一、电流环是什么

lesson11/12 分别以 转速（RPM） 和 霍尔累计位置 为被控量。本章把控制目标换成 相电流（mA）：给定 目标电流，PID 自动调节 PWM 占空比，使采样电流逼近目标——在理想情况下电机输出 近似恒定转矩。

这就是 单环电流闭环：被控量是 ADC 采样的相电流，执行量仍是 PWM 占空比，反馈来自 lesson6 已在 bsp_adc.c 中实现的三相电流采集与零偏校准。

1.1 与其它单环的区别

环	被控量 SP/ACT	典型现象	适用场景
速度环（lesson11）	RPM	恒速运行，负载变化时自动加力	风扇、输送带
位置环（lesson12）	霍尔计数	转到指定位置后停下	定点定位
电流环（本章）	相电流 (mA)	恒流/恒力矩倾向，响应快	力控、串级内环

三者 PID 公式相同（位置式，lesson8/9），差别在于 反馈量纲 与 整定思路：

• 速度环：误差单位是 RPM，输出对应「需要多快」；
• 位置环：误差单位是计数，输出对应「需要转多远」；
• 电流环：误差单位是 mA，输出对应「需要多大驱动电压/占空比」；方向由用户单独设定（按键 K3/K4 或串口 d），PID 只调节电流幅值。

1.2 电流反馈：三相 ADC 与 get_curr_val_max()

lesson6 已在 ADC3 + DMA 中轮询采集 U/V/W 三相电流（PF6/PF7/PF8）。本章在 lesson6 基础上 改进了零偏校准（见 §1.6），静止时 ACT 应接近 0，否则电流环无法启动。

int32_t get_curr_val_u(void);   /* U 相电流，单位 mA */
int32_t get_curr_val_v(void);
int32_t get_curr_val_w(void);
int32_t get_curr_val_max(void); /* 三相最大值，作为电流环反馈 ACT */

void adc_curr_recalibrate(void);   /* 重新做零偏校准（s 0 / cal 时调用） */
uint8_t adc_curr_is_calibrated(void); /* 1=校准完成，电流环才输出 PWM */

六步换相下 同一时刻只有两相导通，未导通相采样可能接近 0。本章取 三相最大值 作为反馈，实现简单、便于观察；精度不如 FOC 的 d/q 轴电流分解，但对 学习单环 PID 结构 足够。

项目	说明
采样电阻	0.02 Ω（本板 R48 等）
零偏	上电 静止 时自动校准，偏置电压约 1.65 V
正常运行	空载约 0.3～1 A，带载 3～5 A
软件过流	8000 mA，连续 200 ms 关断（lesson6）

1.3 六步换相下的说明

野火官方文档指出：六步换相转矩不够平稳，纯电流环力矩控制效果有限；完整力矩控制需 FOC/SVPWM（lesson16 及以后）。本章仍用六步换相 + 单环电流 PID，目的是：

1. 理解 电流作为反馈量 的 PID 闭环结构；
2. 为 后面的 电流→速度→位置串级 打基础（电流环作最内环）；
3. 配合 VOFA+ / FreeMASTER 观察 SP、ACT、PWM 的跟随关系。

1.4 控制周期

野火有刷电流环官方例程使用 25 ms 周期。本章沿用 25 ms（HAL_GetTick() 节拍，与 lesson11/12 的 50 ms 不同）。改周期后 Kp/Ki/Kd 须重调，且 dt 必须与周期严格一致（CURR_PID_DT = 0.025f）。

1.5 电流环特有问题

问题	说明	本章处理思路
零偏未校好	停转 ACT≈7000 mA，ERR 为负，OUT=0	§1.6：s 0 → cal → 等 2s
采样噪声	电流 ADC 波动大，ACT 曲线不够平滑	官方偏 Ki 主导；看均值趋势
换相脉动	运行中 ACT 在几百 mA 范围跳动	§1.6.3 属正常；用 max(U,V,W) 近似
方向与电流	电流采样无符号	方向由 d/K3/K4 设定，PID 输出 ≥0
SP=0 停转	目标电流为 0 应关断	CURR_PID_STOP_MA 阈值停 PWM
与过流保护冲突	闭环目标过高触发保护	SP 上限 6000 mA，低于过流 8000 mA

1.6 电流零偏校准

电流采样是 差分测量：零电流时 ADC 仍有约 1.65 V 偏置，须先测出偏置再减掉，否则会把偏置当成电流。

1.6.1 本章校准策略

项目	值	说明
ADC_CURR_CAL_SETTLE_MS	800 ms	上电后先等模拟/front-end 稳定，再开始累计偏置
ADC_CURR_CAL_SAMPLES	64 次	对每相 ADC 原始均值 取平均 作为 adc_offset
校准期间 ACT	强制为 0	避免未校完就参与 PID
校准完成标志	adc_curr_is_calibrated()==1	串口 pid 显示 cal=1

s 0 停环 或串口 cal 会调用 adc_curr_recalibrate()，重新计时并累计 64 次；校准完成前电流环 不算 PWM 输出。

1.6.2 典型故障：停转 ACT 却显示 7000+ mA

旧版 lesson6 逻辑在上电后 很快用单次采样锁零偏，模拟未稳定时偏置偏低 → 静止也显示约 7～8 A → 后果：

ACT 虚高 → ERR = SP − ACT 为负 → OUT 被钳在 0 → 电机不转（开环/闭环都不行）

处理：

s 0  →  cal  →  等约 2 s  →  pid

确认 cal=1，且 g_fm_iu/iv/iw_ma 与 ACT 均接近 0（几百 mA 以内），再 v 800 或 s 1。

1.6.3 运行中 ACT 在 100～600 mA 跳动正常吗？

正常。 六步换相 + max(U,V,W) + ADC 与 PWM 不同步，ACT 会有 脉动和毛刺：

• 看 趋势和均值，不要盯单点；
• g_fm_iu/iv/iw 应 一相高、其余低，随换相交替——这是六步特征；
• ACT 均值长期明显低于 SP 时，可略加大 Ki 或少量 Kp；
• 需要平滑恒流见 FOC 章节，非本章六步方案所能完全达到。

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二、实验简介

2.1 本章目标

在 lesson12 工程基础上，将位置环改为 电流环 PID：

• 反馈：get_curr_val_max() → 三相最大电流 (mA)
• 给定：g_fm_target_curr（目标电流 mA，默认 1500 = 1.5 A）
• 输出：位置式 PID → 非负 PWM（方向独立设定）
• 复用 lesson9 bsp_pid.c/h、lesson10 FreeMASTER（PID 参数）、VOFA+ 三通道波形（SP/ACT/PWM）
• 保留 lesson6/7 过流、堵转保护
• 串口命令：c [mA] 设目标、s 1/0 启停闭环、cal 零偏重校准、kp/ki/kd 调参

2.2 硬件说明

与 lesson4 / lesson6 / lesson11 完全相同：野火骄阳 F407 + 无刷驱动板 + 带霍尔 BLDC，推荐 「无刷电机驱动接口 2」 牛角排线。电流采样在驱动板完成，经排线到 MCU ADC3。

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三、程序设计

3.1 目录与模块划分

在 lesson12 基础上，位置环应用层 改为电流环：

User/
├── adc/
│   └── bsp_adc.c/h          # 三相电流、零偏校准、get_curr_val_max()
├── pid/
│   ├── bsp_pid.c/h          # 复用 lesson9
│   └── bsp_pid_app.c/h      # 电流环：读电流、调 PWM、串口/FreeMASTER
├── freemaster/
│   └── bsp_fm_vars.h        # g_fm_target_curr、g_fm_curr_loop_en 等
└── main.c

3.2 电流环数据流

每 25 ms（curr_pid_poll）：
  1. actual_ma = get_curr_val_max()        /* 校准未完成时 ACT 为 0 */
  2. error = target_ma - actual_ma
  3. 若 target_ma < CURR_PID_STOP_MA：停 PWM、清积分，return
  4. 若 !adc_curr_is_calibrated()：不输出 PWM
  5. out = pid_update(&g_fm_pid, target_ma, actual_ma)
  6. 大误差起转 + 限幅 + 斜坡 → set_bldcm_speed(duty)

与野火有刷电流环一致：PID 输出只映射占空比，不通过 PID 符号换向。

3.3 核心代码示例

3.3.1 头文件常量

/* bsp_pid_app.h — 电流环 */

#define CURR_PID_TARGET_INIT        1500.0f   /* 默认 1.5 A */
#define CURR_PID_LOOP_MS            25U
#define CURR_PID_DT                 0.025f
#define CURR_PID_STOP_MA            50.0f
#define CURR_PID_BOOT_ERR_MA        300.0f    /* 误差大时起转最小占空比 */
#define CURR_PID_BOOT_MIN_DUTY      800U
#define CURR_PID_PWM_MAX_STEP       250U
#define CURR_PID_KP_INIT            0.0f      /* 参考野火有刷电流环 */
#define CURR_PID_KI_INIT            3.5f
#define CURR_PID_KD_INIT            0.0f

3.3.2 单次电流环计算

static void curr_pid_control(void)
{
    float cont_val;

    curr_pid_refresh_current();   /* 更新 g_fm_actual_curr / U/V/W */

    if (g_fm_target_curr < CURR_PID_STOP_MA)
    {
        set_bldcm_speed(0U);
        set_bldcm_disable();
        pid_reset(&g_fm_pid);
        return;
    }

    cont_val = pid_update(&g_fm_pid, g_fm_target_curr, g_fm_actual_curr);

    if (!adc_curr_is_calibrated())
        return;                         /* 零偏未校完，不输出 */

    curr_pid_apply_output(cont_val);

3.3.3 输出执行

static void curr_pid_apply_output(float cont_val)
{
    /* out ≥ 0；大误差时 duty 不低于 CURR_PID_BOOT_MIN_DUTY（克服静摩擦） */
    /* 闭环运行期间勿每周期 bldcm_apply_state(0) 关驱动，与 lesson11 一致 */
    set_bldcm_speed(duty);
}

3.3.4 零偏校准（bsp_adc.c）

#define ADC_CURR_CAL_SETTLE_MS   800U   /* 上电稳定等待 */
#define ADC_CURR_CAL_SAMPLES     64U    /* 64 次均值锁偏置 */

void adc_curr_recalibrate(void);       /* s 0 / cal 时调用 */
uint8_t adc_curr_is_calibrated(void);  /* 三相均 cal_done 才为 1 */

3.4 PID 参数与限幅建议

项目	建议初值	说明
目标 SP	1500 mA（1.5 A）	空载起步；可试 800～2500 mA
out_min / out_max	0 / ~5500	与 lesson4 一致
integral_max	5500	与 PWM 满量程同量级
dt	0.025f	与 25 ms 周期一致
Kp / Ki / Kd	0 / 3.5 / 0（野火有刷官方）	不能照搬 lesson11/12 参数
SP 上限	6000 mA	低于软件过流 8000 mA

电流环与速度/位置环调参差异：

• 官方电流环常 Kp=0、靠 Ki 消除静差；
• 电流响应快，周期宜 25 ms（比速度环 50 ms 更短）；
• ACT 噪声较大，波形不必追求完全平滑，看 趋势跟随 即可。

3.5 与 lesson11/12 的接口对照

lesson11 速度环	lesson12 位置环	lesson13 电流环
g_fm_target_rpm	g_fm_target_pos	g_fm_target_curr
motor_hall_get_rpm()	motor_hall_get_position()	get_curr_val_max()
speed_pid_control()	pos_pid_control()	curr_pid_control()
g_fm_speed_loop_en	g_fm_pos_loop_en	g_fm_curr_loop_en
串口 t [rpm]	串口 p [pos]	串口 c [mA]
PID 输出带符号（正反转）	PID 输出带符号	PID 输出仅 PWM 幅值

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四、FreeMASTER 与串口调参

4.1 FreeMASTER 监视变量

符号	类型	含义
g_fm_target_curr	float	目标电流 SP（mA）
g_fm_actual_curr	float	反馈电流 ACT（三相 max，mA）
g_fm_iu_ma / iv / iw	float	三相电流分量
g_fm_error	float	SP − ACT
g_fm_pid.output	float	PID 总输出
g_fm_pid.p_term / i_term / d_term	float	P / I / D 分项
g_fm_pwm_out	float	实际 PWM 占空比
g_fm_vbus_v	float	母线电压 (V)
g_fm_curr_loop_en	float	1.0=闭环开，0.0=关
g_fm_protect_en	float	过流+堵转保护开关
g_fm_fault_code	float	0/1/2 故障码

Scope 建议：g_fm_target_curr、g_fm_actual_curr、g_fm_pwm_out 三曲线同屏。

4.2 VOFA+ FireWater

VOFA+ 只输出过程量波形，便于观察电流跟随；PID 输出分项（OUT/P/I/D）及 Kp/Ki/Kd 请用 FreeMASTER，避免串口带宽被占满。

通道	含义
ch0	目标电流 SP（g_fm_target_curr，mA）
ch1	反馈电流 ACT（g_fm_actual_curr，mA）
ch2	实际 PWM（g_fm_pwm_out）

115200、协议 FireWater、3 通道。

4.3 串口命令

命令	作用	示例
c [mA]	设置目标电流	c 1500
c +200 / c -200	相对当前目标 ±200 mA	c +200
kp / ki / kd	修改 PID	ki 3.5
s 1 / s 0	启 / 停电流闭环	s 1
pid	打印 SP/ACT/PWM/cal/fault	pid
r	清积分	r
cal	电流零偏重新校准（须 s 0、电机停转）	cal
?	帮助	?
v [pwm]	开环 PWM（须 s 0）	v 500
d [0|1]	开环方向（须 s 0）	d 0

cal 说明：电机 必须停转（s 0），否则零偏会按「有电流」去校，ACT 仍虚高。cal 后约 2 s 内 pid 应显示 cal=1，ACT/U/V/W≈0。

启闭环：须 s 1 或 g_fm_curr_loop_en=1.0；只改 g_fm_target_curr 不会自动启电机。

闭环中：K3/K4 目标电流 ±200 mA；开环中：K1/K2 调 PWM，K3/K4 换向。

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五、主程序流程

5.1 初始化

1. 时钟、LED、串口、ADC（ADC_Init 内 adc_curr_recalibrate()）
2. bldcm_init()：TIM8 PWM、TIM5 霍尔
3. curr_pid_init()：默认 SP=1500 mA、Kp=0 Ki=3.5 Kd=0、闭环关
4. 上电后 约 2 s 内勿启电机，等零偏 cal=1
5. 默认 不使能电机，等待 s 1

5.2 主循环

while (1)
{
    deal_curr_pid_serial_data();
    deal_key_input();
    motor_protect_sync();
    curr_pid_poll();             /* 25 ms 电流环 */
    motor_stall_poll();
    motor_hall_speed_poll();
    motor_overcurrent_poll();
    curr_pid_vofa_poll();
}

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六、建议操作与 PID 整定

安全提示：首次闭环请 空载、小目标（如 800～1500 mA），手勿靠近转子；过流或振动大时立即 s 0。

6.1 推荐操作流程（含零偏）

① 烧录 → ② 上电等 3 s（零偏自动校准）→ ③ pid 看 cal=1、ACT≈0
④ s 0 → v 800 确认开环能转 → ⑤ r → ⑥ c 1500 → ⑦ d 0 → ⑧ s 1
⑨ 看 ACT 趋势逼近 SP → ⑩ 调 Ki

若 停转 ACT 仍 7000+：

s 0 → cal → 等 2 s → pid（须 cal=1、ACT≈0）→ 再 v 800 或 s 1

步骤	操作	目的
1	烧录 lesson13，FreeMASTER 加载 .axf	确认变量符号
2	上电 等 3 s，pid 或 Watch g_fm_*	cal=1，ACT/U/V/W≈0
3	s 0，v 800 开环慢转	确认硬件能转、运行时有电流
4	s 0 → cal → 等 2 s（若步骤 2 未通过）	零偏重校准
5	r	清积分
6	c 1000 或 c 1500	小目标起步
7	d 0	确认转向
8	s 1	启电流闭环
9	VOFA+ / FreeMASTER 看 SP、ACT、PWM	ACT 有纹波正常，看 均值趋势
10	调 ki	见下文

6.2 FreeMASTER 读数速查

读数	含义	处理
ACT≈7000，SP=2000，ERR 负，OUT=0	零偏错误，以为电流已过大	cal，见 §1.6.2
cal=0	仍在校准	等 ~2 s，勿 s 1
ACT 0～几百跳动，SP=1500	六步纹波 + I 环爬升	正常，见 §1.6.3
fault=1	堵转	s 0 → r → 降 SP 再试
fault=2	过流	降 SP/Ki；查 ACT 是否虚高

6.3 阶跃响应现象

理想波形：

1. 启环瞬间：ACT 低于 SP → PWM 上升，电流增大；
2. 接近目标：误差减小 → PWM 稳定在某个占空比；
3. 改 SP：K3/K4 或 c 命令阶跃，ACT 先冲再稳（可能略有 overshoot）。

若 ACT 长期低于 SP：Ki 偏小 → 加大 Ki。
若 ACT 振荡：Ki 过大 → 减小 Ki 或略加 Kp/Kd。
若 波形毛刺多、ACT 在 100～600 mA 跳：六步换相 正常现象（§1.6.3）；看 均值趋势 即可。

6.4 推荐起步参数

参数	起步值	说明
Kp	0	野火有刷电流环官方
Ki	2.8～3.5	消除静差主力
Kd	0	一般不加
目标 SP	1000～1500 mA	空载 1～1.5 A
周期	25 ms	与 CURR_PID_DT 一致

6.5 分步调参

只加 I： r → kp 0 → kd 0 → ki 1.0 → c 1200 → s 1，逐步加大 Ki 直到 ACT 能跟上 SP 且不过冲严重。

可选 P： 若 Ki 已较大仍响应慢，可小 Kp（如 0.5～2.0）试加快。

6.6 常见现象

现象	可能原因	处理
停转 ACT≈7000，电机不转	零偏过早/错误锁定	s 0 → cal → 等 2s → pid 看 cal=1、ACT≈0
s 1 打印成功但不转，OUT=0	ACT 虚高 → ERR 为负	同上；或 g_fm_protect_en、fault
v 800 也不转	未使能/霍尔/过流；或 ACT 虚高近 8A	先 cal；再查开环与接线
能转，ACT 100～600 跳动	六步换相脉动	正常（§1.6.3）；均值低于 SP 可略加 Ki
ACT 均值长期远低于 SP	Ki 偏小	ki 4～6 试，或略加 Kp
启环后电流上冲过流	SP 过大或 Ki 过大	降低 SP；s 0 后 r
换向后电流不对	方向与 SP 未重配	先 s 0 再 d 换向后 s 1
FreeMASTER 启环无效	g_fm_curr_loop_en 用了 uint8	必须为 float 4 字节

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6.7 运行效果

七、本章小结

• 电流环 = 以 ADC 相电流（mA） 为反馈、PWM 幅值 为输出的单环 PID；方向 独立设定。
• 反馈取 get_curr_val_max()；须先完成 零偏校准（cal=1），停转 ACT 应≈0，否则 ERR 为负、电机不转。
• cal / s 0 可触发 adc_curr_recalibrate()；上电或校准后 约 2 s 再启环。
• 运行中 ACT 几百 mA 脉动 属六步换相正常现象，看 趋势 不调波形毛刺。
• 电流环宜 Kp=0、Ki≈3.5 起步；与 lesson11/12 参数完全不能互换。
• 启闭环须 g_fm_curr_loop_en=1.0 或 s 1；SP 建议不超过 6000 mA。

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参考：野火《电机应用开发实战指南》「直流电机电流环控制」、BLDC 双环/串级说明；
源码： https://gitee.com/xundh/learn-motor-stm32