SciTech-EECS-MCU-STM32: 高精度实时测量: 电压、电流

硬件开发>单片机>STM32: 电流电压检测模块

参考Links

• MCU实现高精度的PWM输出和电流采样 - 21ic论坛
• Analog.com: 宽动态范围的高端电流 检测：三种解决方案
• keyence.com: 高精度测量 - 在线超高速高精度2D/3D稳定测量
• INA226: 电流，功率监控芯片应用（基于STM32工程）
• Rensas: 基于MCU的高精度测量系统

STM32电流电压检测模块

用于实时监测电路中的电压和电流值, 基于STM32微控制器（Microcontroller Unit，MCU）设计的硬件系统。

• STM32系列是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款高性能、低功耗的32位微控制器，
  
  广泛应用于工业控制、消费电子和物联网等领域。

在设计这样的检测模块时，

• 首先需要了解STM32的基本架构。

  • STM32通常具有多个模拟输入通道（ADC，Analog-to-Digital Converter），
    
    这些通道可以连接到外部传感器，如电流互感器或电压分压器，将模拟信号转换为数字信号。
  • ADC的质量直接影响到测量的精度和稳定性，因此选择合适的ADC分辨率和转换速率至关重要。
    • 硬件层面，确保ADC的输入电压范围与实际电压匹配，防止过压损坏芯片。
    • 软件层面，STM32的固件需要实现ADC的初始化、采样和数据处理功能。
      • 初始化: 包括设置ADC工作模式、转换速率、通道选择等参数。
      • 采样: 采样频率的选择, 需考虑到实时性需求，过高可能会增加处理器负担，过低可能导致测量延迟。
      • 数据处理: 可能涉及滤波算法，以减小噪声影响，提供更准确的读数。
      • 此外，为实现监测数据的可视化和远程监控，
        
        该模块可能还会集成串口通信(如UART、SPI或I2C) 或 无线通信接口(如Wi-Fi或Bluetooth）。
        
        这些接口能让模块与上位机、PC或移动设备交换数据, 用户可实时查看和记录测量值、参数、系统的变化。

• 电压测量(最常用):
  
  先用比例采样的分压电路, 将高电压适配到STM32 ADC的可接受范围。
  
  然后ADC会采集分压后的电压，并将其转换为数字值。

• 电流检测(电流测量 转换为 测量电压):
  
  通常通过 霍尔效应电流传感器 或 电流互感器 实现。
  
  这两种方法都需要将测量值送入STM32的ADC，通过软件算法进行处理，得出实际电流值。

  • 霍尔效应传感器: 利用霍尔效应，即磁场对电流产生的横向电压，来测量通过导线的电流。
  • 电流互感器: 则基于电磁感应原理，将大电流转换为小电流进行测量。

在电压电流监测模块资料包 V1.1，可能包含以下内容

1. 设计文档：详细介绍模块的设计思路、硬件选型和软件实现。
2. PCB布局图：展示模块的电路布局和元件位置。
3. STM32固件源码：包含ADC配置、数据处理和通信协议实现的代码。
4. 用户手册：指导用户如何使用该模块，包括硬件接线、软件配置和数据读取方法。
5. 测试报告：提供模块在不同条件下的性能测试结果，验证其功能和性能。
6. 示例代码和应用实例：帮助用户快速掌握，展示如何与上位机通信和数据解析。

STM32电流电压检测模块, 结合先进的微控制器技术和精密测量技术，

为各种应用提供可靠的电源监控解决方案。

开发者需要掌握STM32的硬件特性、ADC操作以及信号处理知识，才能充分利用该模块的功能。

高精度电流测量电路(MCU)

嵌入式(单片机)开发过程，会有测量电流的需求。涉及到的有：

• uA 级别的
• mA 级别的
• A 级别的
  
  以上的需求电路, 都可有通用的“同相放大”电路:
  
  
• VDD–R6–GND: 代表待测电路，
• R6: 负载(假定)，目的是为使环路形成我们想要的待测电流。
• U1: 同相放大电路的放大器
• R4: 是测量电阻, 例如1KΩ: 表示它是用于检测小电流的(uA级别的)
• 放大倍数为10倍：(R3+R2)/R1

示例分析: 假设这是一个理想放大电路，并且待测电路的电流为100uA(500KΩ)时,

• 在R4(测量电阻)上的电压是100uA*1KΩ = 10mV,
• 经过U1(放大器)的10倍放大后就是100mV。
• 经过单片机的ADC采样就可以推算出电流值。

测量范围

上面那个电路的测量范围可以这么计算，

• 前提是设置 ADC 的 Vref(参考电压) = 0.6V，
• 放大器输出端的 VAout(最大输出电压) = 0.6V，
• 放大器输入电压就是 VAin = 0.06V(因为放大器的放大倍数为10倍)。
• 就可计算出该电路的"最大测量电流"为: Icmax = VAin/Rc = 0.06V/1000Ω = 60uA(即0.00006A)。
  
  因为，电阻上的电压降 及 通过电流，符合“欧姆定律”

高精分段测量

为精确测量一个很大范围的电流值，可在以上电路基础上，更改R4的阻值实现。

在实际应用过程,通过设置多路的测量电路，每一路对应设置不同的测量电阻，

并且用MCU控制各路切换, 以达到精确的电流测量。

比如可以设置"测量电阻(可选)"：

阻值	测量的最大电流
1000Ω	60uA
120Ω	500uA
15Ω	4mA
2.3Ω	26mA
0.23Ω	260mA
0.02Ω	3A

使用比较器(MCU内部的 或 外部的)可及时转换对应通道,以 比较 检测到的输入电压 与 MCU内ADC的参考电压 的高低，

注意: 检测到的输入电压 如果 高于 MCU内ADC的参考电压时，

“有可能会”出现 ADC转换的数值 不是最大值, 而是一个随机值的情况。

实例应用之 电机控制

通过MCU实现 高精度的PWM输出 和 电流采样 是确保电机运行平稳、高效的关键。

以下是一些具体的步骤和方法:：

实现高精度的PWM输出

1. 选择合适的MCU:
   
   选择有高性能处理器和丰富外设资源的MCU, 例如最高支持248 MHz主频，
   
   才能够快速处理“电机控制算法”的复杂计算任务。
2. 配置Timer(定时器) 与 PWM控制：
   
   利用MCU的高级定时器功能，每个定时器都支持 多种PWM模式 和 死区控制 功能。
   
   通过精确配置定时器，可以生成高质量的“三相PWM驱动信号”,
   
   确保电机绕组电流的波形平滑，有效降低电机的转矩脉动和电磁噪声。
3. 优化PWM信号：
   
   为提高PWM信号的精度，可以使用2K CPLD资源来优化PWM信号生成，
   
   使其有更高的 分辨率和精度，满足电机在不同工况下的驱动需求。

实现电流采样

1. 选择合适的电流采样方式：
   
   根据系统需求和成本考虑，可以选择:
   • 高端采样、
   • 低端采样(包括单电阻、双电阻、三电阻采样)
   • 霍尔电流传感器,
   • 电流互感器。
2. 配置ADC：
   
   对需要高精度电流采样的应用，建议使用高精度的ADC模块。
   
   例如，AG32 MCU内置了3x12位ADC，每个ADC具备17个通道，支持高达3M SPS的采样率，
   
   可以实现对 电机电流 和 反电动势 的 实时、高精度采样。
3. 优化电流采样电路：
   
   在设计电流采样电路时，需要考虑“采样电阻”的功率、精度和温度系数，以及运算放大器的选择。
   
   同时，还需要注意PCB布局布线，以减少干扰和提高采样精度。
4. 软件处理：
   
   对“低端采样”方式，可能需要在软件上对采样数据进行重构和补偿，以获取准确的电流值。
   
   此外，还可以通过滤波器等方法进一步提高采样数据的精度和稳定性。

综上所述，通过选择合适的MCU、配置定时器与PWM控制、优化PWM信号、选择合适的电流采样方式、配置高精度ADC模块 以及优化 “电流采样电路”和“软件处理”等步骤，

可在电机控制上，实现高精度的PWM输出和电流采样。

这些措施有助于提高电机控制的精准性、稳定性和高效性。