第四节：ADC采样与信号调理
各位同学，今天我们来聊聊电机控制里一个特别关键的环节——ADC采样。说实话，我见过不少工程师，算法写得飞起，结果一上电机就抖得不行，查来查去，最后发现是电流采样出了问题。嗯，这节内容，咱们就把这个坑填上。
4.1 电流采样电阻与运放电路设计
先说说采样电阻。电机控制里最常用的就是分流电阻法，说白了就是在电流回路上串一个小电阻，测它两端的电压。这个电阻怎么选？我个人的习惯是看三个参数：阻值、功率、温漂。
- 阻值：不能太大，否则发热严重；也不能太小，否则信号太弱。一般取几毫欧到几十毫欧。比如10mΩ，10A电流时压降100mV，刚好。
- 功率：P = I²R，这个要算清楚。我遇到过有人用0805封装的电阻扛5A电流，结果直接冒烟了。
- 温漂：最好选±50ppm/℃以内的，不然温度一变化，电流检测就偏了。
采样电阻两端的信号通常只有几十到几百毫伏，MCU的ADC直接采肯定不行。这时候就需要运放来放大。我常用的方案是差分放大电路，比如下面这个结构：
// 典型差分放大电路参数
// R1 = R3 = 1kΩ, R2 = R4 = 10kΩ
// 增益 = R2/R1 = 10倍
// 输入：采样电阻两端电压（±100mV）
// 输出：放大后电压（±1V），送入ADC这里有个细节要注意：运放的共模输入范围。电机驱动是高压环境，共模电压可能很高。我建议选轨到轨输入的运放，比如LMV321、MCP6001这类。另外，运放的带宽要够，至少1MHz以上，不然高频电流分量会被衰减。
4.2 三相电流同步采样
电机控制里，三相电流必须同时采样。为什么？因为你要算Clark变换和Park变换，如果三相电流不是同一时刻采的，算出来的角度和转矩就不准。说白了，电机就会抖。
怎么实现同步？硬件上，我习惯用三个采样电阻分别放在三相下桥臂，配合三个运放通道。然后让MCU的ADC同时触发三个通道的采样。有些MCU有同步采样功能，比如STM32G4的ADC可以同时启动多个注入组。
软件上，要注意采样时刻。我一般把采样点放在PWM的中间时刻，也就是计数器的中点。这时候电流纹波最小，采样值最稳定。你想想看，如果放在PWM边沿，开关噪声正好最大，采出来的数据根本没法用。
// 三相电流同步采样配置示例（伪代码）
// 假设使用ADC1的注入组，三个通道分别对应U、V、W相
ADC1->JSQR = (3 << 20) | // 注入序列长度=3
(ADC_CH_U << 15) | // 第1个转换：U相
(ADC_CH_V << 10) | // 第2个转换：V相
(ADC_CH_W << 5); // 第3个转换：W相
// 触发源设置为TIM1的TRGO事件（PWM中点触发）
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTEN_0 | ADC_CR2_EXTSEL_2; // TIM1 TRGO触发4.3 ADC触发源配置
ADC什么时候开始采？这个触发源配置很关键。我常用的触发源有几种：
| 触发源 | 适用场景 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 定时器TRGO事件 | FOC控制，PWM中点采样 | 需要和PWM频率同步 |
| 定时器CC事件 | 霍尔传感器换相时刻 | 适合方波控制 |
| 外部GPIO触发 | 特殊工况，如过流保护 | 响应快，但占用引脚 |
| 软件触发 | 调试阶段，手动采样 | 不推荐用于实时控制 |
我个人最常用的是定时器TRGO事件。具体做法是：让PWM定时器在计数到中点时产生一个TRGO信号，直接触发ADC开始转换。这样采样时刻和PWM周期严格同步，不需要CPU干预。
4.4 过采样与均值滤波
采回来的数据直接能用吗？说实话，不太行。电机驱动环境里，开关噪声、地弹、电源纹波都会污染ADC结果。我一般会做两件事：过采样和均值滤波。
过采样：说白了就是多采几次，然后取平均。比如你采16次，取平均，等效分辨率可以提高2位。但要注意，过采样次数不能太多，否则会引入延迟。我一般取4次或8次，效果不错。
// 过采样与均值滤波示例
#define OVERSAMPLE_RATE 8
uint16_t adc_oversample(uint16_t *buffer, uint8_t channel) {
uint32_t sum = 0;
for (int i = 0; i < OVERSAMPLE_RATE; i++) {
sum += adc_read(channel); // 连续读取8次
}
return (uint16_t)(sum / OVERSAMPLE_RATE); // 取平均
}均值滤波：这个更常用。我维护一个环形缓冲区，存最近N次采样值，每次取平均。N一般取4到16。N太小，滤波效果差；N太大，响应变慢。我习惯取8，平衡了噪声抑制和动态响应。
// 滑动均值滤波
#define FILTER_LEN 8
typedef struct {
uint16_t buffer[FILTER_LEN];
uint8_t index;
uint32_t sum;
} sliding_avg_t;
uint16_t sliding_avg_filter(sliding_avg_t *filter, uint16_t new_sample) {
filter->sum -= filter->buffer[filter->index];
filter->buffer[filter->index] = new_sample;
filter->sum += new_sample;
filter->index = (filter->index + 1) % FILTER_LEN;
return (uint16_t)(filter->sum / FILTER_LEN);
}嗯，这节内容就到这里。ADC采样看似简单，但实际项目中坑不少。我当年第一次做电机驱动，就是没注意采样时刻，结果电流波形全是毛刺，查了三天才发现是触发源配错了。希望大家能少走弯路。
下一节我们聊聊电流环的PI参数整定，那个更有意思。