一、采樣電阻的選型考量
采樣電阻的阻值選擇極為關(guān)鍵，通常在mΩ至Ω量級(jí)范圍內(nèi)。具體阻值的確定需要綜合多方面因素權(quán)衡。一方面，從應(yīng)用場景角度出發(fā)，不同的電機(jī)控制策略與系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)采樣電阻的精度與響應(yīng)速度有著差異化的要求。例如，在高精度伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，為滿足其對(duì)微弱電流變化的敏銳捕捉需求，往往傾向于選擇低阻值、高精度的采樣電阻，以降低采樣誤差，確保控制精度；而在一些對(duì)成本較為敏感且對(duì)精度要求稍低的家用電器電機(jī)應(yīng)用中，則可適當(dāng)放寬阻值公差范圍，選取成本更為經(jīng)濟(jì)的采樣電阻。另一方面，成本因素同樣不可忽視。高精度、低阻值的采樣電阻通常制造工藝復(fù)雜，成本較高。因此，在保證系統(tǒng)性能達(dá)標(biāo)的前提下，合理優(yōu)化采樣電阻的選型，尋找性能與成本的最佳平衡點(diǎn)，是電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)中的重要課題。
二、高端與低端采樣方案解析
（一）低端采樣方案
低端采樣是業(yè)界廣泛采用的一種電流采樣方式，其核心原理是將采樣電阻置于負(fù)載低端，與地相連。基于此布局，衍生出多種不同的采樣電路配置。
三電阻采樣：通過三個(gè)電阻的巧妙組合，構(gòu)成穩(wěn)定的采樣網(wǎng)絡(luò)。該方案利用電阻的分壓與電流分配特性，能夠較為精確地獲取電機(jī)相電流信息。其優(yōu)勢在于電路結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則，易于實(shí)現(xiàn)高精度的采樣效果，且在多相電機(jī)控制場景下，可較好地平衡各相采樣精度，確保電機(jī)控制的均勻性與穩(wěn)定性。因此，在對(duì)采樣精度要求較高、且成本允許的中高端電機(jī)控制系統(tǒng)中，如工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，三電阻采樣方案得到了廣泛應(yīng)用。
雙電阻采樣：簡化電路架構(gòu)，采用兩個(gè)電阻進(jìn)行采樣。雙電阻采樣通過對(duì)電阻參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證一定采樣精度的同時(shí)，有效降低了元器件數(shù)量與連接復(fù)雜度。這使得該方案在成本控制方面表現(xiàn)出色，尤其適用于對(duì)采樣精度有適度要求、且注重成本效益的電機(jī)應(yīng)用，如部分家用電器和小型工業(yè)風(fēng)扇等。其電路布局緊湊，調(diào)試難度相對(duì)較低，便于大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。
單電阻采樣：僅使用一個(gè)采樣電阻，借助特定的信號(hào)處理算法，在一個(gè)PWM周期內(nèi)對(duì)采樣電阻進(jìn)行兩次電流采樣。單電阻采樣方案在硬件成本上達(dá)到了極致優(yōu)化，大幅減少了電阻器件的使用數(shù)量與相應(yīng)的電路布板空間占用。然而，這也對(duì)其信號(hào)處理算法提出了更高要求，需要精確的時(shí)序控制與有效的噪聲抑制技術(shù)來確保采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該方案主要應(yīng)用于對(duì)成本極為敏感、且對(duì)采樣精度要求相對(duì)寬松的低端電機(jī)控制系統(tǒng)，如一些基礎(chǔ)款的電動(dòng)工具和玩具電機(jī)等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)低成本電機(jī)控制的一種有效手段。
（二）高端采樣方案
高端采樣則是將采樣電阻設(shè)置在負(fù)載高端，與母線電源相連接。與低端采樣相比，高端采樣具有獨(dú)特的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。
其優(yōu)勢在于能夠有效規(guī)避低邊MOS開關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣精度的干擾。在電機(jī)控制電路中，低邊MOS管的開關(guān)過程會(huì)產(chǎn)生瞬間電壓波動(dòng)與電磁干擾，這些干擾因素可能會(huì)通過低端采樣電路引入誤差，影響采樣電阻所檢測電流信號(hào)的真實(shí)性與穩(wěn)定性。而高端采樣由于遠(yuǎn)離低邊MOS開關(guān)的干擾源，可相對(duì)純凈地獲取電機(jī)相電流信息，從而提高電流檢測的準(zhǔn)確性與可靠性。這在一些對(duì)電流檢測精度要求極高的特殊電機(jī)控制應(yīng)用場景中，如高精度的CNC機(jī)床主軸電機(jī)控制和精密醫(yī)療設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，顯得尤為重要，能夠助力實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)、穩(wěn)定的電機(jī)調(diào)速與轉(zhuǎn)矩控制，提升整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行性能與加工精度。
然而，高端采樣的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。由于采樣點(diǎn)靠近母線電源，面臨著較高的共模電壓與復(fù)雜的電磁環(huán)境，對(duì)采樣電路的絕緣性能、電磁兼容性以及信號(hào)處理電路的抗干擾能力都提出了更為嚴(yán)苛的要求。同時(shí)，高端采樣電路往往需要采用專門的隔離器件與高精度的信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，以確保采樣信號(hào)能夠安全、準(zhǔn)確地傳輸至控制芯片進(jìn)行處理，這無疑增加了電路設(shè)計(jì)的難度與成本。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，高端采樣方案僅在對(duì)采樣精度有特殊要求且具備相應(yīng)設(shè)計(jì)資源與成本預(yù)算的項(xiàng)目中被選用。
三、采樣電路設(shè)計(jì)精要
（一）多電阻采樣策略
三電阻與雙電阻采樣：在三電阻與雙電阻采樣電路中，采樣時(shí)刻的選擇至關(guān)重要。通常選擇在SVPWM的零序矢量處進(jìn)行采樣。SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）技術(shù)在電機(jī)控制中廣泛應(yīng)用，其零序矢量時(shí)刻對(duì)應(yīng)著電機(jī)相電流相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)進(jìn)行采樣，可最大程度減少PWM信號(hào)高頻切換帶來的電流波動(dòng)與噪聲干擾，確保獲取的相電流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為后續(xù)的電機(jī)控制算法提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。雙電阻采樣方案相較于三電阻采樣，在電路布局與參數(shù)匹配方面進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，能夠有效抑制采樣過程中的零漂現(xiàn)象與溫漂影響，從而提供更為穩(wěn)定的電流測量結(jié)果。在對(duì)電流測量精度要求較高的電機(jī)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)矢量控制應(yīng)用中，雙電阻采樣憑借其優(yōu)越的穩(wěn)定性表現(xiàn)，成為設(shè)計(jì)工程師的首選方案之一，保障了電機(jī)在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速工況下的精確控制與高效運(yùn)行。
單電阻采樣：單電阻采樣方案通過獨(dú)特的時(shí)序控制策略，在一個(gè)PWM周期內(nèi)對(duì)采樣電阻實(shí)施兩次電流采樣。首次采樣獲取電機(jī)相電流的大概幅值信息，第二次采樣則著重捕捉電流變化的細(xì)節(jié)特征。經(jīng)過信號(hào)處理算法對(duì)兩次采樣數(shù)據(jù)的融合計(jì)算，能夠在一定程度上還原精確的電機(jī)相電流波形。為了提升采樣精度，該方案需要精確控制采樣時(shí)刻與采樣間隔，同時(shí)對(duì)PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)精度也有較高要求。此外，還需要配備高性能的濾波電路，以抑制采樣過程中混入的高頻噪聲與干擾信號(hào)。該方案在成本敏感型電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，如大規(guī)模生產(chǎn)的低成本變頻風(fēng)扇和電動(dòng)水泵等，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)與調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)較為理想的采樣效果與控制性能，在保證產(chǎn)品基本功能的同時(shí)，有效降低了硬件成本，提升了產(chǎn)品的市場競爭力。
（二）MOS管選型與周邊電路優(yōu)化
MOS管耐壓裕量評(píng)估：MOS管的耐壓參數(shù)選擇應(yīng)充分考慮系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種電壓波動(dòng)與尖峰情況。其耐壓值應(yīng)不低于輸入最大電壓（Vin-max）與電壓紋波（Vor）之和，并額外預(yù)留一定的裕量。這一裕量通常根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景中的電壓尖峰特性與可靠性要求來確定，一般建議在20%-30%左右。例如，在一個(gè)母線電壓為380V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，綜合考慮電壓紋波、尖峰以及可靠性因素后，應(yīng)選擇耐壓值不低于500V的MOS管，以確保在系統(tǒng)遭受電壓沖擊時(shí)，MOS管仍能可靠工作，避免因過壓而損壞，保障電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
MOS管電流承載與結(jié)溫控制：依據(jù)電機(jī)變壓器的計(jì)算，明確MOS管在工作過程中承受的平均電流與峰值電流是選型的關(guān)鍵步驟。一般而言，MOS管的電流承載能力應(yīng)滿足峰值電流要求，并留有足夠的余量以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的短暫過載情況。同時(shí)，要密切關(guān)注MOS管的結(jié)溫特性。當(dāng)MOS管的溫度升高時(shí)，其內(nèi)阻會(huì)隨之增大，這不僅會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通損耗加劇，還可能引發(fā)熱失控現(xiàn)象，最終燒毀MOS管。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需結(jié)合散熱器的選型與布局，對(duì)MOS管的結(jié)溫進(jìn)行有效控制，確保其工作在安全溫度范圍內(nèi)。通常，MOS管的結(jié)溫應(yīng)不超過其最大允許結(jié)溫的80%，以保證長期穩(wěn)定工作。
導(dǎo)通電阻Rds-on優(yōu)化：MOS管的導(dǎo)通電阻Rds-on是影響其導(dǎo)通損耗與發(fā)熱量的關(guān)鍵參數(shù)。在滿足系統(tǒng)其他性能要求的前提下，Rds-on越小越好。然而，過低的Rds-on可能會(huì)增加MOS管的成本與體積。因此，需要根據(jù)系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗允許值以及散熱設(shè)計(jì)要求，合理選取Rds-on的范圍。例如，在高效率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為降低導(dǎo)通損耗，提升系統(tǒng)效率，可優(yōu)先選擇Rds-on較小的MOS管，并配合高效的散熱設(shè)計(jì)，如使用大面積散熱片、熱導(dǎo)管或液冷散熱技術(shù)等，確保MOS管在高電流工作狀態(tài)下仍能保持較低的溫度，維持良好的性能表現(xiàn)。
（三）MOS管驅(qū)動(dòng)波形優(yōu)化
從MOS管的驅(qū)動(dòng)波形圖中可以觀察到上升與下降沿存在抖動(dòng)現(xiàn)象，這主要是由于MOS管內(nèi)部存在寄生電容與寄生電感，二者相互作用引發(fā)LC諧振。
當(dāng)PWM信號(hào)施加于MOS管的柵極時(shí)，寄生電容Cgs開始充電。當(dāng)VGS電位達(dá)到MOS管的閾值電壓（一般在4-5V）時(shí)，MOS管開始導(dǎo)通。此時(shí)，MOS管的D極電壓（整流后的電壓）會(huì)對(duì)寄生電容Cgd進(jìn)行充電，產(chǎn)生左負(fù)右正的電動(dòng)勢。隨著MOS管的進(jìn)一步導(dǎo)通，Cgd通過MOS管放電，導(dǎo)致PWM信號(hào)對(duì)Cgs的充電電流被分流，從而在驅(qū)動(dòng)波形上形成米勒平臺(tái)。在這個(gè)米勒平臺(tái)階段，MOS管的漏極電流Id迅速上升至最大值，米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間主要由米勒電容Cgd的大小決定。米勒平臺(tái)的存在不僅會(huì)延長MOS管的開關(guān)時(shí)間，增加開關(guān)損耗，還可能導(dǎo)致電磁干擾問題。為了有效抑制米勒平臺(tái)效應(yīng)，可采取以下優(yōu)化措施：一是合理選擇MOS管的參數(shù)，盡量選擇米勒電容Cgd較小的MOS管；二是在驅(qū)動(dòng)電路中添加適當(dāng)?shù)木彌_電路，減緩電壓上升沿的dv/dt，降低米勒電容的充電速度；三是優(yōu)化PCB布局，縮短驅(qū)動(dòng)回路的布線長度，減少寄生電感的影響，從而減輕米勒平臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的不良影響，提升MOS管的開關(guān)性能與系統(tǒng)效率。
當(dāng)PWM信號(hào)施加于MOS管的柵極時(shí)，寄生電容Cgs開始充電。當(dāng)VGS電位達(dá)到MOS管的閾值電壓（一般在4-5V）時(shí)，MOS管開始導(dǎo)通。此時(shí)，MOS管的D極電壓（整流后的電壓）會(huì)對(duì)寄生電容Cgd進(jìn)行充電，產(chǎn)生左負(fù)右正的電動(dòng)勢。隨著MOS管的進(jìn)一步導(dǎo)通，Cgd通過MOS管放電，導(dǎo)致PWM信號(hào)對(duì)Cgs的充電電流被分流，從而在驅(qū)動(dòng)波形上形成米勒平臺(tái)。在這個(gè)米勒平臺(tái)階段，MOS管的漏極電流Id迅速上升至最大值，米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間主要由米勒電容Cgd的大小決定。米勒平臺(tái)的存在不僅會(huì)延長MOS管的開關(guān)時(shí)間，增加開關(guān)損耗，還可能導(dǎo)致電磁干擾問題。為了有效抑制米勒平臺(tái)效應(yīng)，可采取以下優(yōu)化措施：一是合理選擇MOS管的參數(shù)，盡量選擇米勒電容Cgd較小的MOS管；二是在驅(qū)動(dòng)電路中添加適當(dāng)?shù)木彌_電路，減緩電壓上升沿的dv/dt，降低米勒電容的充電速度；三是優(yōu)化PCB布局，縮短驅(qū)動(dòng)回路的布線長度，減少寄生電感的影響，從而減輕米勒平臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的不良影響，提升MOS管的開關(guān)性能與系統(tǒng)效率。
（四）周邊器件功能與選型
下拉電阻R22的作用與選值：與MOS管并聯(lián)的下拉電阻R22在電路中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)外部干擾信號(hào)或電路中的瞬態(tài)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，由于MOS管的寄生電容Cgs存在，可能使MOS管的柵極電位發(fā)生意外變化，導(dǎo)致MOS管誤導(dǎo)通。下拉電阻R22的接入為寄生電容Cgs提供了一個(gè)可靠的放電回路，確保在無驅(qū)動(dòng)信號(hào)或驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，MOS管的柵極電位被穩(wěn)定地拉低至安全水平，防止MOS管因干擾而誤動(dòng)作。在選值方面，需要綜合考慮電路的漏電流、響應(yīng)速度以及MOS管的驅(qū)動(dòng)特性。一般而言，下拉電阻的阻值范圍在1kΩ至10kΩ之間。若阻值過大，可能會(huì)導(dǎo)致寄生電容Cgs的放電時(shí)間過長，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，MOS管無法快速響應(yīng)；而阻值過小，則會(huì)增加電路的靜態(tài)功耗。例如，在一個(gè)工作頻率較高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，可選擇4.7kΩ的下拉電阻，以在保證MOS管可靠關(guān)斷的同時(shí)，不影響其快速開通性能。
阻尼電阻R19的功能與匹配：阻尼電阻R19的主要功能是抑制驅(qū)動(dòng)電路中的振蕩現(xiàn)象，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量。若阻尼電阻R19的阻值過大，當(dāng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管開通時(shí)，由于阻值過高，可能導(dǎo)致提供給MOS管柵極的電壓不足，使MOS管無法完全開通，增加導(dǎo)通電阻Rds-on，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增大，降低系統(tǒng)效率；反之，若阻尼電阻R19的阻值過小，則會(huì)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷時(shí)，為寄生電容Cgs存儲(chǔ)的電能提供過多的釋放路徑，這部分能量通過快速恢復(fù)二極管D5進(jìn)行泄放，造成不必要的功耗損失，同時(shí)可能引發(fā)過電壓尖峰，對(duì)MOS管和其他電路元件造成損害。因此，阻尼電阻R19的選值需要根據(jù)MOS管的驅(qū)動(dòng)特性、寄生電容參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)電路的電壓電流特性進(jìn)行精確匹配。一般來說，可通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試的方法確定最優(yōu)阻值范圍，通常在100Ω至1kΩ之間，以確保驅(qū)動(dòng)信號(hào)的edge速率適中，既能保證MOS管的快速開通與關(guān)斷，又能有效抑制振蕩與功耗損失，提升整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
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