基于PSoC?4的矢量控制方案 ：电流采样

1. 引言

Cypress在2013年3月推出PSoC®4可编程片上系统架构, 它将赛普拉斯一流的PSoC®模拟和数字架构以及业界领先的CapSense®电容式触摸技术同ARM®的低功耗Cortex™-M0内核完美相结合。这款真正可扩展的低成本架构可提供PSoC®标志性的高灵活性、模拟性能和高集成度，而且能提供数十种免费的PSoC组件(Components™), 可适用于很多类应用，如PMSM马达控制、家电用户界面、手持医疗、温度传感、安全访问、物联网等等. 本文即以CY8C4200为例，介绍如何使用PSoC®4在马达矢量控制方案中实现双电阻电流采样。

2. PSoC®4 简介

PSoC®4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可编程嵌入式系统控制器家族，它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。相对于PSoC3、PSoC5系列产品的各个方面, PSoC®4都做了很大的改进。PSoC®4现包含CY8C4100 和CYCY8C4200两个产品系列，PSoC4100系列是基于ARM内核的最低成本的PSoC，它将PSoC的灵活性和高集成度引入对成本敏感的大批量生产的产品中。PSoC4200系列拥有速度更快的处理器，更高的ADC采样速度，以及基于PLD的增强型通用数字模块(UDB)。

图 1是PSoC®4的系统框图，以下概括了其主要特性，详细内容可以参考Cypress网站上的PSoC®4的数据手册。

高性能 Cortex-M0 CPU 内核。基于48 MHz ARM Cortex®-M0 中央处理器 , 支持单周期乘法。

最大支持 32KB 闪存(Flash)， 最大支持 4KB SRAM 存储器。

固定功能以及可配置的数字模块。包括四个独立的可支持中央对齐的PWM，支持互补的可编程死区及同步ADC操作;两个可工作为SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模块(SCB);LCD 驱动，可以驱动多达4个Common和32个Segment的LCD控制器。

高性能模拟系统。包括一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC; 两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器; 两个低功耗比较器;一个电容感应(CapSense)模块，提供极佳的信噪比和防水功能;两个电流数模转换器 (IDAC)。

高度可编程的数字逻辑。四个可编程数字逻辑模块(UDB)，每个包含两个微型的可编程逻辑阵列和一个8位数据运算单元 。

灵活可编程的内部互连。

低功耗运行模式: Sleep、Deep Sleep、Hibernate 和Stop

SWD 编程及调试单元，全面支持PSoC Creator IDE 工具

3. 电流采样方法分析

矢量控制中，精确的采样定子电流至关重要。电流采样的精度和实时性在很大程度上决定了系统的动态、静态性能。因此，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要条件，是整个系统的基础。在矢量控制系统中，常见的电流检测方案有霍耳电流传感器、使用采样电阻等方案。其中采用采样电阻是一种常见的高性价比的方案。

采用采样电阻的方式一般又分三电阻采样方式、双电阻采样方式和单电阻采样方式。下面将对这三种采样方式做一下分析。

1) 三电阻采样

三电阻典型采样电路如图3所示, 到 是6个功率晶体管。三个下桥臂分别串联一个采样电阻，采样电阻上的电压信号再经过运放送达ADC。单片机通过ADC分别采样三相电流。采样时刻在三相上桥臂截止的时刻，如图4所示。此时相电流通过二极管进行续流，通过采样续流电流可以得到真实的相电流。

三电阻采样方式较为灵活。当某相电压占空比达到100%时，该相下桥臂关闭，采样电阻上无续流电流。此时可以采样其他两相电流，通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出该相电流。当某项电压占空比较高时，续流时刻较短，功率管开关会造成电流振荡，此时采样会造成较大误差。此种情况也可通过采样其他两相电流进行重构。

三电阻采样方式在某相占空比达到100%时也可对相电流进行精确采样，因此电压利用率高。同时也支持两相PWM调制。缺点是成本稍高，需要3个采样电阻，三个运放。

2) 双电阻采样

双电阻典型采样电路如图5所示, 到 是6个功率晶体管。在U相及V相两个下桥臂分别串联一个采样电阻，采样电阻上的电压信号再经过运放送达ADC。单片机通过ADC分别采样UV两相电流。采样时刻在三相上桥臂截止的时刻，与三电阻方式相同，如图4所示。此时相电流通过二极管进行续流，通过采样续流电流可以得到真实的相电流。采样UV两相电流后，通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出W相电流。

一般情况下，双电阻采样方式可以实现三相电流的重构。但当U或V相电压占空比达到100%时，此时该相下桥臂关闭，采样电阻上无续流电流，无法进行