中微半导无刷电机吸尘器方案 | 实测效率55.5%·顺逆风启动

/**
 * @file    vacuum_motor_foc.c
 * @brief   中微半导吸尘器无感FOC控制核心模块
 * @version V1.0
 * @date    2026-05-16
 * @note    适配 CMS32M5533EQ040 / CMS32M6536EGE32NA
 *         支持顺逆风启动、恒功率限制、堵孔保护
 */

#include "CMS32M55.h"
#include "motor_define.h"
#include "foc_algorithm.h"

/* 全局变量 ------------------------------------------------------------*/
volatile uint16_t target_speed_rpm = 80000;   // 目标转速 8万转/分钟（典型吸尘器档位）
volatile uint16_t actual_speed_rpm = 0;
volatile int16_t phase_current_A = 0, phase_current_B = 0;  // 相电流 (0.01A单位)
volatile uint16_t dc_bus_voltage_mV = 0;      // 母线电压 mV
volatile uint8_t start_flag = 0;
volatile uint8_t stall_protect_cnt = 0;

/* 私有函数声明 ------------------------------------------------------*/
static void PWM_Init(void);
static void ADC_Init(void);
static void FOC_Loop(void);
static void Speed_PI_Control(void);
static uint8_t Check_Stall_Condition(void);

/**
 * @brief   电机驱动外设初始化 (PWM互补，死区，ADC)
 */
void Motor_Init(void)
{
    // 1. 时钟使能
    CLOCK_EnableModule(CLK_PWM1 | CLK_ADC | CLK_TIMER0);
    
    // 2. PWM配置：中央对齐，互补输出，死区 2.0us @64MHz
    PWM_Config_t pwm_cfg = {
        .mode = PWM_MODE_CENTER_ALIGNED,
        .deadtime_ns = 2000,           // 死区2us
        .freq_hz = 20000,              // 20kHz 开关频率，降低噪音
        .polarity = PWM_ACTIVE_HIGH
    };
    PWM_InitModule(PWM_UNIT1, &pwm_cfg);
    PWM_EnableOutput(PWM_CH_U | PWM_CH_V | PWM_CH_W);
    
    // 3. ADC配置：双电阻采样，PWM中点触发
    ADC_Config_t adc_cfg = {
        .resolution = ADC_12BIT,
        .sampling_rate = 1200000,      // 1.2Msps
        .channels = ADC_CH_A | ADC_CH_B | ADC_CH_VBUS,
        .trigger_source = ADC_TRIG_PWM_MIDDLE
    };
    ADC_Init(&adc_cfg);
    ADC_EnableDMA(1);
    
    // 4. 开环强拖参数 (用于自收敛启动前的位置检测)
    FOC_SetOpenLoopParams(1000, 500);   // 初始电流1000mA，斜坡时间500ms
}

/**
 * @brief   无感FOC主循环，在PWM中断或主循环中调用
 */
void Motor_Run(void)
{
    if (!start_flag) return;
    
    // 读取ADC值：两相电流 + 母线电压
    phase_current_A = ADC_GetValue(ADC_CH_A);   // 已转换为实际电流 (0.01A)
    phase_current_B = ADC_GetValue(ADC_CH_B);
    dc_bus_voltage_mV = ADC_GetValue(ADC_CH_VBUS); 
    
    // 估算转子位置和转速 (滑模观测器+锁相环)
    FOC_UpdateEstimator(phase_current_A, phase_current_B, dc_bus_voltage_mV);
    actual_speed_rpm = FOC_GetSpeedRPM();
    
    // 速度PI调节 (输出Iq参考)
    Speed_PI_Control();
    
    // 电流环PI (Id=0 或 MTPA)
    FOC_CurrentLoop();
    
    // 空间矢量SVPWM，更新占空比
    FOC_UpdatePWMDuty();
    
    // 堵孔/堵转保护 (根据转速变化率或功率阈值)
    if (Check_Stall_Condition()) {
        stall_protect_cnt++;
        if (stall_protect_cnt > 10) {
            Motor_Stop();               // 停机保护
            start_flag = 0;
        }
    } else {
        stall_protect_cnt = 0;
    }
}

/**
 * @brief   顺逆风启动算法 (在启动前调用，检测电机旋转方向)
 * @retval  1: 成功切入闭环  0: 启动失败
 */
uint8_t Motor_StartWithWindmill(void)
{
    uint8_t retry = 0;
    int16_t init_speed = 0;
    
    // 1. 检测顺逆风: 通过短时注入高频信号或通过反电动势采样
    init_speed = FOC_DetectRotationSpeed();
    if (abs(init_speed) > WINDMILL_START_THRESHOLD) {
        // 电机正在旋转，直接切入闭环 (顺逆风启动)
        FOC_SetObserverInitialAngle(init_speed > 0 ? ESTIMATE_ANGLE : -ESTIMATE_ANGLE);
        FOC_EnableClosedLoop();
    } else {
        // 静止启动: 自收敛开环强拖
        FOC_OpenLoopStart();
        while (!FOC_IsClosedLoopReady() && retry++ < 200) {
            delay_us(100);
        }
        if (!FOC_IsClosedLoopReady()) return 0;
    }
    start_flag = 1;
    return 1;
}

/**
 * @brief   速度PI控制器 (与功率限制融合)
 */
static void Speed_PI_Control(void)
{
    static int32_t integral = 0;
    int32_t error = target_speed_rpm - actual_speed_rpm;
    int32_t output;
    
    // 比例系数Kp=0.8，积分系数Ki=0.05
    output = (error * 8) / 10 + integral;
    integral += (error * 5) / 100;
    
    // 限制输出电流 (对应力矩)
    if (output > MAX_IQ_REF) output = MAX_IQ_REF;
    if (output < -MAX_IQ_REF) output = -MAX_IQ_REF;
    
    FOC_SetIqReference(output);
    
    // 恒功率保护 (根据输入功率调节目标转速)
    uint32_t input_power = (dc_bus_voltage_mV * phase_current_A) / 1000; // mW
    if (input_power > MAX_POWER_LIMIT_mW) {
        target_speed_rpm -= 200;   // 主动降速，防止过功率
        if (target_speed_rpm < MIN_SPEED_RPM) target_speed_rpm = MIN_SPEED_RPM;
    }
}

/**
 * @brief   堵孔检测 (转速快速下降且电流上升)
 */
static uint8_t Check_Stall_Condition(void)
{
    static uint16_t last_speed = 0;
    int16_t delta_speed = last_speed - actual_speed_rpm;
    last_speed = actual_speed_rpm;
    
    // 转速跌落>5000rpm且电流>额定1.5倍
    if (delta_speed > 5000 && phase_current_A > OVERCURRENT_THRESHOLD) {
        return 1;
    }
    return 0;
}

/* 中断处理 (PWM周期中断触发ADC读取) */
void PWM_IRQHandler(void)
{
    if (PWM_GetTriggerFlag()) {
        ADC_StartConversion();
        PWM_ClearTriggerFlag();
    }
}

/* 主函数示例 */
int main(void)
{
    SystemInit();
    Motor_Init();
    while (1) {
        if (!start_flag) {
            Motor_StartWithWindmill();
        }
        Motor_Run();
        // 调速命令可通过串口或GPIO电平改变 target_speed_rpm
        delay_ms(1);
    }
}