4、软件保护策略：逐周期限流、平均值保护、有效值保护

硬件保护再快，也扛不住工况变化。我个人的习惯是，硬件保护做最后一道防线，软件保护做日常主力。为什么？因为软件能“看趋势”，能“做预判”，还能“自适应”。

这一章我们聊三个最常用的软件保护策略：逐周期限流、平均值保护、有效值保护。它们各有各的脾气，用对了地方，电机怎么折腾都不怕。

4.1 逐周期限流（Cycle-by-Cycle Current Limiting）

说白了，就是每个PWM周期都盯着电流。一旦超过阈值，立刻关掉当前周期的驱动脉冲，等下一个周期再重新开通。有点像“打地鼠”——电流冒头就拍下去。

我在做低压无刷驱动时遇到过一个问题：启动瞬间电流飙升，硬件比较器触发了，但关断后重启又冲上去，反复震荡。后来改用逐周期限流，每个周期都做一次判断，电流被“削”得整整齐齐。

4.1.1 实现方式

通常有两种做法：

• 比较器直接触发PWM关断：硬件比较器输出接PWM模块的故障输入引脚，响应快（几十ns），但灵活性差。
• ADC采样+软件判断：每个PWM周期中间点采样电流，软件比较后决定是否关断。响应慢一些（几μs），但可以加滤波、加滞回。

我个人更倾向第二种。虽然慢一点，但能做的事情多。比如可以记录过流次数，判断是瞬时干扰还是真过流。

4.1.2 代码示例（伪代码）

// PWM中断服务函数，每个周期执行一次
void PWM_ISR(void) {
    uint16_t adc_val = ADC_GetCurrent();  // 读取当前相电流
    
    if (adc_val > CURRENT_LIMIT_THRESHOLD) {
        PWM_DisableOutput();              // 关断当前周期输出
        overcurrent_count++;              // 记录过流次数
    } else {
        PWM_EnableOutput();               // 正常输出
        overcurrent_count = 0;            // 清零计数
    }
    
    // 如果连续过流次数超过N次，进入故障保护
    if (overcurrent_count > 3) {
        Motor_Stop();                     // 停机保护
        Error_Flag_Set(ERROR_OVERCURRENT);
    }
}

4.1.3 优缺点

优点	缺点
响应快，一个周期内就能限流	对采样时序要求高，容易受噪声干扰
实现简单，资源占用少	只能限制峰值，不能反映真实发热
适合启动、堵转等瞬时大电流场景	频繁关断会导致转矩脉动

4.2 平均值保护（Average Current Protection）

逐周期限流管的是“瞬间”，平均值保护管的是“一段时间”。它计算若干个PWM周期内的电流平均值，如果平均值超过阈值，就认为电机处于过载状态。

你想想看，电机发热靠的是平均电流，不是峰值电流。峰值电流再大，只要占空比小，平均下来也不一定烧。反过来，峰值电流不大，但一直持续，电机照样过热。

4.2.1 实现方式

常用的计算方法有两种：

• 滑动窗口平均：维护一个长度为N的采样数组，每次新采样替换最旧的值，然后求平均。内存占用大，但实时性好。
• 一阶低通滤波：用公式 avg = avg * (1 - α) + sample * α，α是滤波系数。内存占用小，但响应有滞后。

我一般用第二种。嵌入式系统内存金贵，能省就省。α取0.01~0.05之间，具体看PWM频率和需要的响应时间。

4.2.2 代码示例

#define ALPHA 0.02f  // 滤波系数

float current_avg = 0.0f;

void AverageProtection_Task(void) {
    uint16_t adc_val = ADC_GetCurrent();
    float current = (float)adc_val * ADC_TO_CURRENT;
    
    // 一阶低通滤波
    current_avg = current_avg * (1.0f - ALPHA) + current * ALPHA;
    
    if (current_avg > AVERAGE_LIMIT) {
        // 平均值超限，降低输出功率
        Motor_ReducePower(50);  // 降额50%
        avg_overcurrent_timer++;
        
        if (avg_overcurrent_timer > TIMEOUT_TICKS) {
            Motor_Stop();  // 持续超限则停机
        }
    } else {
        avg_overcurrent_timer = 0;
        Motor_RestorePower();  // 恢复正常输出
    }
}

4.2.3 应用场景

• 启动过程：启动电流大但时间短，平均值保护不会误触发。
• 堵转保护：堵转时电流持续偏高，平均值会快速上升。
• 过载保护：负载波动大时，平均值能平滑反映真实负载。

4.3 有效值保护（RMS Current Protection）

有效值保护，说白了就是算电流的“真发热量”。平均值只能反映直流分量，但电机电流是交流的，尤其是无感启动阶段，电流波形可能很不规则。这时候有效值比平均值更准确。

我记得有一次做水泵项目，启动时电流波形畸变严重，平均值保护一直没触发，但电机温度却蹭蹭往上涨。后来换成有效值保护，问题就解决了。

4.3.1 实现方式

有效值计算比平均值复杂，主要开销在平方和开方。嵌入式MCU做浮点开方很慢，所以一般用查表法或近似算法。

我常用的做法：

• 滑动窗口平方和：维护一个窗口，每次采样后累加平方值，减去最旧的平方值。开方用快速近似函数。
• 分段线性近似：把平方和映射到有效值，用查表+插值实现。

4.3.2 代码示例

#define WINDOW_SIZE 64  // 窗口长度

uint32_t square_sum = 0;
uint16_t buffer[WINDOW_SIZE];
uint8_t index = 0;

float FastSqrt(float x) {
    // 快速开方近似，精度约1%
    if (x < 1e-6f) return 0.0f;
    float y = x;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        y = (y + x / y) * 0.5f;
    }
    return y;
}

void RMSProtection_Task(void) {
    uint16_t adc_val = ADC_GetCurrent();
    float current = (float)adc_val * ADC_TO_CURRENT;
    
    // 移除最旧值，加入新值
    square_sum -= buffer[index] * buffer[index];
    buffer[index] = (uint16_t)(current * 1000);  // 放大后存整型
    square_sum += buffer[index] * buffer[index];
    index = (index + 1) % WINDOW_SIZE;
    
    // 计算有效值
    float rms = FastSqrt((float)square_sum / WINDOW_SIZE) / 1000.0f;
    
    if (rms > RMS_LIMIT) {
        Motor_ReducePower(30);  // 降额30%
        if (rms > RMS_LIMIT_CRITICAL) {
            Motor_Stop();  // 严重超限直接停机
        }
    }
}

4.3.3 三种策略对比

策略	响应速度	计算开销	保护对象	适用场景
逐周期限流	最快（1个PWM周期）	低	峰值电流	启动、堵转、短路
平均值保护	中等（几十个周期）	低	平均发热	过载、持续大电流
有效值保护	较慢（取决于窗口长度）	高	真实发热	波形畸变、不规则负载

4.4 三种策略的协同工作

实际项目中，我不会只用一种策略。三种策略各有侧重，组合起来才能覆盖所有工况。

我一般这样搭：

• 逐周期限流做第一道防线，管住峰值。
• 平均值保护做第二道防线，管住持续过载。
• 有效值保护做第三道防线，管住真实发热。

优先级上，逐周期限流最高，有效值保护最低。一旦逐周期限流频繁触发，平均值和有效值保护也会跟着响应，形成“三级联动”。

4.5 本章知识体系

下面这张图展示了三种软件保护策略的关系和协同逻辑：

嗯，这张图把三种策略的关系讲清楚了。从电流采样开始，分三路进入不同的保护逻辑，最终汇聚到保护动作决策。虚线表示策略之间的协同——比如逐周期限流频繁触发时，可以动态调整平均值保护的阈值。