该电路用于三相电机驱动系统中V相电流采样。电机相电流流过0.02Ω采样电阻,产生mV级压差;压差经前端滤波、1.65V直流偏置和运放放大后,转换为0~3.3V电压信号,供单片机ADC采集,用于FOC矢量控制、过流保护和扭矩闭环。
电路如图示

一、采样电阻单元MT2为0.02Ω高精度毫欧采样电阻,串联在V相下桥MOS管源极与地之间。

相电流流过该电阻时产生毫伏级压差,电流方向不同,压差极性相反;零电流时压差为零。该压差很小,不能直接送ADC,必须放大。0.02Ω阻值兼顾采样精度与功耗发热,适合中小功率电机驱动。PCB布局应采用开尔文四线接法,采样走线独立,避免功率走线内阻引入误差。
二、前端RC低通滤波单元前端由R426、R427、C411组成。R426、R427为10Ω、1%精密电阻,接在采样电阻两端与运放输入之间,起限流和阻抗匹配作用。两电阻阻值一致,使运放两个输入端阻抗相同,减小输入偏置电流造成的采样误差。C411为0.01μF陶瓷电容,与两电阻构成差分低通滤波,用于滤除PWM开关噪声和电机换向干扰,保留电流低频有效信号。10Ω阻值对采样信号衰减很小,不影响正常采样精度。

三、直流偏置单元直流偏置由R420、R421组成。两电阻均为20kΩ、1%精密电阻,串联在3.3V与地之间,中点接运放同相端,形成1.65V偏置电压。电机相电流为双向信号,采样压差有正有负,而单片机ADC只能采集0~3.3V正电压。加入1.65V偏置后,零电流时运放输出为1.65V;正电流时输出高于1.65V,负电流时输出低于1.65V,从而覆盖正负电流范围。分压电阻精度和批次一致性直接影响偏置稳定性,应选用同型号同批次精密电阻。
四、同相比例放大单元放大单元由U10A、R401、R402、R404组成。U10A为GS8724运算放大器,轨到轨输入输出,低噪声,适用于3.3V单电源供电。R401、R402为3kΩ、1%精密电阻,用于输入阻抗匹配,保证同相端和反相端阻抗一致,减小输入偏置电流误差。R404为10kΩ、1%反馈电阻,与R402共同决定放大倍数,该电路增益约为4.33倍。采样压差叠加在1.65V偏置上后放大。正电流使输出电压升高,负电流使输出电压降低。正10A时输出约2.516V,负10A时输出约0.784V,均在0~3.3V ADC量程内。反馈和输入电阻精度影响增益稳定性与批量一致性。
五、ADC输出滤波与电源去耦单元R405为470Ω,C402为0.01μF,组成ADC输入RC低通滤波,截止频率约33.9kHz,用于滤除运放输出残留高频噪声,使输入ADC的电压平滑稳定,避免采样值跳变。C401为0.1μF,接在运放3.3V电源引脚与地之间,用于滤除电源纹波和尖峰干扰,保证运放供电稳定。PCB布局时C401应靠近运放电源引脚。
六、设计要点采样电阻应选1%及以上精度、低温漂型,温漂建议不大于50ppm/℃。偏置分压电阻和放大电阻应选同型号、同批次精密电阻。放大倍数需根据最大相电流和ADC量程确定,保证最大电流时输出电压不超过3.3V。前端滤波和输出滤波需兼顾噪声抑制与信号延迟。运放电源去耦电容必须靠近电源引脚放置。
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