3、电流环与速度环调试：电流采样电路与ADC校准、PI参数整定方法（Ziegler-Nichols）、速度环震荡分析与抑制

电流环和速度环，是运动控制的「两条腿」。

很多新手一上来就调位置环，结果电机嗡嗡响、跑飞、甚至炸管。我当年也干过这事——调了半天发现电流环根本没收敛。说白了，电流环是基础，基础不稳，上层全白搭。

3.1 电流采样电路与ADC校准

电流采样，是电流环的「眼睛」。眼睛看不清，后面再怎么调也没用。

3.1.1 采样电阻与差分放大

常用的方案是低侧采样，用毫欧级电阻串在MOS管源极和GND之间。采样信号经过差分运放放大后送ADC。

我个人习惯用INA240这类专用电流检测放大器，共模抑制比高，省心。如果你用普通运放搭差分电路，电阻匹配精度必须做到0.1%以内，否则共模抑制比会掉得很厉害。

3.1.2 ADC校准：零偏与增益

ADC采集回来的值，不能直接用。为什么？因为运放有零偏，电阻有误差，ADC本身也有偏移。

校准分两步：

1. 零偏校准：电机不转，母线不上电，采集ADC值作为零偏。一般采100次取平均，存下来。
2. 增益校准：给一个已知电流（比如用恒流源或者精密电阻负载），采集ADC值，算出实际增益系数。

代码实现很简单：

// 电流ADC校准
typedef struct {
    float zero_offset;   // 零偏值（ADC码值）
    float gain;          // 增益系数 (A/LSB)
} CurrentCalib_t;

CurrentCalib_t calib;

void CurrentCalib_Init(void) {
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        sum += ADC_GetValue();
        delay_ms(1);
    }
    calib.zero_offset = sum / 100.0f;
    
    // 假设已知校准电流为 1.0A，对应ADC码值差为 2048
    calib.gain = 1.0f / (2048.0f - calib.zero_offset);
}

float Current_GetActual(void) {
    float raw = ADC_GetValue();
    return (raw - calib.zero_offset) * calib.gain;
}

3.2 PI参数整定方法（Ziegler-Nichols）

PI参数怎么调？很多人靠蒙，调大调小试半天。其实有经典方法——Ziegler-Nichols法。

3.2.1 基本原理

Ziegler-Nichols法分两步：

1. 先把积分项I设为0，微分项D设为0（我们只用PI，D不用）。
2. 慢慢增大比例增益Kp，直到系统输出出现等幅振荡。记录此时的Kp为Ku，振荡周期为Tu。

然后按表查参数：

控制器类型	Kp	Ki
P	0.5 * Ku	-
PI	0.45 * Ku	1.2 * Kp / Tu
PID	0.6 * Ku	2 * Kp / Tu

嗯，这里要注意：这个方法适用于一阶滞后系统。电流环和速度环基本符合，但实际应用时参数要微调。

3.2.2 实操步骤

我建议你这样操作：

• 先调电流环。电流环带宽高，一般Kp从0.1开始往上加，直到听到电机有轻微啸叫或电流波形出现等幅振荡。
• 记录Ku和Tu，按表算出PI参数。
• 然后调速度环。速度环带宽低，Kp从1开始往上加，同样找等幅振荡点。

3.3 速度环震荡分析与抑制

速度环震荡，是调试中最常见的问题。电机要么嗡嗡响，要么转速忽高忽低。

3.3.1 震荡原因分析

震荡的原因主要有三个：

• PI参数不合适：Kp太大导致超调，Ki太大导致积分饱和。
• 机械谐振：负载惯量匹配不好，或者联轴器有间隙。
• 采样噪声：速度反馈信号有毛刺，导致控制器误动作。

怎么区分？我教你一招：用手摸电机轴，如果感觉是高频振动（几百Hz），多半是电流环问题；如果是低频摆动（几Hz到几十Hz），多半是速度环或机械问题。

3.3.2 抑制方法

针对不同原因，方法也不同：

1. PI参数优化：用Ziegler-Nichols法算出初值后，再微调。一般Kp降10%-20%，Ki适当增加，可以抑制超调。
2. 低通滤波：在速度反馈通道加一阶低通滤波，截止频率设为速度环带宽的3-5倍。
3. 陷波滤波器：如果机械谐振频率已知，可以用陷波滤波器定点消除。
4. 前馈补偿：在速度环输出加加速度前馈，可以改善动态响应。

代码示例：

// 速度环PI控制器（带积分限幅）
typedef struct {
    float Kp;
    float Ki;
    float integral;
    float integral_max;  // 积分限幅
} SpeedPI_t;

float SpeedPI_Update(SpeedPI_t *pi, float error, float dt) {
    float output;
    
    // 比例项
    float p_out = pi->Kp * error;
    
    // 积分项（带限幅）
    pi->integral += pi->Ki * error * dt;
    if (pi->integral > pi->integral_max)
        pi->integral = pi->integral_max;
    else if (pi->integral < -pi->integral_max)
        pi->integral = -pi->integral_max;
    
    output = p_out + pi->integral;
    return output;
}

3.4 本章知识体系

下面这张图，把电流环和速度环调试的整个流程串起来了。你调试时按这个顺序走，基本不会乱。

调试时记住一个原则：从底层往上层调。先确保电流采样准确，再调电流环，最后调速度环。跳过任何一步，后面都会出问题。

---

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321