1. 為什么我要做一支FOC專用電流探頭搞電機(jī)控制的人都有一個(gè)共同的痛點(diǎn)你想看相電流波形手頭只有示波器標(biāo)配的電壓探頭。拿電壓探頭去測(cè)采樣電阻兩端的壓差理論上不是不行但實(shí)際操作中你會(huì)遇到一堆麻煩——共模干擾大、地環(huán)路噪聲、探頭地線夾引入的寄生電感讓波形全是毛刺PWM開關(guān)瞬間的尖峰根本看不清真實(shí)電流長(zhǎng)什么樣。尤其是做FOC磁場(chǎng)定向控制的時(shí)候電流環(huán)的帶寬直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)你連電流波形都測(cè)不準(zhǔn)調(diào)參基本靠猜。市面上的高帶寬電流探頭比如那種能測(cè)幾十兆赫茲的價(jià)格動(dòng)輒大幾千甚至上萬(wàn)對(duì)于個(gè)人開發(fā)者和小團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)門檻太高。而低頻的霍爾電流傳感器模塊帶寬又不夠測(cè)個(gè)幾十千赫茲的PWM載波就已經(jīng)力不從心了。所以我花了大概兩個(gè)月的時(shí)間從原理圖設(shè)計(jì)到PCB打樣做了一支專門針對(duì)FOC電機(jī)控制場(chǎng)景的電流探頭核心指標(biāo)是帶寬覆蓋常見(jiàn)FOC應(yīng)用的PWM頻率范圍精度滿足采樣電阻上的毫伏級(jí)壓差測(cè)量成本控制在兩百塊以內(nèi)。所有資料——原理圖、PCB源文件、BOM、焊接說(shuō)明、調(diào)試記錄——全部開源。這支探頭能干什么簡(jiǎn)單說(shuō)它可以串在電機(jī)相線上做非侵入式電流測(cè)量也可以直接跨接在采樣電阻兩端做差分測(cè)量輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)給示波器。適合誰(shuí)做無(wú)感FOC調(diào)試的嵌入式工程師、搞電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)的硬件工程師、參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生以及任何需要觀察電機(jī)相電流波形但預(yù)算有限的開發(fā)者。不管你是剛接觸FOC的新手還是已經(jīng)調(diào)過(guò)好幾版電流環(huán)的老手這支探頭都能幫你把波形看清楚。2. 電流探頭的整體設(shè)計(jì)思路與方案選型2.1 為什么不用霍爾傳感器而選分流電阻加差分放大做電流測(cè)量第一步要決定的是傳感方案。常見(jiàn)的有三種霍爾效應(yīng)傳感器、電流互感器、分流電阻加差分放大器?；魻柗桨傅暮锰幨歉綦x測(cè)量沒(méi)有插入損耗但帶寬普遍偏低而且溫漂大線性度在大量程下會(huì)明顯變差。電流互感器只能測(cè)交流直流分量直接丟失FOC控制里相電流是帶直流偏置的正弦波用互感器等于把最關(guān)鍵的信息砍掉了。分流電阻加差分放大器的方案核心優(yōu)勢(shì)在于帶寬可以做得很高而且直流精度取決于電阻和放大器的匹配程度只要選型得當(dāng)線性度非常好。缺點(diǎn)是插入損耗但對(duì)于FOC調(diào)試場(chǎng)景來(lái)說(shuō)電機(jī)相線上串一個(gè)毫歐級(jí)的電阻壓降通常在幾十毫伏以內(nèi)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響可以忽略。我最終選的是差分放大器加分流電阻的方案具體來(lái)說(shuō)是用一顆低失調(diào)電壓、高共模抑制比的差分放大器配合一個(gè)四線制接法的分流電阻。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分流電阻的選型。阻值太大會(huì)導(dǎo)致功耗和發(fā)熱阻值太小則輸出信號(hào)太弱信噪比上不去。我用的是一顆1毫歐、精度1%、溫度系數(shù)50ppm/℃的合金電阻額定功率3瓦。假設(shè)電機(jī)相電流峰值20安培那么電阻上的壓降是20毫伏功耗是0.4瓦遠(yuǎn)低于額定值溫升可控。20毫伏的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器100倍增益后變成2伏正好落在示波器最舒服的測(cè)量區(qū)間。2.2 差分放大器的選型邏輯與關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算差分放大器的選型我對(duì)比了三種方案分立運(yùn)放搭差分電路、集成差分放大器、隔離放大器。分立方案成本最低但電阻匹配精度要求極高普通1%精度的電阻會(huì)導(dǎo)致共模抑制比嚴(yán)重下降算下來(lái)得不償失。隔離放大器性能最好但價(jià)格直接翻了好幾倍而且需要額外的隔離電源電路復(fù)雜度陡增。最終我選了一顆集成差分放大器它的關(guān)鍵參數(shù)是這樣的共模抑制比在直流到100千赫茲范圍內(nèi)大于80分貝增益誤差小于0.1%失調(diào)電壓小于200微伏。這幾個(gè)參數(shù)為什么重要共模抑制比決定了你能否在PWM開關(guān)噪聲中提取出有用的差分信號(hào)80分貝意味著共模干擾被衰減一萬(wàn)倍。增益誤差影響的是測(cè)量精度0.1%的誤差在20安培量程下對(duì)應(yīng)20毫安的偏差對(duì)于FOC調(diào)試來(lái)說(shuō)完全夠用。失調(diào)電壓決定了零電流時(shí)的輸出偏移200微伏除以1毫歐等于200毫安的等效輸入失調(diào)這個(gè)值在軟件里做一次零點(diǎn)校準(zhǔn)就能消除。增益電阻的計(jì)算過(guò)程是這樣的差分放大器的增益公式是G等于1加Rf比Rg我需要100倍增益所以Rf比Rg等于99。選Rg為1千歐Rf就是99千歐取標(biāo)準(zhǔn)值100千歐實(shí)際增益約101倍。增益電阻的精度直接影響增益誤差我用的都是0.1%精度的薄膜電阻溫度系數(shù)25ppm/℃。這里有個(gè)細(xì)節(jié)Rf和Rg的比值精度比絕對(duì)值更重要所以選電阻的時(shí)候要關(guān)注匹配精度而不是單個(gè)電阻的精度。2.3 電源方案與PCB疊層設(shè)計(jì)探頭需要正負(fù)雙電源供電因?yàn)椴罘址糯笃鞯妮敵鲆車@零點(diǎn)上下擺動(dòng)。我用的是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)加一個(gè)虛擬地電路或者直接外接正負(fù)5伏的實(shí)驗(yàn)室電源。虛擬地電路的核心是一顆軌到軌運(yùn)放做緩沖把電池的中點(diǎn)電壓穩(wěn)定在正負(fù)2.5伏。這里要注意的是虛擬地運(yùn)放的輸出電流能力差分放大器的靜態(tài)電流加上負(fù)載電流總共不超過(guò)20毫安所以選一顆輸出電流50毫安以上的運(yùn)放就綽綽有余了。PCB疊層我設(shè)計(jì)的是四層板頂層走信號(hào)線第二層是完整的地平面第三層是電源平面底層走電源線和低速控制線。為什么用四層而不是兩層因?yàn)椴罘中盘?hào)對(duì)地的完整性要求很高兩層板很難保證差分線下方有連續(xù)的地平面一旦地平面被割裂共模抑制比會(huì)急劇惡化。四層板的成本比兩層板高不了太多但對(duì)于這種高共模抑制比的應(yīng)用來(lái)說(shuō)多出來(lái)的錢花得值。差分線的走線規(guī)則也值得說(shuō)一下。差分對(duì)的兩根線必須嚴(yán)格等長(zhǎng)誤差控制在5個(gè)密耳以內(nèi)線間距保持一致全程包地處理。差分線的阻抗我控制在100歐姆這個(gè)值不是隨便定的而是根據(jù)放大器的輸入阻抗和分流電阻的走線長(zhǎng)度綜合權(quán)衡的結(jié)果。走線太長(zhǎng)會(huì)引入寄生電感影響高頻響應(yīng)走線太短又不好布置。最終差分線長(zhǎng)度控制在15毫米以內(nèi)寄生電感大約15納亨在1兆赫茲頻率下的感抗約0.1歐姆相對(duì)于1毫歐的分流電阻來(lái)說(shuō)仍然偏大所以我又在放大器輸入端加了RC低通濾波截止頻率設(shè)在500千赫茲把高頻干擾濾掉。3. 原理圖設(shè)計(jì)與關(guān)鍵電路解析3.1 差分輸入級(jí)與共模濾波電路原理圖的第一級(jí)是差分輸入保護(hù)電路。分流電阻兩端先經(jīng)過(guò)一對(duì)串聯(lián)的10歐姆電阻然后并聯(lián)一個(gè)100納法的電容再進(jìn)入差分放大器的輸入端。這對(duì)10歐姆電阻的作用是限流防止電機(jī)相線上的浪涌電流燒毀放大器輸入級(jí)。100納法電容和10歐姆電阻組成一個(gè)截止頻率約160千赫茲的低通濾波器把PWM開關(guān)產(chǎn)生的高頻尖峰濾掉。這里有個(gè)容易踩坑的地方電容的選型。普通陶瓷電容有壓電效應(yīng)在機(jī)械振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓而電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)是不可避免的。所以我用的是C0G材質(zhì)的電容這種電容的壓電效應(yīng)極小溫度穩(wěn)定性也好。電容的耐壓值選50伏雖然實(shí)際工作電壓只有幾十毫伏但電機(jī)相線上可能出現(xiàn)瞬態(tài)高壓留足余量是必要的。差分放大器的輸入端還并聯(lián)了一對(duì)反向串聯(lián)的肖特基二極管做鉗位保護(hù)。當(dāng)輸入電壓超過(guò)正負(fù)0.3伏時(shí)二極管導(dǎo)通把電壓鉗在安全范圍內(nèi)。為什么用肖特基而不是普通硅二極管因?yàn)樾ぬ鼗膶?dǎo)通壓降更低響應(yīng)速度更快能在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)把瞬態(tài)高壓泄放掉。二極管的結(jié)電容要小我選的型號(hào)結(jié)電容小于5皮法對(duì)高頻信號(hào)的影響可以忽略。3.2 增益級(jí)與輸出緩沖的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)增益級(jí)的核心就是那顆差分放大器但外圍元件的布局很有講究。增益電阻Rf和Rg必須緊貼放大器的引腳放置走線越短越好。為什么因?yàn)樵鲆骐娮璧淖呔€如果太長(zhǎng)會(huì)引入寄生電感和電容在高頻下導(dǎo)致增益下降和相位偏移。我實(shí)測(cè)過(guò)增益電阻走線從5毫米增加到20毫米100千赫茲處的增益下降了約3%雖然不大但對(duì)于追求精度的測(cè)量來(lái)說(shuō)能避免就避免。輸出緩沖級(jí)我用了一顆單位增益穩(wěn)定的運(yùn)放配置成電壓跟隨器。為什么要加緩沖因?yàn)椴罘址糯笃鞯妮敵鲎杩雇ǔＴ趲资畾W姆量級(jí)直接接示波器的50歐姆輸入阻抗會(huì)形成分壓導(dǎo)致測(cè)量值偏低。緩沖運(yùn)放的輸出阻抗在閉環(huán)狀態(tài)下小于1歐姆可以輕松驅(qū)動(dòng)50歐姆負(fù)載。緩沖運(yùn)放選的是軌到軌輸入輸出的型號(hào)帶寬至少是差分放大器的兩倍保證整個(gè)信號(hào)鏈的帶寬不被緩沖級(jí)限制。輸出端還串聯(lián)了一個(gè)50歐姆的電阻這個(gè)電阻的作用是阻抗匹配。示波器的輸入阻抗通常是1兆歐并聯(lián)十幾皮法的電容串聯(lián)50歐姆電阻后從探頭輸出端看進(jìn)去的阻抗接近50歐姆和同軸電纜的特性阻抗匹配可以減少信號(hào)反射。這個(gè)電阻的功率選0.25瓦就夠了因?yàn)檩敵鲂盘?hào)幅度最大也就正負(fù)2伏50歐姆上的功耗最大80毫瓦。3.3 電源濾波與虛擬地電路的實(shí)現(xiàn)電源部分我設(shè)計(jì)了三級(jí)濾波。第一級(jí)是磁珠把高頻噪聲擋在電源入口外面。第二級(jí)是10微法的鉭電容提供低頻儲(chǔ)能。第三級(jí)是100納法的陶瓷電容濾除高頻紋波。三級(jí)濾波的截止頻率依次降低形成一個(gè)寬頻帶的濾波網(wǎng)絡(luò)。磁珠的選擇要注意額定電流差分放大器和緩沖運(yùn)放的總電流約15毫安磁珠的額定電流選100毫安以上直流電阻小于1歐姆避免在磁珠上產(chǎn)生太大的壓降。虛擬地電路的核心是一顆運(yùn)放加兩個(gè)等值電阻的分壓網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)10千歐的電阻串聯(lián)在正負(fù)電源之間中點(diǎn)電壓就是虛擬地。運(yùn)放接成電壓跟隨器輸出端就是低阻抗的虛擬地。這里的關(guān)鍵是分壓電阻的精度兩個(gè)電阻的誤差會(huì)導(dǎo)致虛擬地偏離真正的電源中點(diǎn)引入直流偏移。我用的是0.1%精度的電阻虛擬地偏差控制在正負(fù)2.5毫伏以內(nèi)。運(yùn)放選的是低失調(diào)電壓的型號(hào)失調(diào)電壓小于100微伏對(duì)虛擬地的影響可以忽略。虛擬地電路還有一個(gè)細(xì)節(jié)輸出端要加一個(gè)10微法的電容做去耦。這個(gè)電容的作用是吸收負(fù)載電流的瞬態(tài)變化保持虛擬地電壓穩(wěn)定。電容的等效串聯(lián)電阻要小我用的是一顆X5R材質(zhì)的陶瓷電容等效串聯(lián)電阻小于10毫歐。電容的耐壓值選10伏雖然虛擬地電壓只有2.5伏但留足余量總是好的。4. PCB布局布線與焊接調(diào)試實(shí)操4.1 四層板的疊層參數(shù)與阻抗控制PCB疊層我用的是一張常見(jiàn)的四層板結(jié)構(gòu)頂層銅厚1盎司介質(zhì)層厚度0.2毫米第二層銅厚1盎司芯板厚度1.2毫米第三層銅厚1盎司介質(zhì)層厚度0.2毫米底層銅厚1盎司。總厚度約1.6毫米和常見(jiàn)的FR4板材一致。介質(zhì)層的介電常數(shù)取4.4這是FR4在1兆赫茲下的典型值。差分線的阻抗計(jì)算我用的是微帶線模型。線寬0.2毫米線間距0.2毫米介質(zhì)層厚度0.2毫米介電常數(shù)4.4算出來(lái)的差分阻抗約100歐姆。這個(gè)計(jì)算過(guò)程可以用在線的阻抗計(jì)算工具完成但要注意工具里的參數(shù)單位線寬和間距通常用密耳介質(zhì)厚度用毫米單位搞錯(cuò)了結(jié)果會(huì)差很多。我實(shí)際打樣后測(cè)過(guò)TDR差分阻抗在95到105歐姆之間和設(shè)計(jì)值吻合得不錯(cuò)。地平面的處理是四層板的關(guān)鍵。第二層是完整的地平面不做任何分割。為什么因?yàn)椴罘中盘?hào)的回流路徑就在地平面上如果地平面被割裂回流路徑被迫繞行會(huì)形成大的環(huán)路面積引入額外的電感和輻射。第三層是電源平面也盡量保持完整只在必要的地方打過(guò)孔連接。頂層和底層的信號(hào)線換層時(shí)旁邊必須伴隨一個(gè)地過(guò)孔保證回流路徑連續(xù)。4.2 關(guān)鍵元件的布局原則與走線技巧差分放大器的布局是整塊板子的核心。放大器芯片放在板子中央偏左的位置分流電阻的輸入端放在板子最左側(cè)輸出端放在最右側(cè)信號(hào)流向從左到右避免輸入輸出之間的耦合。增益電阻緊貼放大器引腳走線長(zhǎng)度控制在3毫米以內(nèi)。反饋?zhàn)呔€要遠(yuǎn)離輸入走線防止輸出信號(hào)耦合回輸入端引起振蕩。差分對(duì)的走線我用的是緊耦合方式兩根線之間的間距等于線寬這樣可以讓差分信號(hào)的能量集中在兩根線之間減少對(duì)外輻射和對(duì)外部干擾的敏感度。差分對(duì)的兩根線必須嚴(yán)格等長(zhǎng)我用的是蛇形繞線來(lái)補(bǔ)償長(zhǎng)度差繞線的彎曲半徑至少是線寬的3倍避免阻抗突變。差分對(duì)下方不允許有其他的信號(hào)線穿過(guò)地平面必須完整。電源走線要足夠?qū)挕２罘址糯笃骱途彌_運(yùn)放的總電流雖然只有15毫安但電源走線的寬度我用了0.5毫米對(duì)應(yīng)的載流能力約1安培余量充足。電源走線從電源入口到各個(gè)芯片的路徑要盡量短避免形成大的電源環(huán)路。每個(gè)芯片的電源引腳旁邊都放一個(gè)100納法的去耦電容電容的接地端通過(guò)過(guò)孔直接連到地平面過(guò)孔到電容焊盤的距離小于1毫米。4.3 焊接順序與調(diào)試步驟實(shí)錄焊接這塊板子我的順序是這樣的先焊最小的元件再焊大的。具體來(lái)說(shuō)先焊0402封裝的電阻電容再焊SOT23-5封裝的運(yùn)放最后焊連接器和分流電阻。為什么先焊小的因?yàn)樾≡?duì)熱風(fēng)槍的溫度更敏感先焊完小元件后焊大元件時(shí)可以用較低的溫度減少對(duì)小元件的熱沖擊。分流電阻是2512封裝的合金電阻體積大熱容量也大放在最后焊用大功率烙鐵加焊錫膏確保焊點(diǎn)飽滿。焊接完成后第一步是目視檢查。用放大鏡看每個(gè)焊點(diǎn)有沒(méi)有虛焊、連錫、立碑。特別是差分放大器的引腳間距只有0.65毫米很容易連錫。發(fā)現(xiàn)連錫用吸錫線清理清理后重新補(bǔ)焊。第二步是測(cè)電源對(duì)地阻抗用萬(wàn)用表測(cè)正負(fù)電源對(duì)地的電阻正常值應(yīng)該在幾百歐姆以上如果接近零歐姆說(shuō)明有短路必須排查清楚再上電。上電調(diào)試分三步走。第一步只焊虛擬地電路不焊差分放大器和緩沖運(yùn)放上電測(cè)虛擬地電壓是否在正負(fù)2.5伏左右。如果偏差超過(guò)50毫伏檢查分壓電阻的精度和運(yùn)放的失調(diào)電壓。第二步焊差分放大器輸入端短接到地測(cè)輸出端的失調(diào)電壓。理想情況下輸出應(yīng)該在零伏附近實(shí)際會(huì)有幾十毫伏的偏移這個(gè)偏移在軟件里做零點(diǎn)校準(zhǔn)就行。第三步焊緩沖運(yùn)放輸入端接一個(gè)已知的直流電壓測(cè)輸出端電壓是否跟隨。如果輸出不跟隨或者振蕩檢查緩沖運(yùn)放的反饋?zhàn)呔€是否太長(zhǎng)或者負(fù)載電容是否太大。5. 實(shí)測(cè)波形分析與常見(jiàn)問(wèn)題排查5.1 用示波器觀察FOC相電流的真實(shí)波形探頭調(diào)試完成后我把它接到一臺(tái)無(wú)感FOC驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷電機(jī)上做實(shí)測(cè)。電機(jī)參數(shù)是24伏供電額定電流5安培極對(duì)數(shù)7PWM頻率20千赫茲。分流電阻串在U相下橋臂和地之間探頭跨接在分流電阻兩端。示波器用的是1兆歐輸入阻抗帶寬限制在20兆赫茲采樣率100兆采樣點(diǎn)每秒。實(shí)測(cè)波形非常干凈。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)相電流是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波頻率和電機(jī)電角度同步。PWM載波頻率20千赫茲在波形上看不到明顯的紋波因?yàn)樘筋^的500千赫茲低通濾波器把載波濾掉了。電流峰值約3安培對(duì)應(yīng)分流電阻上的壓降3毫伏經(jīng)過(guò)101倍放大后是303毫伏示波器上顯示得很清楚。高速運(yùn)行時(shí)相電流頻率升高到500赫茲波形仍然保持正弦形狀沒(méi)有明顯的相位延遲說(shuō)明探頭的帶寬足夠。有一個(gè)細(xì)節(jié)值得注意在PWM開關(guān)瞬間波形上還是能看到一些高頻振鈴頻率大約在5兆赫茲左右。這是分流電阻的寄生電感和探頭輸入電容形成的諧振。振鈴的幅度不大約50毫伏峰峰值相對(duì)于300毫伏的信號(hào)來(lái)說(shuō)占15%左右。如果要做高精度的電流環(huán)分析可以在軟件里做數(shù)字濾波或者把探頭的低通濾波器截止頻率再降低一些但那樣會(huì)影響相位裕度需要權(quán)衡。5.2 常見(jiàn)問(wèn)題速查表與排查思路現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案輸出始終為零電源未接通或放大器損壞測(cè)放大器電源引腳電壓檢查電源連接更換放大器輸出飽和到正負(fù)電源軌增益電阻虛焊或短路測(cè)增益電阻阻值重新焊接或更換電阻波形上有高頻振蕩緩沖運(yùn)放負(fù)載電容過(guò)大在輸出端串聯(lián)小電阻加22歐姆隔離電阻共模干擾嚴(yán)重差分線不等長(zhǎng)或地平面割裂檢查差分線長(zhǎng)度和地平面重新走線保證地平面完整零點(diǎn)漂移大虛擬地不穩(wěn)定或放大器溫漂測(cè)虛擬地電壓和放大器溫度加強(qiáng)虛擬地去耦更換低漂移放大器帶寬不足低通濾波器截止頻率太低計(jì)算RC截止頻率減小濾波電容或電阻這張表里的每一個(gè)現(xiàn)象我都實(shí)際遇到過(guò)。比如輸出飽和到電源軌這個(gè)問(wèn)題我第一次打樣的時(shí)候增益電阻的一個(gè)焊盤虛焊導(dǎo)致反饋回路斷開放大器開環(huán)工作輸出直接飽和。排查的時(shí)候用萬(wàn)用表測(cè)增益電阻兩端的阻值發(fā)現(xiàn)是無(wú)窮大重新補(bǔ)焊后問(wèn)題解決。還有一次是波形上有高頻振蕩頻率約10兆赫茲原因是緩沖運(yùn)放的輸出端直接接了一根長(zhǎng)同軸電纜電纜的電容約100皮法和運(yùn)放的輸出阻抗形成了相位裕度不足。在輸出端串聯(lián)一個(gè)22歐姆的電阻后振蕩消失。5.3 提升測(cè)量精度的幾個(gè)實(shí)操技巧第一個(gè)技巧是四線制接法。分流電阻的走線要從電阻的焊盤內(nèi)側(cè)引出而不是從焊盤外側(cè)。為什么因?yàn)楹副P本身有電阻如果從外側(cè)引出焊盤的電阻會(huì)被算進(jìn)分流電阻里導(dǎo)致測(cè)量值偏大。四線制接法把電流路徑和電壓測(cè)量路徑分開電壓測(cè)量路徑上幾乎沒(méi)有電流焊盤電阻的影響可以忽略。具體做法是在分流電阻的每個(gè)焊盤上引出兩根線一根走電流一根走電壓測(cè)量。第二個(gè)技巧是溫度補(bǔ)償。分流電阻的阻值隨溫度變化雖然合金電阻的溫度系數(shù)只有50ppm/℃但在大電流下電阻自身發(fā)熱溫升可能達(dá)到20到30攝氏度阻值變化約0.1%到0.15%。對(duì)于精度要求高的場(chǎng)合可以在分流電阻旁邊貼一個(gè)熱敏電阻用軟件做溫度補(bǔ)償?；蛘吒?jiǎn)單的辦法是讓分流電阻的功率余量足夠大實(shí)際功耗遠(yuǎn)低于額定功率溫升控制在10攝氏度以內(nèi)。第三個(gè)技巧是零點(diǎn)校準(zhǔn)。每次上電后在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下采一次輸出端的電壓把這個(gè)值作為零點(diǎn)偏移后續(xù)的測(cè)量值都減去這個(gè)偏移。零點(diǎn)偏移主要來(lái)自放大器的失調(diào)電壓和虛擬地的偏差這兩個(gè)值都會(huì)隨溫度變化所以零點(diǎn)校準(zhǔn)最好在探頭預(yù)熱10分鐘后進(jìn)行。我實(shí)測(cè)過(guò)預(yù)熱前后的零點(diǎn)偏移相差約5毫伏對(duì)于300毫伏的信號(hào)來(lái)說(shuō)占1.7%做一次校準(zhǔn)就能消除。6. 開源資料說(shuō)明與二次開發(fā)建議6.1 開源文件清單與使用說(shuō)明所有開源文件我整理成了四個(gè)部分。第一部分是原理圖格式是PDF和源文件兩種PDF方便直接查看源文件可以用主流的EDA工具打開修改。第二部分是PCB源文件包含四層板的疊層設(shè)置、走線規(guī)則、元件封裝可以直接導(dǎo)出Gerber文件去打樣。第三部分是BOM表包含元件型號(hào)、封裝、精度、溫度系數(shù)、推薦供應(yīng)商BOM里還標(biāo)注了哪些元件是關(guān)鍵元件不能隨意替換。第四部分是調(diào)試記錄包含實(shí)測(cè)波形截圖、問(wèn)題排查過(guò)程、參數(shù)調(diào)整記錄方便復(fù)現(xiàn)和參考。使用這些文件的時(shí)候有幾點(diǎn)要注意。原理圖和PCB的源文件是用特定版本的EDA工具創(chuàng)建的版本不兼容的話可能打不開建議用最新版本的工具。BOM里的元件型號(hào)是經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的替換元件時(shí)要注意關(guān)鍵參數(shù)比如差分放大器的共模抑制比和失調(diào)電壓增益電阻的精度和溫度系數(shù)這些參數(shù)直接影響測(cè)量精度。調(diào)試記錄里的波形是在特定條件下測(cè)的你的測(cè)試條件不同的話波形可能有差異這是正常的。6.2 不同應(yīng)用場(chǎng)景下的參數(shù)調(diào)整建議這支探頭的設(shè)計(jì)是通用的但不同的應(yīng)用場(chǎng)景可能需要調(diào)整一些參數(shù)。比如你測(cè)的電機(jī)電流更大峰值到50安培那么分流電阻的阻值要減小到0.5毫歐否則功耗會(huì)超過(guò)額定值。阻值減小后輸出信號(hào)也減半需要把增益提高到200倍或者換一顆失調(diào)電壓更低的放大器。再比如你測(cè)的PWM頻率更高到100千赫茲那么低通濾波器的截止頻率要相應(yīng)提高否則電流波形的高頻成分會(huì)被濾掉。截止頻率提高后高頻噪聲也會(huì)進(jìn)來(lái)需要在軟件里做數(shù)字濾波。還有一個(gè)場(chǎng)景是測(cè)三相電流。這支探頭是單通道的測(cè)三相需要三支探頭。三支探頭的零點(diǎn)偏移和增益誤差要匹配否則三相電流的對(duì)稱性會(huì)受影響。匹配的方法是在軟件里對(duì)每支探頭單獨(dú)做校準(zhǔn)記錄每支探頭的零點(diǎn)偏移和增益系數(shù)測(cè)量時(shí)分別修正。如果不想用三支探頭也可以用一個(gè)多路復(fù)用器切換三路信號(hào)但切換速度要足夠快至少在PWM周期內(nèi)完成三次采樣。6.3 后續(xù)可以擴(kuò)展的方向這支探頭目前是模擬輸出的后續(xù)可以加一個(gè)ADC和單片機(jī)做成數(shù)字輸出的版本。數(shù)字輸出的好處是可以直接通過(guò)USB或者串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上用軟件做實(shí)時(shí)分析和記錄。ADC的選型要注意采樣率和分辨率FOC的電流環(huán)帶寬通常在1到5千赫茲根據(jù)奈奎斯特采樣定理采樣率至少是帶寬的兩倍實(shí)際工程中取10倍以上比較穩(wěn)妥所以采樣率至少50千采樣點(diǎn)每秒。分辨率選12位以上對(duì)應(yīng)300毫伏的信號(hào)量化誤差小于0.1毫伏完全夠用。另一個(gè)擴(kuò)展方向是加隔離。目前的探頭是直接連接的分流電阻和示波器共地。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的地和示波器的地之間有電位差會(huì)形成地環(huán)路引入干擾。加一個(gè)隔離放大器或者數(shù)字隔離器可以切斷地環(huán)路提高測(cè)量的可靠性。隔離方案的代價(jià)是成本增加和帶寬可能受限需要根據(jù)具體應(yīng)用權(quán)衡。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和示波器用同一個(gè)電源插座地電位差通常不大不隔離也能用。如果兩者距離很遠(yuǎn)或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是浮地供電的隔離就很有必要了。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是這支探頭最大的價(jià)值不在于它的性能有多極致而在于它把FOC電流測(cè)量的門檻降到了足夠低。你不需要花大幾千買商用探頭也不需要復(fù)雜的隔離電源用兩百塊的成本和兩個(gè)周末的時(shí)間就能得到一支帶寬和精度都?jí)蛴玫奶筋^。踩過(guò)的坑主要集中在PCB布局和焊接上差分線的等長(zhǎng)和地平面的完整性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)焊接時(shí)的虛焊和連錫是調(diào)試階段最常見(jiàn)的故障源。最后再分享一個(gè)小技巧調(diào)試的時(shí)候先用一個(gè)已知的直流電流源做校準(zhǔn)比如用一節(jié)電池串聯(lián)一個(gè)功率電阻產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流電流測(cè)出來(lái)的值和你用萬(wàn)用表測(cè)的值對(duì)比偏差在1%以內(nèi)就說(shuō)明探頭工作正常了。