📖 第 24 章：无刷电机有感方波闭环控制（Sensor Square-Wave Closed Loop）
⚙️ 正点原子《DMF407 电机控制专题教程》V1.0 · Chapter 24
🗨️ 本章金句：「霍尔不只是换相的路标，还是测速的码表。」
这一章在干嘛？ 在六步换相之上装 PID：先用霍尔信号测速做速度单闭环，再叠加电流环做双闭环——占空比取两环输出的较小者，这才是工业里「稳得住、限得住」的玩法。
24.1 霍尔测速原理
1 对极转子转一圈，每个霍尔输出 1 个完整脉冲（N 极靠近输出 1、S 极输出 0）。统计高电平持续时间就能算转速：
$$t = \frac{C}{F_t}\ ,\qquad T = \frac{2C}{F_t}\ ,\qquad n = \frac{F_t}{2C} \times 60\ (\text{RPM，1 对极})$$
本教程电机是 2 对极：高低电平各持续 360° 电角度，一圈 4 次跳变，故 $n = \dfrac{F_t}{4C} \times 60$。程序在 18kHz（55µs）的定时器中断里累计跳变间隔计数 count_j，速度 = SPEED_COEFF / count_j，再经一阶低通滤波（系数 0.2379）。
24.2 速度单闭环
速度环参数 KP=0.00800、KI=0.00025、KD=0.00020，采样周期 40ms，积分/输出限幅 ±4000；PID 输出再低通滤波（0.085）后取绝对值作占空比，符号决定方向。
/* 55us 定时器中断：霍尔测速 + 不换相超时保护 */
g_bldc_motor1.count_j++; /* 18K 计数即霍尔脉冲频率 */
g_bldc_motor1.hall_sta_edge = uemf_edge(g_bldc_motor1.hall_single_sta);
if (g_bldc_motor1.hall_sta_edge == 0) { /* 霍尔跳变：算速 */
if (g_bldc_motor1.dir == CW)
temp_speed = (SPEED_COEFF / g_bldc_motor1.count_j);
else
temp_speed = -(SPEED_COEFF / g_bldc_motor1.count_j);
FirstOrderRC_LPF(g_bldc_motor1.speed, temp_speed, 0.2379f);
g_bldc_motor1.count_j = 0;
}
if (g_bldc_motor1.hall_sta_edge == 2) { /* 霍尔一直不变=未换向 */
g_bldc_motor1.no_single++;
if (g_bldc_motor1.no_single > 15000) { /* 超时判定 */
g_bldc_motor1.no_single = 0;
g_bldc_motor1.speed = 0;
}
}
按键：KEY0 目标速度 +400RPM（上限 4000），KEY1 −400RPM（正负定转向），KEY2 停机。现象：橙线先变，红线逐渐逼近——与直流有刷速度环如出一辙。
24.3 速度 & 电流双闭环
电流环反馈用母线电流（第 23 章：两个导通相电流之和）。电流环参数 KP=2.00、KI=0.20、KD=0.01。两个关键机制：
- 换相尖峰滤除： 换相瞬间母线电流出现尖峰，不能让它触发 PID——尖峰超过「设定值 − 20」时连续计数 4 次以上才采信；
- 双环取小： 速度环与电流环各算各的，最终占空比取两者较小值（等效于限流），并做积分接力（Ui 同号传递）防止积分失控。
if (motor_pwm_c > motor_pwm_sl) { /* 电流环输出大 -> 用速度环输出 */
g_bldc_motor1.pwm_duty = motor_pwm_sl;
if (motor_pwm_s < 0) g_current_pid.Ui = -g_speed_pid.Ui; /* 积分接力 */
else g_current_pid.Ui = g_speed_pid.Ui;
} else { /* 否则用电流环输出 */
g_bldc_motor1.pwm_duty = motor_pwm_c;
if (motor_pwm_s < 0) g_speed_pid.Ui = -g_current_pid.Ui;
else g_speed_pid.Ui = g_current_pid.Ui;
}
双环实验要点： 上限 3000RPM；手动加载后电流在目标值附近波动、速度被拉回——紫线（实际电流）不贴着粉线（目标电流）属正常，因为输出取小逻辑下电流环只在「电流超限」时才接管。
🧠 小测验
1. 2 对极无刷电机如何由霍尔计数求 RPM？
统计 180°/360° 电角度对应的计数值 C，按 $n = F_t/(4C) \times 60$（2 对极）计算；例程在 18kHz 中断里用 SPEED_COEFF/count_j 求速并一阶滤波。
2. 速度单环与速度+电流双环的输出如何取舍？
比较两环 PID 输出取较小者作占空比（等效限流），同时做积分接力（Ui 同号传递），防止超调与积分饱和。
3. 换向尖峰为何要滤波？
换相瞬间母线电流出现尖峰，直接进电流环会导致误调节；代码在尖峰超阈值时连续计数 4 次以上才采信，滤波越多越稳定但响应越慢。