3. 基于电流检测的堵转算法

电流检测，说白了就是通过看电机吃了多少电，来判断它是不是卡住了。我最早接触这个思路是在做一款工业缝纫机驱动的时候——电机一堵转，电流瞬间飙升，比什么传感器都快。今天咱们就把这块掰开揉碎了讲清楚。

3.1 电流采样原理

电流采样，说白了就是怎么把电机线上的大电流，变成单片机ADC能读的小电压。常用的方案就三种：

方案	原理	优点	缺点
采样电阻	串联小阻值电阻，测其压降	成本低、响应快、精度高	有损耗、需隔离
霍尔电流传感器	利用霍尔效应测量磁场	隔离性好、无损耗	成本高、带宽有限
电流互感器	电磁感应原理	完全隔离、适合大电流	体积大、低频响应差

我个人习惯在低压直流电机上用采样电阻方案。便宜、直接，而且堵转检测对带宽要求不高，采样电阻完全够用。但要注意——电阻的功率要留够余量，我曾经在项目里选了个1W的采样电阻，结果堵转时电流一冲，电阻直接冒烟了。

3.2 固定阈值法

这是最朴素的方法。设定一个电流阈值，比如额定电流的1.5倍，一旦采样值超过这个阈值，就判定为堵转。

// 固定阈值法伪代码
#define CURRENT_THRESHOLD  1.5f  // 额定电流的1.5倍

uint8_t detect_stall_fixed(float current)
{
    if (current > CURRENT_THRESHOLD) {
        return 1;  // 堵转
    }
    return 0;      // 正常
}

简单吧？但实际用起来坑不少。我遇到过最典型的问题：电机启动瞬间电流也会冲高，固定阈值法很容易误报。你想想看，电机刚上电那会儿，电流可能冲到额定值的2~3倍，如果阈值设低了，一启动就报堵转；设高了，真堵转又检测不到。

3.3 滑动窗口平均法

为了解决固定阈值法容易受瞬时尖峰干扰的问题，滑动窗口平均法就派上用场了。它的思路很简单：取最近N个采样点的平均值，用这个平均值去跟阈值比较。

// 滑动窗口平均法实现
#define WINDOW_SIZE  10

float buffer[WINDOW_SIZE] = {0};
uint8_t index = 0;
float sum = 0.0f;

uint8_t detect_stall_sliding(float current)
{
    // 更新滑动窗口
    sum -= buffer[index];
    buffer[index] = current;
    sum += buffer[index];
    index = (index + 1) % WINDOW_SIZE;
    
    // 计算平均值
    float avg = sum / WINDOW_SIZE;
    
    // 判断堵转
    if (avg > CURRENT_THRESHOLD) {
        return 1;
    }
    return 0;
}

窗口大小怎么选？我一般建议取10~20个点。窗口太小，滤波效果不明显；窗口太大，响应变慢。嗯，这里要注意——滑动窗口平均法虽然能滤掉毛刺，但它对缓慢上升的电流变化反应迟钝。如果电机堵转后电流是慢慢爬升的，滑动窗口法可能会延迟检测。

3.4 动态阈值法

动态阈值法，说白了就是让阈值跟着电机的运行状态自动调整。比如电机低速运行时，电流本来就大，阈值就应该高一些；高速轻载时，电流小，阈值就低一些。

我常用的动态阈值公式是这样的：

// 动态阈值法核心逻辑
float get_dynamic_threshold(float speed, float load)
{
    // 基础阈值：额定电流的1.2倍
    float base = 1.2f * RATED_CURRENT;
    
    // 速度补偿：低速时提高阈值
    float speed_factor = 1.0f + (1.0f - speed / MAX_SPEED) * 0.5f;
    
    // 负载补偿：重载时提高阈值
    float load_factor = 1.0f + load * 0.3f;
    
    return base * speed_factor * load_factor;
}

这个方法我在做电动工具项目时用过。电钻在拧螺丝时，电流本来就大，如果还用固定阈值，稍微用力就报堵转。用了动态阈值后，误报率从30%降到了2%以下。但代价是——你需要知道当前的速度和负载信息，这增加了系统的复杂度。

3.5 代码实现与仿真

下面我给出一个完整的C语言实现，把三种方法整合到一起，方便你对比测试。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

#define RATED_CURRENT  1.0f
#define WINDOW_SIZE    10

// 固定阈值法
uint8_t stall_fixed(float current, float threshold)
{
    return (current > threshold) ? 1 : 0;
}

// 滑动窗口平均法
typedef struct {
    float buffer[WINDOW_SIZE];
    uint8_t index;
    float sum;
} SlidingWindow;

void sw_init(SlidingWindow *sw)
{
    sw->index = 0;
    sw->sum = 0.0f;
    for (int i = 0; i < WINDOW_SIZE; i++) {
        sw->buffer[i] = 0.0f;
    }
}

uint8_t stall_sliding(SlidingWindow *sw, float current, float threshold)
{
    sw->sum -= sw->buffer[sw->index];
    sw->buffer[sw->index] = current;
    sw->sum += sw->buffer[sw->index];
    sw->index = (sw->index + 1) % WINDOW_SIZE;
    
    float avg = sw->sum / WINDOW_SIZE;
    return (avg > threshold) ? 1 : 0;
}

// 动态阈值法
float dynamic_threshold(float speed, float load)
{
    float base = 1.2f * RATED_CURRENT;
    float speed_factor = 1.0f + (1.0f - speed) * 0.5f;
    float load_factor = 1.0f + load * 0.3f;
    return base * speed_factor * load_factor;
}

// 仿真主函数
int main()
{
    // 模拟电流数据：正常、尖峰、堵转
    float test_data[] = {
        0.8f, 0.9f, 1.0f,  // 正常
        2.5f, 0.9f, 0.8f,  // 尖峰干扰
        1.8f, 1.9f, 2.0f   // 堵转
    };
    
    SlidingWindow sw;
    sw_init(&sw);
    
    printf("时间\t电流\t固定阈值\t滑动窗口\t动态阈值\n");
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        float cur = test_data[i];
        float speed = 0.8f;  // 假设速度80%
        float load = 0.5f;   // 假设负载50%
        
        uint8_t f = stall_fixed(cur, 1.5f);
        uint8_t s = stall_sliding(&sw, cur, 1.5f);
        float dt = dynamic_threshold(speed, load);
        uint8_t d = stall_fixed(cur, dt);
        
        printf("t%d\t%.1f\t%d\t\t%d\t\t%d\n", i, cur, f, s, d);
    }
    
    return 0;
}

运行这段代码，你会发现：固定阈值法在t3时刻（电流尖峰2.5A）就误报了，而滑动窗口法因为取了平均，成功滤掉了这个尖峰。动态阈值法在堵转阶段（t6~t8）因为阈值自适应提高了，判断更准确。

从上面的知识体系图可以看出，三种方法各有适用场景。我个人建议：如果你刚开始做堵转检测，先从固定阈值法入手，跑通整个采样链路；然后根据实际测试数据，决定是否需要升级到滑动窗口或动态阈值。别一上来就搞复杂的，容易把自己绕进去。