割机、铝包钢丝机等。

    食品行业：糖度显示仪、大型烤箱、咖啡机等。

    服装行业：三菱高头机、纺纱机、电脑绣花机、印花机。

图三：绣花机电机

四、步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；通俗来说就是当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

步进电机的应用现状：

    数控机床制造领域、自动送料机、软盘驱动器、打印机、绘图仪、工业机器手、包装机械、汽车测试等。

图四：软盘驱动器

五、力矩电机

力矩电机是一种扁平形多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电机有直流力矩电机和交流力矩电机两种。

力矩电机的应用现状：

交流力矩电机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般在纺织工业中经常使用交流力矩电机。

图五：力矩电机

六、开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构及其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。    

开关磁阻电机的应用现状：

    开关磁阻电机被应用于龙门刨床、锻压机床、纺织机械、造纸机、球磨机、风机

压缩机、抽烟机等。

     图六：车用开关磁阻电机

七、无刷直流电机

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用细长的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多。

无刷直流电机的应用现状：

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。具体可分为以下三种主要用途，第一：持续负载应用，如风扇、抽水机、吹风机。第二：可变负载应用，如油泵控制、发动机控制等。第三：定位应用，应用在大多数工业控制。

图七：无刷直流电机

八、直流电机

直流电机是出现最早的电机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电机有较好的控制特性。直流电机在结构、价格、维护方面都不如交流电机，但直流电机具有调速性能好、启动容易、可载重启动等优点而被广泛应用。

直流电机的应用现状：

    生活方面，被用于很多电动产品，如风扇、刮胡刀等。在宾馆中，自动门、自动门锁、自动窗帘都用到直流电机。直流电机还广泛应用于飞机、坦克、雷达等武器装备中。直流电机还可应用于机车牵引、如铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机等。

图八：Z4直流电机

九、交流电机

异步电机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及质量较小，成本较低等优点。     

异步电机的应用现状：

    在异步电机中较为常见的是单相异步电机和三相异步电机，其中三相异步电机是异步电机的主体。三相异步电机可用于驱动压缩机、水泵、破碎机等，还可用于传动鼓风机、磨煤机、轧钢机、卷扬机等。单相异步电机在家用电气中使用较多，如电扇、冰箱、空调等。

图九：风机、冰柜电机

十、同步电机

同步电机就是在交流电的驱动下，转子和定子的旋转磁场同步运行的电机。同步电机的定子和异步电机的完全一样，但同步电机的转子有“凸极式”和“隐极式”两种。     

同步电机的应用现状：

    同步电机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件，三相同步电机是主体。同步电机还可以当调相机使用，用于向电网输送感性或者电容性无功功率。

图十：同步电机组成

十一、旋转变压器

旋转变压器是一种电磁式传感器，也称同步分解器，它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。    

旋转变压器的应用现状：

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。它可完全替代光电编码器、在机器人系统、机械工具、汽车、电力、航空航天等位置检测系统中。也可用于坐标变化、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

图十一：旋转变压器

十二、感应同步器

感应同步器将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器又被称为平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式用于检测角位移信号，直线式用

于检测线位移。

感应同步器的应用现状：

    被广泛用于大位移静态与动态测量中，如三坐标测量机、程控数控机床及高精

度重型机床及加工中心测量装置。

图十二：感应同步器

十三、自整角机

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

自整角机的应用现状：

被自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。它被广泛用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

图十三：自整角机

十四、速度信号电机

最具代表性的速度信号电机是测速发电机，实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。

速度信号电机的应用现状：

测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。

图十四：测速发电机

图十五：电机分类图

电机正反转该如何实现？

一、有刷电机结构介绍

无刷直流永磁电动机广泛地用于驱动和伺服系统中，在许多场合，不但要求电动机具有良好地启动和调节特性，而且要求电机能够正反转。本篇文章，我们着重来分析下有刷永磁直流电动机地正反转原理，为后文直流无刷电机正反转分析奠定基础。

为了更好的了解无刷电机的正反转原理，我们先以有刷电机为例来说明一下有刷电机的正反转是如何实现的。首先我们需要知道有刷电机的旋转原理，那么为了更好的了解有刷电机的工作原理，我们先来看下有刷电机的组成，下图为有刷电机的整体示意图：

图一：直流有刷电机

接下来我们将上图中的有刷电机拆开，可以看到有刷电机内部构造，首先看到的下图为定子永磁体：

图二：定子永磁体

然后是电刷，也即是有刷电机名词中的有刷的来源，就是有电刷，电刷的形式如下图三所示：

图三：电刷示意图

然后是转子结构，包括转子转轴、绕制铜线的铁芯、铜线电枢绕组、换向器组成，如下图四所示：

图四：转子结构示意图

上面介绍的电刷就是用于跟换向器进行连接的，连接的示意图如下图所示：

图五：电刷与换向器连接示意图

二、有刷电机转动原理介绍

实际工作过程中，电刷是跟外部电源引线连接的，这样电流就会从电源正极出发，经过电刷，经过与电刷连接的换向器，经过绕组，经过电刷，回到电源负极。由于转子电枢线圈处于永磁体磁场中，所以通电的线圈就会在磁场中受到安培力的作用，这样转子就会转动起来。

图六：线圈电流方向及受力方向示意图

如上图六所示，红色箭头表示线圈的受力方向，蓝色箭头表示线圈的电流方向，这样线圈将会逆时针旋转。

当旋转到下图七所示的位置时，我们可以看到，换向器连接的电源的正负发生了变化，此时线圈中的电流方向也会发生变化，因此根据左手定则，可以判断出线圈受安培力的方向，这个力会让线圈继续保持逆时针旋转。

图七：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

下图八表示线圈电流方向与图七电流方向相反，受力方向也相反，换向器，顾名思义就是让线圈中的电流流向发生变化，这里通过换向器跟电刷的连接，实现线圈的电流方向变化，实现线圈受力方向发生变化。

图八：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

就这样，线圈不断的旋转，对应的换向器连接电源的极性不断发生变化，这样就保证了线圈能持续逆时针进行旋转下去，这就是有刷电机的旋转原理。

三、有刷电机正反转

从上面的电机旋转原理来看，电机的受力跟磁场有关，跟线圈的通电方向有关，当磁场确定了，通电方向确定了，那么线圈受到安培力的方向就确定了。这个力的方向可以用左手定则来判定，具体左手定则如下图九所示：

图九：安培力判定示意图

根据上面介绍的内容，下面给出一个逆时针旋转的示意图：

图十：线圈逆时针旋转示意图

如果我们把上图十中的旋转方向规定为正向旋转，那么该怎么实现让线圈反方向旋转呢？我们说，线圈是在力的作用下转动的，那么我们只要改变力的方向是不是就可以实现线圈反方向旋转啊？如何改变力的方向呢？这里就有两种情况可以改变力的方向了。

第一种：改变线圈电流方向。

这种方法可以将电刷电源的方向交换，那么对应的换向器的电源方向就会变化，因此线圈种的电流方向也会发生变化，电流方向发生了变化，就会让线圈受力的方向发生变化，具体如下图十一所示：

图十一：线圈顺时针旋转示意图

大家可以看到，根据此时电源方向及电流方向(蓝色箭头方向)，可以用左手定则判断此时线圈所受安培力的方向如图中的红色箭头所示，因此我们可以知道线圈会顺时针旋转，也就是说，这样实现了线圈反向转动。那么我们对比逆时针旋转的电流方向可以知道，顺时针转动时，电流方向发生了180度变化。这是第一种实现线圈（电机）正反转的方法。

第二种：改变永磁体磁场方向

此时将永磁体的磁极交换，磁场方向如紫色箭头所示，线圈的电流方向不变，那么由左手定则，可以判断出线圈左侧此时所受安培力的方向向上，线圈右侧此时所受安培力的方向向下，因此线圈此时将顺时针旋转。

图十二：永磁体磁极交换

因此交换永磁体磁极，也可以实现线圈反向旋转，那么其实交换永磁体磁极就实现了永磁体磁场方向发生了180度变化，这是第二种实现线圈（电机）正反转的方法。

好了，那么关于有刷电机如何实现正反转的两种方法就给大家讲完了，关于直流无刷电机，我们下篇文章再来给大家分享，谢谢大家！

编码器的分类及增量式光电编码器的工作原理

一、编码器介绍

编码器是一种传感器，主要是用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，它是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。

近些年来，它发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的引用。

那么，光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。比较典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。

二、编码器的分类

对于编码器的分类，可以用下图一的结构来表示：

图一：编码器的分类

上图一所示的分类只是其中一种分类方法。另外，按照编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。根据检测原理，编码器可以分为光学式、磁式、感应式和电容式。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用。

三、编码器中常用的术语

1、输出脉冲数/转

旋转编码器转一圈所输出的脉冲数，对于光学式旋转编码器，通常与旋转编码器内部光栅的槽数相同（也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2倍，4倍）。

2、分辨率

分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。绝对值型不以脉冲形式输出，而已代码形式表示当前主轴位置（角度）。与增量型不同，相当于增量型的“输出脉冲/转”。

3、光栅

光学式旋转编码器，其光栅有金属和玻璃两种。如果式金属制成的，会开有通光孔槽；如果是玻璃制成的，是在玻璃表面涂了一层遮光膜，在此上面设有透明线条（槽）。在槽数少的场合，可以在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。在耐冲击型编码器上使用了金属的光栅。玻璃制的与金属制的光栅相比不耐冲击，因此在使用上请注意，不要将冲击直接施加于编码器上。

4、最大响应频率

是在1秒内能响应的最大脉冲数（例：最大响应频率为2KHz，即1秒内可响应2000个脉冲），公式如下：

最大响应转速（RPM）/ 60 *（脉冲数/转）=输出频率Hz

5、最大响应转速

是指可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲都可响应，公式如下：

最大响应频率（Hz）/ （脉冲数/转） * 60 = 轴的转速RPM

6、输出电压

是指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变换而有所变化。

7、格雷码

格雷码是高级数据，因为是单元距离和循环码，所以很安全。每步只有一位变化。数据处理时，格雷码必须转换成二进制码。

8、转速

改速度指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制，将对轴承使用寿命产生负面影响，另外信号也可能中断。

四、增量式编码器的工作原理

1、基本构造及特点

增量式光电编码器的特点是没产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差90读电角度的脉冲信号（也即是两组正交输出信号），从而可以方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器主要由光源、光栅板（码盘）、固定光栅（检测光栅）、光敏管（光电检测器件）和转换电路组成，如下图二所示：

图二：增量式光电编码器的组成

在光栅板上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与光栅板相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等。并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度电角度。当码盘随着被测轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90度电角度的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如下图三所示：

图三：增量式光电编码器的输出信号波形

2、作用原理

A、B两点对应两个光敏接受管，A、B两点间距为S2,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0:S1:S2比值相同，同理角度码盘以其它的速度匀速转动时，输出波形中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍然相同。增量式光电编码器内部工作原理示意图如下图四表示：

图四：增量式光电编码器内部工作原理

如果角度码盘做变速运动，把它看成多个运动周期的组合，那么每个运动周期输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍然相同。通过输出波形我们可知每个运动周期的时序图如下图五表示：

图五：时序图

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易的知道角度码盘的运动方向，如果光栅S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么就可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就可以得到此次角度码盘运动位移角速度。

以上就是增量式光电编码器的工作原理。那么本篇文章就给大家介绍这么多，后面有机会再给大家介绍绝对式编码器的组成及其工作原理。