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一、工程概述

本工程是基于dsPIC33CK256MP508微控制器的单电阻采样相电流重构算法完整实现，主要面向中小功率永磁同步电机（PMSM）的矢量控制系统。工程整合了电机控制核心算法、硬件抽象层驱动、诊断监控模块及用户交互逻辑，支持MCLV2（中低压电机）、MCHV2/MCHV3（高压电机）多种硬件平台，通过单电阻采样方案实现三相电流的精确重构，同时具备开环启动、闭环矢量控制、弱磁扩速等核心功能，可广泛应用于家电、工业驱动、电动交通工具等领域。

工程核心特点如下：

1. 硬件兼容性：适配dsPIC33CK256MP508微控制器，支持内部运算放大器（OPAMP）和外部信号调理电路，兼容单电阻/双电阻采样方案。
2. 控制算法：采用磁场定向控制（FOC）架构，包含Clark变换、Park变换、PI调节器、反电动势观测器、弱磁扩速等核心算法。
3. 诊断与监控：集成X2CScope和RTDM两种实时监控方案，支持电机运行参数可视化、故障诊断及数据日志功能。
4. 可靠性设计：包含过流保护、死区补偿、电流偏移校准、Bootstrap电容充电管理等硬件安全机制。

二、工程结构与核心模块划分

工程文件总数108个，按功能可划分为8大核心模块，模块间通过全局变量和函数接口实现数据交互，整体架构采用分层设计（应用层-算法层-硬件抽象层），便于维护和扩展。

（一）核心模块清单

（二）核心模块依赖关系

主程序（pmsm.c） ├─ 硬件初始化：HAL模块（时钟、GPIO、ADC、PWM） ├─ 算法初始化：控制参数、PI调节器、估算器、弱磁参数 ├─ 主循环：按键处理、诊断任务、电机启停控制 └─ 中断服务：ADC采样中断（电流采集与重构）→ 坐标变换 → 速度/电流调节 → PWM占空比更新

三、核心模块功能详细说明

（一）硬件抽象层（HAL）

硬件抽象层是工程与硬件交互的桥梁，负责微控制器外设的底层配置与驱动，屏蔽硬件差异，为上层算法提供统一接口。

1. 时钟模块（clock.c/.h）

• 功能：配置dsPIC33CK256MP508的PLL锁相环，生成系统核心时钟。
• 关键参数：
• 外部晶振/内部FRC时钟输入：8MHz
• PLL倍频/分频配置：M=150，N1=1，N2=3，N3=1
• 最终输出时钟：FOSC=200MHz（振荡器频率），FCY=100MHz（指令周期频率）
• 核心函数：InitOscillator()- 初始化PLL并等待时钟稳定，为所有外设提供时钟源。

2. ADC模块（adc.c/.h）

• 功能：实现电机相电流、母线电压、速度参考电位器等模拟信号的采样。
• 关键配置：
• 采样分辨率：12位， fractional数据格式
• 采样触发方式：PWM触发（同步采样，避免PWM开关噪声干扰）
• 采样通道：
• 单电阻模式：母线电流采样通道（AN0/AN17）
• 双电阻模式：A相/B相电流采样通道（AN1、AN4）
• 速度参考：电位器输入通道（AN19）
• 核心函数：InitializeADCs()- 配置ADC核心、采样时间、触发源及中断优先级。

3. PWM模块（pwm.c/.h）

• 功能：生成三相PWM波形，驱动电机逆变器，支持死区补偿、Bootstrap电容充电。
• 关键配置：
• 工作模式：中心对齐PWM（减小电机转矩脉动）
• PWM频率：20kHz（LOOPTIME_MICROSEC=50）
• 死区时间：1.0μs（DDEADTIME=100，由FCY=100MHz计算）
• 输出模式：互补输出（上下桥臂）
• 核心函数：
• InitPWMGenerators()- 初始化PWM发生器、周期、死区、触发配置。
• ChargeBootstarpCapacitors()- 上电时充电Bootstrap电容，确保高边MOS管正常导通。

4. UART模块（uart1.c/.h）

• 功能：提供串行通信接口，支持X2CScope和RTDM监控功能。
• 关键配置：
• 波特率：115200（X2CScope）/57600（RTDM）
• 数据格式：8位数据位，1位停止位，无校验
• 中断模式：接收/发送中断，支持异步通信
• 核心接口：UART1DataWrite()/UART1DataRead()- 字节收发函数；UART1_InterruptEnable()- 使能中断接收。

5. GPIO模块（port_config.c/.h）

• 功能：配置GPIO引脚为输入/输出/模拟模式，映射外设功能（如PWM、UART）。
• 关键配置：
• 电机控制引脚：PWM输出（RB10-RB15）、电流采样模拟输入（AN0、AN1、AN4等）
• 用户交互引脚：按键输入（RE5、RD5等）、LED输出（RE8、RE9）
• 外设引脚映射：UART1映射到RP70/RP71（PIM引脚49/50）
• 核心函数：SetupGPIOPorts()- 初始化所有GPIO端口为默认状态；MapGPIOHWFunction()- 映射外设功能到GPIO引脚。

（二）数据采集与处理模块

该模块负责从硬件获取原始数据，并进行校准、滤波、重构等预处理，为控制算法提供可靠的输入数据。

1. 电流采样与校准（meascurr.c/.h）

• 功能：采集电流采样通道的原始ADC数据，进行偏移校准和增益缩放，转换为标准化电流值。
• 核心流程：
  1. 偏移校准：上电时采集多个空闲样本，计算偏移量（Offseta/Offsetb），补偿零点漂移。
  2. 增益缩放：通过校准系数（qKa/qKb）将ADC原始值转换为q15格式的电流值（-1~1对应实际电流范围）。
• 核心函数：
• MeasCurrOffset()- 校准电流采样偏移量。
• MeasCompCurr()- 补偿偏移并缩放ADC数据，输出标准化电流值。

2. 单电阻电流重构（singleshunt.c/.h）

• 功能：在单电阻采样模式下，通过PWM周期内的两次采样，重构三相相电流（Ia、Ib、Ic）。
• 核心原理：
• 利用PWM不同矢量区间的母线电流与相电流关系，在PWM上下桥臂导通时刻采样母线电流。
• 通过Clark变换约束（Ia+Ib+Ic=0）重构第三相电流。
• 核心函数：
• SingleShunt_PhaseCurrentReconstruction()- 根据采样时刻的PWM状态，重构三相电流。
• SingleShunt_CalculateSpaceVectorPhaseShifted()- 生成适配单电阻采样的SVPWM波形。

3. ADC数据读取（readadc.c/.h）

• 功能：读取电位器等模拟信号，转换为速度参考值。
• 核心函数：ReadADC0()- 读取ADC采样值，缩放后存储到速度参考变量（qAnRef）。

（三）电机控制核心算法模块

该模块是工程的核心，实现永磁同步电机的磁场定向控制（FOC），包含坐标变换、PI调节、速度/角度估算、弱磁扩速等关键算法。

1. 坐标变换（motor_control/*）

• 功能：实现三相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的转换，是FOC控制的基础。
• 核心变换：
• Clark变换：将三相电流（Ia、Ib、Ic）转换为两相静止坐标系电流（Iα、Iβ）。
• Park变换：将Iα、Iβ转换为两相旋转坐标系电流（Id、Iq），便于独立控制磁通和转矩。
• 逆Park/逆Clark变换：将控制量（Vd、Vq）转换为三相PWM占空比。
• 实现方式：采用汇编语言实现（mcclarkedspic.s、mcparkdspic.s），兼顾运算效率和精度。

2. PI调节器（pmsm.c、motor_control/*）

• 功能：实现速度环、d/q轴电流环的闭环调节，抑制扰动，跟踪参考值。
• 调节器结构：
• 速度环PI：输入速度误差（参考速度-估算速度），输出q轴电流参考值（Iq_ref）。
• Id轴电流环PI：输入Id误差（Id_ref-实际Id），输出Vd控制量。
• Iq轴电流环PI：输入Iq误差（Iq_ref-实际Iq），输出Vq控制量。
• 关键特性：
• 抗积分饱和：通过输出限幅（outMax/outMin）防止积分累积。
• 系数配置：通过InitControlParameters()初始化PI参数（kp、ki、kc）。
• 核心函数：MCControllerPIUpdateAssembly()- 汇编实现的PI调节算法，运算高效。

3. 速度/角度估算（estim.c/.h）

• 功能：无传感器控制核心，基于反电动势（BEMF）估算电机电气角度和转速，无需位置传感器。
• 核心原理：
  1. 根据定子电压方程计算反电动势：BEMF = U - RsI - LsdI/dt。
  2. 对反电动势进行Park变换，得到d/q轴反电动势（Esd、Esq）。
  3. 通过一阶滤波和积分运算，估算电机电气角速度（OmegaMr）和角度（Rho）。
• 关键优化：
• 高低速自适应：低速时增大电流采样间隔，提高差值计算精度；高速时减小间隔，保证响应速度。
• 角度偏移补偿：初始化时设置角度偏移（qRhoOffset），优化开环到闭环的切换过程。
• 核心函数：
• InitEstimParm()- 初始化估算器参数（滤波系数、电流限制等）。
• Estim()- 核心估算函数，在ADC中断中执行，更新速度和角度估算值。

4. 弱磁扩速（fdweak.c/.h）

• 功能：当电机转速超过额定转速时，通过减小d轴电流（Id）削弱定子磁场，提高电机最高转速（弱磁扩速）。
• 核心逻辑：
  1. 预设弱磁曲线：根据转速分段设置Id参考值（qFwCurve）、反电动势系数（qInvKFiCurve）、定子电感系数（qLsCurve）。
  2. 转速判断：当电机转速超过额定转速（FWONSPEED）时，启动弱磁控制。
  3. 插值计算：根据当前转速在预设曲线中插值，得到实时Id参考值。
• 核心函数：
• InitFWParams()- 初始化弱磁曲线参数。
• FieldWeakening()- 输入电机转速，输出弱磁后的Id参考值。

5. 开环启动与闭环切换（pmsm.c）

• 功能：解决无传感器电机启动难题，通过开环控制使电机加速到一定转速后，平滑切换到闭环控制。
• 核心流程：
  1. 开环对齐：电机上电后，输出固定角度的电压矢量，使转子对齐到指定位置（startupLock阶段）。
  2. 开环加速：逐步增加电压矢量的旋转速度，驱动电机加速（startupRamp阶段）。
  3. 闭环切换：当转速达到阈值（END_SPEED）时，切换到基于反电动势的闭环控制。
• 核心函数：CalculateParkAngle()- 生成开环控制的电气角度，或使用估算器角度（闭环模式）。

（四）诊断与监控模块

该模块负责电机运行状态的实时监控、数据日志和故障诊断，便于调试和维护。

1. X2CScope监控（X2CScope.h、diagnostics_x2cscope.c）

• 功能：通过UART与PC端X2CScope软件通信，实时上传电机运行参数（电流、转速、角度等），支持参数在线调整。
• 核心配置：
• 波特率：115200（由X2CBAUDRATEDIVIDER=54计算）。
• 通信接口：UART1，支持发送/接收中断。
• 核心函数：
• X2CScope_Init()- 初始化X2CScope，挂钩UART收发函数。
• X2CScope_Update()- 在ADC中断中更新监控数据。
• X2CScope_Communicate()- 在主循环中处理PC端命令和数据传输。

2. RTDM诊断（rtdm.c/.h、rtdm_select_channels.c）

• 功能：实时诊断与数据日志模块，支持通过UART与MPLAB DMCI软件通信，实现内存读写、状态查询、数据录制。
• 核心特性：
• 数据录制：支持4路数据同时录制（默认配置：Ia、Ib、估算转速、估算角度）。
• 故障诊断：支持非法命令、校验错误等故障反馈。
• 缓冲区管理：循环缓冲区存储录制数据，支持连续采样。
• 核心函数：
• RTDM_Start()- 初始化RTDM模块和UART。
• RTDM_ProcessMsgs()- 处理PC端命令（读内存、写内存、 sanity检查等）。
• RTDM_SelectChannels()- 配置需要录制的数据通道。

（五）板级支持与用户交互模块

1. 按键与LED控制（board_service.c/.h）

• 功能：提供用户交互接口，支持电机启停、速度切换。
• 关键功能：
• 按键防抖：软件防抖（BUTTONDEBOUNCECOUNT=30ms）。
• 按键功能：
• 按键1（START/STOP）：启动/停止电机。
• 按键2（SPEEDHALFDOUBLE）：切换电机速度（仅MCLV2平台）。
• LED指示：LED1指示电机运行状态（亮=运行），LED2指示系统上电状态。
• 核心函数：
• BoardServiceInit()- 初始化按键和LED引脚。
• BoardService()- 主循环中调用，扫描按键状态。

2. 延时函数（delay.h）

• 功能：提供微秒级和毫秒级延时，用于硬件初始化（如Bootstrap电容充电）。
• 实现方式：基于FCY=100MHz的指令周期计算延时计数，通过delayus()和delayms()实现。

四、核心工作流程

（一）系统初始化流程

1. 上电复位 → 调用main()函数 2. 时钟初始化：InitOscillator() → 配置PLL生成100MHz指令周期时钟 3. GPIO初始化：SetupGPIOPorts() → 配置PWM、ADC、按键、LED引脚 4. 外设初始化：InitPeripherals() → 初始化ADC、PWM、UART 5. 电流偏移校准：MeasCurrOffset() → 采集空闲状态下的ADC偏移值，补偿零点漂移 6. 诊断模块初始化：DiagnosticsInit() → 初始化X2CScope或RTDM 7. 控制参数初始化： - InitControlParameters() → 初始化PI参数、PWM周期、电流增益等 - InitEstimParm() → 初始化速度/角度估算器参数 - InitFWParams() → 初始化弱磁扩速参数 8. 等待用户按键 → 启动电机

（二）电机控制主流程（中断驱动）

工程采用ADC采样中断作为控制周期的触发源，中断优先级最高（IPL7），确保控制实时性。中断服务程序（ISR）流程如下：

ADC采样中断（20kHz周期） ├─ 1. 读取ADC数据： - 单电阻模式：读取母线电流，重构三相电流（Ia、Ib、Ic） - 双电阻模式：直接读取A/B相电流，计算C相电流（Ia+Ib+Ic=0） ├─ 2. 电流校准与缩放：MeasCompCurr() → 补偿偏移并转换为标准化电流值 ├─ 3. 坐标变换： - Clark变换：Ia、Ib → Iα、Iβ - Park变换：Iα、Iβ → Id、Iq（使用当前估算角度） ├─ 4. 速度/角度估算：Estim() → 更新估算转速（qVelEstim）和角度（qRho） ├─ 5. 闭环控制：DoControl() - 速度环PI：计算Iq参考值（Iq_ref） - 弱磁扩速：计算Id参考值（Id_ref） - 电流环PI：计算Vd、Vq控制量 ├─ 6. 逆坐标变换： - 逆Park变换：Vd、Vq → Vα、Vβ - 逆Clark变换：Vα、Vβ → Va、Vb、Vc ├─ 7. PWM占空比计算：MC_CalculateSpaceVectorPhaseShifted_Assembly() → 生成SVPWM占空比 ├─ 8. 更新PWM输出：PWMDutyCycleSet() → 写入PWM寄存器，驱动电机 ├─ 9. 诊断与监控： - DiagnosticsStepIsr() → 更新X2CScope/RTDM数据 - BoardServiceStepIsr() → 扫描按键状态计数器 └─ 10. 清除中断标志 → 等待下一次中断

（三）开环到闭环切换流程

1. 用户按下启动按键 → 使能PWM输出（EnablePWMOutputsInverterA()） 2. 开环控制阶段： - 转子对齐：startupLock计数到LOCK_TIME，转子对齐到指定位置 - 开环加速：startupRamp逐步增加，生成旋转角度（thetaElectricalOpenLoop） - 输出固定Vq参考值，驱动电机加速 3. 切换判断：当startupRamp达到END_SPEED → 触发闭环切换 4. 闭环切换： - 设置uGF.bits.OpenLoop=0（闭环模式） - 设置uGF.bits.ChangeMode=1（模式切换标志） - 角度同步：将估算器角度与开环角度对齐 5. 闭环控制阶段：使用估算器角度和转速，执行FOC闭环控制

五、关键参数配置

（一）电机参数（userparms.h，需根据实际电机调整）

（二）PI调节器参数（userparms.h）

（三）弱磁扩速参数（userparms.h）

六、工程编译与适配说明

（一）编译环境

• 编译器：XC16 Compiler（版本≥1.30）
• 开发工具：MPLAB X IDE（版本≥5.00）
• 调试工具：MPLAB ICD 3/RealICE（支持dsPIC33CK系列）

（二）硬件适配开关

工程通过宏定义支持不同硬件配置，可在userparms.h或相关头文件中修改：

（三）注意事项

1. 电流偏移校准：电机未运行时执行，确保采样通道无电流，否则会导致偏移补偿错误。
2. 电机参数匹配：需根据实际电机修改userparms.h中的电机参数（电阻、电感、极对数等），否则控制性能会严重下降。
3. 弱磁曲线调整：弱磁扩速的效果依赖于预设的qFwCurve、qInvKFiCurve、qLsCurve数组，需根据电机特性调整。
4. 中断优先级：ADC采样中断优先级需设为最高（IPL7），避免被其他中断打断，影响控制周期稳定性。

七、总结

本工程是一套完整的基于dsPIC33CK256MP508的单电阻采样无传感器FOC控制方案，通过高度优化的算法和硬件驱动，实现了电机的高效、稳定控制。工程具备以下优势：

1. 成本优势：单电阻采样方案相比三电阻采样，减少了采样电阻和信号调理电路成本。
2. 性能优势：采用汇编优化的核心算法，控制周期可达20kHz，响应迅速；无传感器估算精度高，支持宽转速范围运行。
3. 灵活性优势：支持多种硬件平台（MCLV2/MCHV2/MCHV3），可通过宏定义快速适配不同电机和硬件配置。
4. 可维护性优势：分层设计架构清晰，模块间接口统一，便于后续功能扩展和bug修复。

工程可直接用于家电（空调压缩机、洗衣机电机）、工业驱动（小型泵、风机）、电动交通工具（电动自行车、滑板车）等领域的电机控制方案开发，也可作为学习无传感器FOC控制的参考案例。