📚 课程目录第4章 SAM ADC与电流采样

4. SAM ADC与电流采样

在FOC（磁场定向控制）或方波六步换相方案中，电流采样是闭环控制的“眼睛”。SAM系列MCU（如SAME70、SAMV71、SAMD51等）内部集成的12位逐次逼近型ADC，配合PDC/DMA与定时器事件触发，可以在PWM周期内精确地于电流稳定时刻完成相电流与母线电压的采集，并在此基础上实现硬件级过流保护。本节围绕“采样什么、何时采样、谁来触发、数据怎么搬、异常怎么判”这条主线展开。

一、采样对象与信号链

电机控制通常需要三类模拟量：两相或三相下桥臂电流（经采样电阻+运放调理）、母线电压（经分压网络）、以及可选的母线电流或温度。以三相逆变桥为例，最常用的方案是在每个下桥臂MOSFET源极串入毫欧级采样电阻，运放将双向电流抬升到ADC量程中点（如1.65V对应0A），使正负电流都能被单极性ADC读取。

信号链为：采样电阻 → 差分/同相放大 → RC抗混叠滤波 → ADC通道（如AFEC0_CH0）。SAM的ADC参考电压通常取VDDANA（3.3V），12位分辨率下1LSB≈0.806mV。若采样电阻为5mΩ、放大倍数为10，则电流灵敏度为50mV/A，对应约62LSB/A，可分辨约16mA的电流变化。

二、ADC关键配置与采样时序

SAM的AFEC（Analog Front-End Controller）模块支持12位分辨率、多通道序列转换和硬件触发。配置时需关注以下寄存器组：

AFEC_CR：使能ADC、选择分辨率（12位）、启动校准。
AFEC_MR：设置触发模式（如AFEC_MR_TRGSEL选择TIOA事件）、采样保持时间（STARTUP）、低功耗模式。
AFEC_CHER：使能需要转换的通道（如CH0、CH1、CH5）。
AFEC_SEQR：配置通道转换顺序，实现相电流与母线电压的自动轮询。
AFEC_IER：使能数据就绪中断或DMA请求。

采样时序的核心是“触发—建立—转换—搬运”四段。以SAME70为例，AFEC时钟为150MHz，采样保持时间设为8个ADC时钟周期，转换时间约12个周期，单通道总耗时约133ns×20≈2.7μs。若PWM频率为20kHz（周期50μs），则ADC有充足时间完成3~4个通道的序列转换。

触发源选择上，推荐使用PWM定时器的比较匹配事件（如TC的TIOA）而非软件触发。硬件触发的好处是抖动小、与PWM严格同步，能保证每次都在电流稳定的同一相位点采样。配置时需将TC的TIOA输出连接到AFEC的触发输入，并在AFEC_MR中设置TRGSEL为对应事件源。

三、DMA传输与数据组织

若每次ADC转换都进中断读取结果，CPU开销大且可能错过下一个触发。SAM的AFEC支持PDC（Peripheral DMA Controller）或通用DMA，可将转换结果自动搬运到内存数组。典型配置如下：

// 示例：AFEC PDC 配置（SAME70，伪代码）
AFEC->AFEC_CHER = (1u << 0) | (1u << 1) | (1u << 5); // 使能CH0/CH1/CH5
AFEC->AFEC_SEQR1 = AFEC_SEQR1_USCH1(1) | AFEC_SEQR1_USCH2(5); // 序列：CH0→CH1→CH5
AFEC->AFEC_PDC_RPR = (uint32_t)adc_buffer;   // 接收指针
AFEC->AFEC_PDC_RCR = 3;                       // 每次搬运3个通道
AFEC->AFEC_PDC_RNPR = (uint32_t)adc_buffer;  // 下一轮指针
AFEC->AFEC_PDC_RNCR = 3;
AFEC->AFEC_PTCR = AFEC_PTCR_RXTEN;           // 启动接收DMA
AFEC->AFEC_IER = AFEC_IER_RXBUFF;            // 缓冲区满中断

这样，每个PWM周期触发一次序列转换，DMA自动将CH0（A相电流）、CH1（B相电流）、CH5（母线电压）写入adc_buffer[0..2]。当缓冲区满时产生中断，CPU在中断中读取三个值并执行FOC算法或过流判断。注意缓冲区大小应与序列长度一致，且使用双缓冲（RNPR/RNCR）避免数据覆盖。

四、过流保护基础

过流保护分两级：软件比较和硬件比较。软件方式在DMA中断中读取电流值，若超过阈值则关闭PWM输出。但软件响应受中断延迟影响，通常需要几十微秒，适合作为后备保护。

更快的方案是利用AFEC的硬件比较窗口。SAM的AFEC支持模拟看门狗（Analog Watchdog），可设置高低阈值，当转换结果超出窗口时直接触发中断或故障输出。例如，将CH0的窗口设为对应±10A的ADC码值（约1.65V±0.5V，即2048±620），一旦超限，AFEC立即产生中断，CPU可在中断中调用PWM_Stop()，响应时间可压缩到几微秒。

阈值计算示例：采样电阻5mΩ，增益10，Vref=3.3V。10A对应采样电阻压降50mV，放大后500mV，ADC码值=500mV/0.806mV≈620。偏置1.65V对应码值2048。因此过流阈值上限=2048+620=2668，下限=2048-620=1428。实际配置时留10%余量，可取上限2800、下限1300。

此外，SAM的部分PWM模块（如AFEC与PWM的故障输入联动）支持将过流信号直接路由到PWM的故障引脚，实现硬件级快速关断，无需CPU介入。这需要在PWM的故障控制寄存器中使能对应故障源，并设置关断后的输出状态（高阻或低电平）。

五、调试与验证要点

实际调试时，可用DAC输出或PWM占空比观察ADC采样值。例如，在DMA中断中将adc_buffer[0]右移4位后写入DAC，用示波器观察重构波形，应与实际相电流一致。若发现采样值跳变或偏置漂移，检查运放偏置电压是否稳定、RC滤波截止频率是否足够低（建议fc≤1/(2π×R×C)，且远低于PWM频率）。

验证过流保护时，可临时将阈值调低，用可调负载或短接采样电阻模拟过流，观察PWM是否在预期时间内关断。记录从过流发生到PWM输出关闭的时间，若超过10μs，需检查中断优先级或改用硬件故障通道。

最后，注意ADC校准。SAM的AFEC在上电后需执行一次校准（设置AFEC_CR_CALIB），否则增益和偏置误差可能达到数十LSB。校准应在ADC使能后、启动转换前完成，且校准期间不进行采样。