电机驱动开发学习6. 三相电流采集与过流保护

- [1. 为什么需要电流采集与过流保护](#1. 为什么需要电流采集与过流保护)
- [2. 电流采样电路原理](#2. 电流采样电路原理)
- - [2.1 U 相电流检测原理图](#2.1 U 相电流检测原理图)
- [3. 硬件过流保护电路](#3. 硬件过流保护电路)
- - [3.1 过流保护原理图](#3.1 过流保护原理图)
  - [3.2 工作原理](#3.2 工作原理)
  - [3.3 硬件保护与软件保护的分工](#3.3 硬件保护与软件保护的分工)
- [4. 软件实现](#4. 软件实现)
- - [4.1 关键宏定义](#4.1 关键宏定义)
  - [4.2 ADC 多通道 + DMA 配置](#4.2 ADC 多通道 + DMA 配置)
  - [4.3 DMA 完成回调：分离各通道并累加](#4.3 DMA 完成回调：分离各通道并累加)
  - [4.4 偏置电压校准](#4.4 偏置电压校准)
  - [4.5 主函数：电压、温度、三相电流同一帧输出](#4.5 主函数：电压、温度、三相电流同一帧输出)
  - [4.6 软件过流保护](#4.6 软件过流保护)
- [5. 实验操作](#5. 实验操作)
- - [5.1 接线](#5.1 接线)
  - [5.2 串口指令](#5.2 串口指令)
  - [5.3 现象观察](#5.3 现象观察)
  - [5.4 注意事项](#5.4 注意事项)

本系列教程学习资源来自野火官方电机教程，部分代码及博客内容摘自官方教程。

本系列教程使用野火骄阳 F407 开发板及野火有刷/无刷驱动板。

本篇代码按本人实际驱动板配置 ：采样电阻 0.02 Ω （原理图 R48 等，Current_U/V/W），电流 ADC 偏置 1.65 V（上电校准）。野火文档中另有 0.01 Ω 改版，以板上丝印/原理图为准。

在上一篇中，我们完成了电源电压 VBUS 与 NTC 温度的 ADC 采集。本篇在此基础上，继续学习驱动板上三相电流的采样原理 、硬件过流保护电路，以及如何在 STM32 中通过 ADC + DMA 读取 U/V/W 三相电流。

1. 为什么需要电流采集与过流保护

电机驱动系统中，电流是最核心的反馈量之一：

监测运行状态：空载、带载、堵转时电流差异明显，可用于保护判断。
闭环控制基础：为后面FOC作准备，因为FOC 等高级算法需要实时相电流；即使当前用六步换相开环驱动，也应具备电流观测能力。
安全保护：短路、堵转、异常负载会导致电流急剧上升，必须在毫秒级内切断功率输出，否则 MOS 管、电机绕组都有烧毁风险，这比通过NTC保护更快。

保护手段通常分两层：

方式	响应速度	实现位置	典型用途
硬件过流保护	极快（μs 级）	比较器 + 锁存 + SD 关断	瞬时过流、短路
软件过流/堵转保护	较慢（ms 级）	ADC 采样 + 程序判断	堵转检测、限流、统计

野火无刷驱动板两种都做了 ：比较器硬件直接拉低 Motor_SD_B 关断驱动；MCU 侧则通过 ADC 周期性读取三相电流，供显示、调试及后续算法使用。本文讲的是软件上的实现。

2. 电流采样电路原理

野火无刷驱动板对控制信号和 ADC 采样电路均做了隔离（光耦 + AMC1200 隔离运放），可有效抑制功率地的开关噪声。

以 U 相为例，三相（U/V/W）电路结构相同，仅采样电阻串接位置不同。

2.1 U 相电流检测原理图

信号链路如下：

复制代码

相电流 → 采样电阻(0.02Ω) → 隔离运放(×8) → 差分转单端运放(+1.65V偏置) → Motor_IU_ADC → STM32 ADC

① 采样电阻

在 U 相下桥臂回路串入 0.02 Ω、2 W、1% 采样电阻（原理图如 R48，Current_W；U/V 相各有一颗），利用欧姆定律将电流转为毫伏级电压：

V i = I × R s h u n t = I × 0.02 V_i = I \times R_{shunt} = I \times 0.02 Vi=I×Rshunt=I×0.02

② 隔离运放放大

信号经 AMC1200 隔离运放放大 8 倍 后差分输出，再经普通运放转为单端信号，并叠加 1.65 V 偏置电压 （零电流时 ADC 输入约为 1.65 V，而非 0 V，便于测量正负电流；更早期板子为 1.24 V）。

根据原理图与实测，ADC 端电压与相电流的关系为：

V c u r r e n t _ a d c = 8 × V i + 1.65 = 0.16 × I + 1.65 V_{current\_adc} = 8 \times V_i + 1.65 = 0.16 \times I + 1.65 Vcurrent_adc=8×Vi+1.65=0.16×I+1.65

因此软件中需先减去上电校准得到的偏置（零电流时约 1.65 V），再除以 8 倍放大与 0.02 Ω 采样电阻，反算电流。

③ 引脚连接（驱动板接口 2）

信号	开发板引脚	ADC 通道
Motor_IU_ADC	PF6	ADC3_IN4
Motor_IV_ADC	PF7	ADC3_IN5
Motor_IW_ADC	PF8	ADC3_IN6
VBUS	PF9	ADC3_IN7
TEMP	PF10	ADC3_IN8

3. 硬件过流保护电路

3.1 过流保护原理图

该电路对 U/V/W 三相共用一套保护逻辑，任意一相过流均可触发关断。

3.2 工作原理

比较器（LMV331）

每相 ADC 电压 Motor_IU/V/W_ADC 送入比较器反相端 IN-。
IN+ 接电阻分压基准 2V84_IN （板上硬件过流比较阈值，标称约 10 A）。
比较器规则：IN+ > IN- 输出高电平，反之输出低电平。

正常状态

三相 ADC 电压均低于 2V84_IN → 比较器输出高电平 3.3 V → 后级比较器 U33 输出低电平 → Q8 截止 → Motor_SD_B = 3.3 V → 驱动正常工作，过流指示灯不亮。

过流触发

任一相 ADC 电压超过 2V84_IN → 该相比较器输出低电平 → 经 R133/R134/C33 的 RC 网络，U33 反相端电压被拉低 → U33 输出高电平 → Q8 导通 → Motor_SD_B 被迅速拉至 0 V → 驱动芯片 SD 引脚关断 ，功率输出切断，过流指示灯点亮。

恢复过程

电流恢复正常后，比较器重新输出高电平，但保护不会立刻解除：R145/C99 的 RC 充电需达到一定电压后，U34 才重新输出高电平，使 Motor_SD_B 恢复 3.3 V。这段延时避免电流在阈值附近抖动时频繁启停。

迟滞（R144）

R144 为 U33 提供施密特迟滞：触发电压约 1.571 V，恢复电压约 1.729 V，防止临界状态反复触发。

3.3 硬件保护与软件保护的分工

项目	硬件过流	软件（ADC）
响应	极快，不依赖 CPU	受采样周期限制（约 ms 级）
阈值	约 10 A（2V84_IN）	8 A（`MOTOR_OVERCURRENT_MA`，可调）
触发后	直接关断 SD	串口打印三相电流 + 程序关断
恢复	需等 RC 充电 + 重新使能	程序可主动判断

实验时用手堵转电机或快速加载，可观察到驱动板过流灯亮、Motor_SD_B 变低，电机立即停止------这是硬件保护在起作用，与程序是否运行无关。

4. 软件实现

在 lesson5 的 ADC 框架上，扩展为 5 通道扫描采集：温度、VBUS、IU、IV、IW。

4.1 关键宏定义

c 复制代码

#define VREF                            3.3f
#define ADC_NUM_MAX                     320

#define CURR_SHUNT_OHM                  0.02f    /* 原理图 R48 等，0.02 Ω / 2 W */
#define CURR_ADC_BIAS_V                 1.65f    /* 零电流时 ADC 端典型偏置（由校准实测） */

#define GET_ADC_VDC_VAL(val)            ((float)(val) / 4096.0f * VREF)
#define GET_ADC_CURR_VAL(val)           (((float)(val) / 8.0f / CURR_SHUNT_OHM) * 1000.0f)  // mA
#define GET_VBUS_VAL(val)               (((float)(val) - 1.24f) * 37.0f)

#define MOTOR_OVERCURRENT_MA            8000   // 软件过流阈值（mA）

#define ADC_WAVE_HEADER0                0xAAU
#define ADC_WAVE_HEADER1                0x55U
#define ADC_WAVE_FRAME_LEN              12U

GET_ADC_CURR_VAL 的含义：ADC 电压 val（已去偏置）→ 除以放大倍数 8 → 除以采样电阻 0.02 Ω → 乘 1000 转为 mA。

CURR_ADC_BIAS_V 仅作说明；实际上电后电机未启动时通过 17 次采样 得到各相 adc_offset，运行时减去该偏置，无需在公式里写死 1.65 V。

与 lesson5 相同，采样数据通过串口以二进制帧 输出，而非 printf 文本。lesson6 在 lesson5 的 6 字节帧（VBUS + 温度）基础上扩展为 12 字节同一帧，将 U/V/W 三相电流与电压、温度合并输出。

4.2 ADC 多通道 + DMA 配置

使用 ADC3 + DMA2 Stream0 Channel2，开启扫描模式，连续转换 5 个通道：

Rank 1：TEMP（PF10）
Rank 2：VBUS（PF9）
Rank 3：IU（PF6）
Rank 4：IV（PF7）
Rank 5：IW（PF8）

DMA 循环搬运 320 个半字到 adc_buff[]。缓冲区按 [T, VBUS, IU, IV, IW, T, VBUS, ...] 交错排列，步长为 5。

4.3 DMA 完成回调：分离各通道并累加

c 复制代码

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    HAL_ADC_Stop_DMA(hadc);

    /* 温度、VBUS：直接求本轮均值 */
    for (uint32_t count = 0; count < ADC_NUM_MAX; count += 5)
        adc_mean += adc_buff[count];
    // ...

    /* 三相电流：累加到 sum，由 get_curr_val_x 再做平均 */
    for (uint32_t count = 2; count < ADC_NUM_MAX; count += 5)
        adc_mean += adc_buff[count];
    adc_mean_sum_u += adc_mean / (ADC_NUM_MAX / 5);
    adc_mean_count_u++;

    HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t *)&adc_buff, ADC_NUM_MAX);
}

电流通道采用多次 DMA 回调累加再求平均，比单次采样更平滑；可根据实际需求调整累加次数。

4.4 偏置电压校准

硬件零电流时 ADC 输入约 1.65 V （新版），不能当作 0 A。上电后电机未启动时，各相独立采集 17 次 平均值作为 adc_offset（实测偏置会接近 1.65 V）：

c 复制代码

int32_t get_curr_val_u(void)
{
    static uint8_t flag = 0;
    static uint32_t adc_offset = 0;

    curr_adc_mean = adc_mean_sum_u / adc_mean_count_u;
    adc_mean_count_u = 0;
    adc_mean_sum_u = 0;

    if (flag < 17) {
        adc_offset = curr_adc_mean;
        flag++;
    }
    if (curr_adc_mean >= adc_offset)
        curr_adc_mean -= adc_offset;
    else
        curr_adc_mean = 0;

    float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(curr_adc_mean);
    return GET_ADC_CURR_VAL(vdc);
}

V、W 相逻辑相同（get_curr_val_v、get_curr_val_w）。

4.5 主函数：电压、温度、三相电流同一帧输出

在 lesson5 的 AA 55 帧头上，把 U/V/W 三相电流与 VBUS、温度打包进同一帧 （12 字节），每 50 ms 发送一次。串口助手需切换到 HEX 显示：

c 复制代码

if (HAL_GetTick() % 50 == 0 && print_flag == 0) {
    print_flag = 1;
    adc_send_waveform_frame();   /* 一帧内含 VBUS + 温度 + IU + IV + IW */
}

同一帧格式（12 字节，小端 uint16）：

偏移	长度	内容	换算
0~1	2	帧头 `AA 55`	固定
2~3	2	VBUS	实际电压(V) × 100
4~5	2	温度	实际温度(℃) × 10
6~7	2	U 相电流	mA
8~9	2	V 相电流	mA
10~11	2	W 相电流	mA

示例：24.5 V、25.3 ℃、U=120 mA、V=130 mA、W=110 mA →

AA 55 92 09 FD 00 78 00 82 00 6E 00

adc_send_waveform_frame() 先调用 adc_fill_wave_snapshot() 在同一时刻读取全部 5 路量，再一次性组帧发送：

c 复制代码

static void adc_fill_wave_snapshot(uint16_t *vbus_x100, uint16_t *temp_x10,
                                   int32_t *iu_ma, int32_t *iv_ma, int32_t *iw_ma)
{
    *vbus_x100 = float_to_u16_scaled(get_vbus_val(), 100.0f);
    *temp_x10  = float_to_u16_scaled(get_ntc_t_val(), 10.0f);
    *iu_ma     = get_curr_val_u();
    *iv_ma     = get_curr_val_v();
    *iw_ma     = get_curr_val_w();
}

void adc_send_waveform_frame(void)
{
    uint8_t frame[ADC_WAVE_FRAME_LEN];
    /* 快照后写入 frame[0..11]，一次 Usart_SendBytes 发出 */
}

按键/串口控制电机的方式与 lesson4、lesson5 相同。

4.6 软件过流保护

除驱动板硬件比较器（约 10 A）外，程序在 motor_overcurrent_poll() 中周期性检测三相电流；任一相超过 MOTOR_OVERCURRENT_MA（8 A）时关断电机并打印提示：

c 复制代码

static void motor_overcurrent_poll(void)
{
    int32_t iu, iv, iw;

    if (!motor_hall_is_active())
        return;

    if (!adc_is_overcurrent(&iu, &iv, &iw))
        return;

    printf("Overcurrent: U=%ldmA V=%ldmA W=%ldmA\r\n", (long)iu, (long)iv, (long)iw);
    set_bldcm_disable();
}

主循环中同时保留 lesson4 的 Hall 堵转检测（motor_stall_poll()），形成堵转 + 软件过流 + 硬件过流三层保护。

5. 实验操作

5.1 接线

与 lesson5 相同，驱动板排线接开发板直流有/无刷电机驱动接口 2：

驱动板	开发板
5V_IN / GND	5V / GND
U+ / V+ / W+	PI5 / PI6 / PI7
U- / V- / W-	PH13 / PH14 / PH15
SD / GND	PE6 / GND
HU / HV / HW / GND	PH10 / PH11 / PH12 / GND
TEMP / VBUS	PF10 / PF9
IU / IV / IW	PF6 / PF7 / PF8

三相绕组线序（以电机说明为准）：黄 U、绿 V、蓝 W。

编码器：黄 HU、绿 HV、蓝 HW、黑 H-、红 H+。

5.2 串口指令

复制代码

d 0 \n      电机正转
d 1 \n      电机反转
v 1000 \n    速度设为 1000
v 0  \n      停转

5.3 现象观察

空载运行 ：串口每 50 ms 输出一帧 AA 55 开头的 12 字节 HEX 数据，三相电流字段（偏移 6~11）数值较小。

三相峰值错开（红/蓝/绿不同时到顶）
尖峰之间经常掉到 0
幅值在几百 mA

手捏堵转 ：电流字段明显增大；超过软件阈值（4 A）时串口打印 Overcurrent: ... 并关断；若超过硬件阈值（约 10 A），驱动板过流灯亮，电机立刻停止。
恢复：等待 RC 充电延时后，重新发送使能指令方可再次启动。

5.4 注意事项

测量精度受 VREF 影响，可用万用表实测 VDDA 后修正 bsp_adc.h 中的 VREF 宏。
软件过流阈值可在 bsp_adc.h 中修改 MOTOR_OVERCURRENT_MA（默认 4000 mA）。
电机运行中不要直接按 RESET 复位，应先停转再复位，避免反电动势损坏硬件。
采样电阻以原理图/板上丝印 为准（本板 R48 = 0.02 Ω ）；bsp_adc.h 中 CURR_SHUNT_OHM 须与之一致。野火另有 0.01 Ω 改版，勿照搬文档。
偏置电压若实测接近 1.24 V 而非 1.65 V，说明是更早期板型，仍可依赖上电 17 次 adc_offset 校准，一般无需改代码。