如何解决 Shunt 电阻引发的伺服电流采样误差-感算商城

在伺服驱动器的相电流采样中，速度波动是影响控制精度的关键问题，其根源往往与 Shunt 电阻的热电偶效应相关。本文以 NSI1306 隔离 ΣΔADC 的应用为例，首先剖析 Shunt 电阻误差如何引发速度波动，再深入解析金属热电偶效应的形成机理；随后对比几字型与贴片封装等不同 Shunt 电阻的表现差异，以及探讨采样电路对热电偶效应的放大或抑制作用；最后提出减小该效应的实用设计建议，为提升相电流采样精度提供参考。

Shunt 电阻误差的影响

速度波动是伺服驱动器性能的重要指标，它反映的是转矩波动，而转矩波动会导致控制精度下降。

伺服驱动器通过角度编码器读取速度和角度，并通过相电流检测读取电流，采样信息的准确性决定了控制的效果。以下分析侧重电流采样。

图1. NSI1306 电路示意

相线电流采样可以真实反映电机的电流，而低边采样存在窗口期，需要重构相电流，容易引入误差。NSI1306 作为隔离 ΣΔADC，输出码流，适用于相线电流采样；同时 MCU 可根据控制需求灵活配置抽取率，在精度与响应速度之间取得平衡。

相电流采样的误差主要来自 Shunt 电阻和 NSI1306，下文将重点讨论 Shunt 电阻带来的误差。

通过电阻的规格书，电阻的精度和温漂属于增益误差；此外，还存在由热电偶效应引起的偏置（offset）误差。增益误差主要影响的是转矩控制精度，电流的 offset 误差会引入一个电周期一次的速度波动。

在零电流时会校准一次相电流的 offset，运行过程中会计算每一相电流的 offset（一个周期的值相加）并且补偿掉，如果是采样数据不准，引入了 offset，那么经过软件的补偿，反而会导致真正的相电流 offset，破坏电流波形的对称性，引入谐波分量，改变磁场分布，从而导致电机转矩输出不均匀，进而产生转矩波动，导致速度波动。相电流偏移的软件补偿是一个电周期补偿一次，所以速度波动也是一个电周期一次。

金属的热电偶效应

在实际场景中，伺服驱动工作一段时间后速度波动变大，FFT 分析显示为一个电周期一次的速度波动，这是相电流的 offset 偏移造成的。

对 PCB 加热，速度波动加剧，以此推测该 offset 和温度强相关。经测试，更换 2512 贴片封装 Shunt 电阻后恢复正常，排查出是几字型 Shunt 电阻的问题。

加热对比测试，几字型 Shunt 电阻和贴片封装 Shunt 电阻的偏差都很小，并且电阻温漂改变的是增益，并不是 offset 。

加上焊锡后，如图2，再加热测试，几字型 Shunt 电阻的偏差变得很大。交换电桥的正负极，偏差呈现相反方向的变化，贴片封装 Shunt 电阻偏差还是很小。

图2. 几字型 Shunt 加上焊锡

根据实验结果，温度升高后，并不是电阻自身的阻值发生了较大的变化，而是存在比较大的热电偶效应。

热电偶效应如图3所示，不同的金属的自由电子的密度不同，在 AB 两金属的接触处，会发生自由电子的扩散现象。电子将从密度大的金属（A）移向密度小的金属（B），使 A 带正电， B 带负电，直至 AB 之前形成足够大的电场阻止电子扩散，达到动态平衡。

图3. 热电偶效应

从公式可以看出，热电偶效应产生的电压源大小和温度有关，和金属的材质有关。

在电路中，Shunt 电阻的热电偶等效示意如图4，对于几字型 Shunt 电阻和贴片封装 Shunt 电阻， V3、V4的位置是一样的，V1、V2位置略有不同，但很近。因此可以认为温度都是相等的。对热电偶效应有影响的只有金属材质，两者对比如表 1 所示。

图4. Shunt电阻的热电偶等效示意

表1. 几字型 Shunt 电阻和贴片封装 Shunt 电阻

电路对热电偶效应的影响

如图4，热电偶效应是两端对称的， NSI306 是差分采样，理论上可以抵消热电偶产生的信号源，但实测可以看到明显的热电偶效应。

分析采样电路，如图5所示，可以看到 RSENSE （检测电阻）的两端共模阻抗并不相同，接 INP 这一端的共模阻抗是大于 INN 端共模阻抗的，当上管导通的时候 INP 端的热电偶通过电感连接到 BUS+，上管关断的时候悬空；当上管导通的时候 INN 端的热电偶直接连接到 BUS+，下管导通的时候直接接到 BUS-。NSI1306 的 INN 端看到的热电偶电压明显小于 INP 端看到的热电偶电压。

图5. 分析采样电路

结论与建议

Shunt 电阻作为电流采样中的关键器件，其封装结构和焊接方式直接影响系统的偏移误差表现。

本文通过实测与理论分析，指出热电偶效应是高温下造成速度波动的重要干扰源，尤其在几字型封装中更为显著。差分采样虽然理论上可抵消热电偶电压，但在实际电路中由于共模阻抗不一致，仍会引入系统性偏移。因此，在高精度电流采样场景中，推荐优先选用热结构对称性更好、焊接界面更少的贴片封装Shunt电阻，以降低温漂与热电势干扰，提升系统稳定性与控制精度。