FOC电流采集方案总结

基于之前的讨论，现将FOC（磁场定向控制）中电流采集的完整方案重新总结，重点澄清**PWM中心对齐模式下ADC触发时机的正确配置方法**。

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### 一、核心目标

FOC需要实时获取三相定子电流 \(I_u\)、\(I_v\)、\(I_w\)，经坐标变换后用于电流闭环控制。**采样精度和采样时刻的准确性**直接影响控制性能。

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### 二、硬件方案对比

| 方案 | 原理 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|------|------|------|------|----------|
| **三电阻低侧采样** | 每相下桥臂与地之间串联采样电阻，差分运放放大后送ADC | 成本低、电路简单、三相互不干扰 | 采样窗口受占空比限制（需下桥臂导通） | **大多数低压电机控制（推荐）** |
| **单电阻母线采样** | 直流母线负端串联单电阻，利用PWM不同状态重构电流 | 节省元器件、PCB面积小 | 算法复杂，低速性能差 | 成本敏感、空间受限的低功率应用 |
| **霍尔/磁通门传感器** | 相线上使用隔离式电流传感器 | 宽带宽、隔离、可全时刻采样 | 成本高、体积大 | 高压、大功率、高性能工业驱动 |

**本文以最常用的“三电阻低侧采样”方案展开。**

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### 三、PWM与ADC触发配置（关键修正）

#### 1. PWM模式：中心对齐（中央对齐）

中心对齐模式（三角波载波）是SVPWM的基础，能降低谐波、提高直流电压利用率。

#### 2. 采样窗口分析

- **下溢时刻（CNT=0）**：三相下桥臂全部导通，电流流过采样电阻，**可测得真实相电流**。
- **上溢时刻（CNT=ARR）**：三相下桥臂全部关断，采样电阻上无有效电流信号，**不可用于电流采样**。

#### 3. ADC触发方式（重要修正）

**常见误区**：设置 `TIM_CounterMode_CenterAligned1` 并不能让更新事件仅在下溢发生。  
**事实**：无论中心对齐模式1/2/3，在 `TIMx_RCR = 0` 时，更新事件（UEV）都会在**上溢和下溢时各产生一次**。

**正确做法——实现“仅下溢触发ADC”的三种方案**：

| 方案 | 实现方法 | 优点 | 缺点 |
|------|----------|------|------|
| **方案一：重复计数器** | 设置 `TIMx_RCR = 1`，更新事件每两次溢出发生一次 | 简单，无需额外资源 | 无法区分上/下溢，若上下溢采样条件相同可用 |
| **方案二：比较通道触发（推荐）** | 使用空闲比较通道（如CH4），设置 `CCR = 0`，将该通道的OC事件作为TRGO触发ADC | 精确在下溢触发，无冗余中断 | 需占用一个比较通道 |
| **方案三：软件判断** | ADC中断中读取 `CNT` 值，判断是否为下溢附近 | 不修改硬件配置 | 浪费一半中断资源，时序有不确定性 |

**推荐方案二的配置示例（TIM8）**：
```c
// 1. 配置PWM输出通道（CH1~CH3）用于电机控制
// 2. 配置空闲通道CH4为比较输出
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;      // PWM模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;                     // CCR = 0
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC4Init(TIM8, &TIM_OCInitStructure);

// 3. 设置TRGO源为OC4REF
TIM_SelectOutputTrigger(TIM8, TIM_TRGOSource_OC4Ref);

// 4. ADC触发源选择 TIM8_TRGO
```

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### 四、硬件设计要点（三电阻低侧采样）

#### 1. 采样电阻
- 阻值：10mΩ 典型值
- 功率：\( I_{peak}^2 \times R \times 裕量\)

#### 2. 差分运放
- 将采样电阻两端电压放大至ADC输入范围（0~3.3V）
- 常用芯片：INA180、INA240、LMV358
- **偏置**：单电源供电时，输出中点偏置到 \(V_{REF}/2\)（如1.65V），以表示双向电流
- 增益选择：
  \[
  Gain = \frac{V_{REF}/2}{I_{max} \times R_{sense}}
  \]
  例如 \(I_{max}=20A, R=0.01\Omega\)，则 \(Gain \approx 8.25\)，实际取8或10倍

#### 3. 滤波器
- 运放输入/输出端加RC低通滤波，截止频率约2~4kHz，抑制开关噪声

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### 五、软件处理流程

#### 1. ADC配置
- 三通道（U、V、W）规则组，由定时器TRGO触发
- 使能DMA自动存储结果，减少CPU开销
- 转换完成后（DMA半满/全满中断）触发电流环计算

#### 2. 电流计算
ADC原始值（12位）转换：
\[
V_{ADC} = \frac{adc}{4095} \times V_{REF}
\]
\[
I = \frac{V_{ADC} - V_{offset}}{Gain \times R_{sense}}
\]
其中 \(V_{offset} = V_{REF}/2\)。

#### 3. 电流环执行时机
- 在下溢触发ADC并完成转换后，立即执行电流环计算
- 计算出的占空比更新值在下一个PWM周期生效（与采样时刻同步）

#### 4. 数据校验
三相电流应满足 \(I_u + I_v + I_w \approx 0\)，可作为ADC或运放故障的判断依据。

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### 六、关键注意事项

| 项目 | 要求 |
|------|------|
| **采样窗口** | 确保下桥臂导通时间大于ADC采样+转换时间。若占空比过小，需限制最小占空比或增大采样保持时间 |
| **运放输出范围** | 峰值电流下运放输出不饱和，且不超出0~3.3V |
| **ADC采样时间** | 配置为较长采样周期（如15个ADC时钟），配合外部电容稳定信号 |
| **时序同步** | 电流环必须在下一个PWM周期开始前完成计算，否则会产生相位滞后 |
| **PCB布局** | 采样电阻和运放靠近下桥臂，差分走线，避免开关噪声耦合 |

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### 七、方案总结

| 项目 | 推荐配置 |
|------|----------|
| 硬件拓扑 | 三电阻低侧采样 + 差分运放（偏置VREF/2） |
| PWM模式 | 中心对齐（用于SVPWM发波） |
| ADC触发 | **比较通道（CCR=0）输出TRGO**，精确在下溢触发 |
| 采样频率 | 等于PWM频率（如20kHz） |
| 数据处理 | ADC + DMA，在转换完成中断中执行电流环 |
| 电流环频率 | 与PWM频率相同，与采样同步 |

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### 八、补充说明

- 若使用**高侧采样**或**隔离电流传感器**，上下溢时刻均可采样有效电流，此时可采用 `RCR=1` 方案简化触发配置，采样率仍为PWM频率。
- 若资源紧张且PWM频率不高（如10kHz以下），也可在PWM周期中断中直接启动ADC并等待转换完成，但会占用CPU时间。

以上方案经过修正，澄清了中心对齐模式下更新事件的实际行为，并提供了可靠的“仅下溢触发”实现方法，可直接用于STM32F4系列的实际FOC项目开发。