第四节：软件保护方案

好，咱们接着聊堵转保护。硬件方案搭好了，但真正让保护生效的，还得靠软件。这一节，我重点讲讲电流采样、ADC配置、滤波算法、阈值判断和延时保护。这些都是我这些年调电机踩过的坑，今天一并分享给你。

4.1 电流采样与ADC配置

先说采样。电流采样是堵转保护的眼睛，眼睛不好使，后面全白搭。

我个人习惯用单电阻采样或者三电阻采样。单电阻成本低，但采样时机要求高；三电阻精度好，但多两路ADC。你根据项目成本选就行。

ADC配置这块，有几点我特别想强调：

  • 采样率：建议至少10kHz以上。堵转电流变化快，采样慢了抓不住峰值。
  • 分辨率：12位是底线。8位ADC量化噪声太大，容易误判。
  • 参考电压：用内部基准还是外部基准？我建议用外部精密基准，温漂小。

关键配置示例（以STM32为例）：

// ADC初始化
void ADC_Init(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
    
    // 开启ADC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    
    // ADC配置
    ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
    
    // 配置采样通道和采样时间
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    
    // 校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
    
    // 启动ADC
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
}

我的经验：采样时间别设太短。55.5个周期是我常用的，噪声小。你想想看，采样时间短了，电容充电不充分，结果就是采样值偏小，容易漏报堵转。

4.2 软件滤波算法

ADC采回来的数据，直接拿去判断？千万别。电机运行时，电流上叠加了PWM开关噪声、电机反电动势尖峰，不滤波的话，阈值判断会疯掉。

我常用的滤波方法有三种：

  1. 中值滤波：连续采5个点，取中间值。抗脉冲干扰效果好。
  2. 滑动平均滤波：维护一个窗口，比如8个点，每次取平均。平滑度高。
  3. 一阶低通滤波：简单递归，适合实时性要求高的场景。

我个人偏爱滑动平均。为什么？因为中值滤波会丢数据，低通滤波有相位延迟。滑动平均在实时性和平滑度之间平衡得最好。

滑动平均滤波代码示例：

#define FILTER_WINDOW_SIZE 8

static uint16_t filter_buffer[FILTER_WINDOW_SIZE];
static uint8_t filter_index = 0;
static uint32_t filter_sum = 0;

uint16_t MovingAverageFilter(uint16_t new_sample)
{
    // 减去最旧的数据
    filter_sum -= filter_buffer[filter_index];
    
    // 存入新数据
    filter_buffer[filter_index] = new_sample;
    filter_sum += new_sample;
    
    // 更新索引
    filter_index++;
    if(filter_index >= FILTER_WINDOW_SIZE)
        filter_index = 0;
    
    // 返回平均值
    return (uint16_t)(filter_sum / FILTER_WINDOW_SIZE);
}

注意：窗口大小别设太大。我曾经在一个项目里设了32点滑动平均，结果堵转发生后200ms才检测到，电机都冒烟了。窗口大小建议4-16之间，具体看你PWM频率和采样率。

4.3 阈值判断逻辑

滤波完了，就该判断了。阈值怎么设？

说白了，堵转电流和正常电流之间有个明显的分界。但问题是，不同负载下正常电流不一样。你想想看，空载和满载的正常电流能差好几倍。

我建议用动态阈值：

  • 固定阈值：简单粗暴，适合负载变化小的场合。比如额定电流的1.5倍。
  • 自适应阈值：根据当前运行状态动态调整。比如启动时阈值高，稳态时阈值低。
  • 增量阈值：检测电流变化率。堵转时电流会突然飙升，变化率很大。

我个人最常用的是增量阈值。为什么？因为固定阈值容易误判，自适应阈值实现复杂。增量阈值只看变化趋势，不受负载影响。

增量阈值判断逻辑：

#define CURRENT_DELTA_THRESHOLD  500  // 电流变化阈值，单位mA
#define SAMPLE_INTERVAL_MS       10    // 采样间隔

uint8_t CheckStallByDelta(uint16_t current_now, uint16_t current_last)
{
    int32_t delta;
    
    // 计算电流变化量
    delta = (int32_t)current_now - (int32_t)current_last;
    
    // 如果电流突然增大超过阈值，判定为堵转
    if(delta > CURRENT_DELTA_THRESHOLD)
    {
        return 1;  // 堵转
    }
    
    return 0;  // 正常
}

避坑指南：我曾经在一个风机项目里，直接用固定阈值判断堵转。结果冬天润滑油凝固，启动电流大，每次都误报堵转。后来改成增量阈值，问题就解决了。所以，阈值策略一定要结合你的实际工况来选。

4.4 延时保护机制

最后一步，延时保护。为什么需要延时？因为电流尖峰不一定是堵转。电机启动瞬间、负载突变时，电流都会短暂升高。

延时保护的核心思想：确认堵转持续一段时间，再执行保护动作。

我常用的延时策略：

  • 固定延时：比如检测到堵转后，延时100ms再切断。简单，但不够灵活。
  • 反时限延时：电流越大，延时越短。符合电机热特性，更科学。
  • 可配置延时：通过参数设置延时时间，适应不同应用场景。

我个人推荐反时限延时。为什么？因为电机堵转时，电流越大，发热越快，保护动作就要越快。固定延时要么保护不及时，要么容易误动作。

反时限延时保护实现：

#define BASE_DELAY_MS    1000  // 基础延时1秒
#define RATED_CURRENT    5000  // 额定电流5A

uint32_t CalculateDelay(uint16_t current)
{
    uint32_t delay_ms;
    
    // 反时限公式：延时 = 基础延时 * (额定电流 / 实际电流)^2
    // 电流越大，延时越短
    delay_ms = (uint32_t)(BASE_DELAY_MS * 
               ((float)RATED_CURRENT / current) * 
               ((float)RATED_CURRENT / current));
    
    // 限制最小延时，防止保护太快
    if(delay_ms < 50)
        delay_ms = 50;
    
    // 限制最大延时，防止保护太慢
    if(delay_ms > 2000)
        delay_ms = 2000;
    
    return delay_ms;
}

void StallProtectionTask(void)
{
    static uint16_t stall_count = 0;
    static uint32_t stall_start_time = 0;
    uint16_t current_filtered;
    uint32_t delay_to_use;
    
    // 获取滤波后的电流值
    current_filtered = GetFilteredCurrent();
    
    // 判断是否堵转
    if(CheckStallByDelta(current_filtered, last_current))
    {
        if(stall_count == 0)
        {
            // 记录堵转开始时间
            stall_start_time = GetSysTick();
            // 计算本次堵转的延时时间
            delay_to_use = CalculateDelay(current_filtered);
        }
        
        stall_count++;
        
        // 检查是否达到延时时间
        if((GetSysTick() - stall_start_time) >= delay_to_use)
        {
            // 执行保护动作：关断PWM
            MotorStop();
            SetFaultFlag(FAULT_STALL);
        }
    }
    else
    {
        // 电流恢复正常，清零计数器
        stall_count = 0;
    }
    
    last_current = current_filtered;
}

重要提醒：延时保护不是万能的。如果电机卡死，电流持续很大，延时再短也救不了。所以，延时保护要和硬件保护配合使用。硬件保护是最后一道防线，软件保护是日常防护。两者缺一不可。

嗯，这一节的内容就这些。总结一下：ADC配置要稳，滤波算法要准，阈值判断要灵，延时保护要科学。把这四点做好，你的堵转保护软件方案就基本成型了。

下一节，咱们聊聊堵转保护的实际调试案例。到时候我会分享几个我亲手调过的项目，有成功的，也有翻车的。敬请期待。

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