4. 电流采样与ADC调试实战
在FOC（磁场定向控制）系统中，电流环的性能上限几乎完全由电流采样质量决定。无论算法多精密，如果相电流的采样时刻、偏置或信噪比存在问题，最终都会表现为转矩脉动、电流波形畸变或低速抖动。本节围绕RX系列MCU（以RX72T/RX66T为典型对象）的电机控制外设，讨论单电阻、双电阻、三电阻三种采样拓扑的取舍，ADC触发与PWM的同步机制，采样窗口的计算方法，以及偏置校准与噪声抑制的工程调试手段。
三种采样拓扑的物理约束
三电阻采样在逆变桥下桥臂各串一个分流电阻，三相电流可同时获得。它的优点是任意时刻都能采样，不受PWM占空比限制，重构相电流最直接。代价是三个运放、三路ADC通道和三个采样电阻，成本与布板面积最高。双电阻采样只在下桥臂的两相放置分流电阻，第三相电流由基尔霍夫定律 Iu+Iv+Iw=0 推算。它要求采样时刻两相下桥臂同时导通，因此存在最小占空比约束。单电阻采样只在直流母线负极串一个电阻，通过在不同PWM矢量下多次采样重构三相电流，硬件成本最低，但对采样窗口和最小脉宽的要求最苛刻，低速和低调制比区域尤其困难。
选择拓扑时，核心判断依据是：目标最低转速下的调制比、PWM频率、死区时间以及MCU的ADC最小采样保持时间。若单电阻方案在最低速时无法保证最小采样窗口，就应升级为双电阻或三电阻。
ADC触发时序与PWM同步
RX系列通过MTU3或GPTW定时器产生PWM，同时利用定时器的比较匹配事件触发ADC。以中心对齐PWM为例，计数器从0向上计数到峰值再向下计数，一个周期内有两个过零点。电流采样通常安排在计数器下溢或峰值附近，此时下桥臂导通时间最长，采样窗口最宽。
具体配置上，需要设置ADC的触发源为定时器的比较匹配事件。例如在MTU3中，将ADC启动触发选择为TRGA或TRGB，对应定时器特定比较寄存器的匹配。关键参数包括：触发延迟（从PWM边沿到ADC启动的时钟周期数）、采样保持时间（由ADC模块的ADSTRGR和ADCR寄存器决定）。RX72T的12位ADC在高速模式下最小采样时间约为0.5μs，但实际需要根据分流电阻阻值、运放带宽和寄生电容计算建立时间。
调试时最常见的现象是：电机低速时电流波形出现周期性尖峰。这通常是因为采样时刻落在了开关噪声未衰减的区域。解决方法是将ADC触发点从PWM边沿向后延迟1~2μs，避开振铃。在RX的ADC自诊断或手动触发模式下，可以用示波器同时观察PWM驱动信号和ADC的采样保持脉冲，确认两者相位关系。
采样窗口计算
采样窗口是指下桥臂导通期间，电流信号稳定且ADC能够完成采样的时间。对于双电阻方案，窗口宽度由下式估算：
T_window = (1 - D_max) × T_pwm / 2 - T_dead - T_ring - T_settle其中 D_max 为最大占空比，T_pwm 为PWM周期，T_dead 为死区时间，T_ring 为开关振铃时间，T_settle 为运放和ADC的建立时间。以PWM频率20kHz（T_pwm=50μs）、D_max=0.9、死区0.5μs、振铃0.3μs、建立时间0.8μs为例，窗口宽度约为 (1-0.9)×25 - 0.5 - 0.3 - 0.8 = 0.9μs。这个值已经接近RX72T ADC的最小采样时间，说明在高速段需要降低PWM频率或改用三电阻方案。
单电阻方案的窗口计算更复杂，因为需要在一个PWM周期内至少采样两次，分别对应不同的有效矢量。最小窗口出现在两个有效矢量切换时，必须保证每个矢量持续时间大于ADC采样时间加死区。工程上通常要求最小矢量时间不小于2μs。
偏置校准与噪声抑制
偏置校准的目的是消除运放失调、ADC零点误差和分流电阻温漂带来的直流分量。校准应在电机未通电、PWM输出关闭但下桥臂导通的状态下进行。具体做法是：让三相下桥臂全部导通（或按采样拓扑要求导通对应桥臂），连续采集N次ADC值（N通常取256或512），求平均后作为偏置值存入RAM。运行时每次采样值减去该偏置，再乘以增益系数得到实际电流。
RX系列可以利用ADC的自诊断功能或DMA传输批量采集校准数据。校准流程建议在每次上电初始化时执行一次，并在运行中定期（如每100ms）在零矢量期间刷新偏置，以补偿温漂。
噪声抑制方面，硬件上应在分流电阻两端就近放置RC低通滤波，截止频率通常设为PWM频率的1/10到1/5。软件上可采用中值滤波或滑动平均，但要注意相位延迟对电流环带宽的影响。对于单电阻采样，由于采样点分散，建议对重构后的三相电流做同步更新，避免因采样时刻不同引入额外相位误差。
调试检查要点
- 确认ADC触发源与PWM定时器比较事件对应正确，用示波器验证触发相位。
- 测量实际采样窗口宽度，与计算值对比，留出至少30%余量。
- 偏置校准在电机静止、PWM关闭状态下执行，校准后验证零漂。
- 观察低速和高速两种工况下的电流波形，低速看噪声，高速看窗口是否足够。
- 若出现周期性尖峰，优先调整ADC触发延迟，而非增加滤波。
电流采样调试的最终判断标准是：在目标转速范围内，相电流波形正弦度良好，THD满足应用要求，且电流环给定与反馈的跟踪误差在允许范围内。达到这一状态后，再进入速度环和位置环的调试。