feat(FOC): 优化FOC控制算法并修复多个控制环路问题
- 重构cal_Iq_Id函数，移除电角度参数传递，改用预计算的sin/cos值 以避免重复三角函数计算，提升性能约15-300周期 - 修复角度同步Uq前馈学习中的运动方向判断逻辑，解决反转时的 震荡问题和正转正常反转震荡的根本原因 - 实现低速缩放因子函数get_mode3_velocity_scale，改进静摩擦 hunting抑制效果 - 优化电压检测逻辑，将阻塞式ADC读取改为连续模式零等待， 提升实时性能 - 修复初始化期间电压分母为零的问题，添加下限保护防止P增益 无穷大 - 实现PID控制器测量微分功能，消除目标阶跃时的微分冲击 - 改进积分抗饱和策略，添加外部饱和泄放功能，优化到位稳定 性能 perf(Filter): 优化中值滤波算法性能 - 针对ADC_FILTER_SIZE=6的固定场景实现最优排序网络， 用12次比较替代通用std::nth_element算法，显著提升性能 - 保留通用回退路径处理其他尺寸情况
This commit is contained in:
+105
-45
@@ -9,6 +9,18 @@
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#include "gd32c10x_eval.h"
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#include <cstdint>
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// 项目级定宽类型别名（u8/u16/u32 等）：整个工程统一从这里取，
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// 重复 typedef 同一类型在 C++ 中合法，包含多次无副作用
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typedef uint8_t u8;
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typedef uint16_t u16;
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typedef uint32_t u32;
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typedef int8_t s8;
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typedef int16_t s16;
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typedef int32_t s32;
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typedef volatile uint8_t vu8;
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typedef volatile uint16_t vu16;
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typedef volatile uint32_t vu32;
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// 如果使用 CMSIS DSP 库，需要定义 ARM_MATH_CM4
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#define ARM_MATH_CM4
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@@ -20,27 +32,81 @@
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#define MAIN_DEBUG 0
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#define FOC_DEBUG 0
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// 版本号定义 - 可根据实际项目进行调整
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_MAJOR = 26;
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_MINOR = 8;
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_PATCH = 16;
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_BUILD = 7;
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// ===================== 版本号定义 =====================
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// 软件版本 = 编译日期自动生成（年.月.日）+ 当天构建小版本号（手动递增）
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// __DATE__ 形如 "Mmm dd yyyy"（如 "Aug 29 2026"）：2026-08-29 当天第一次
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// 构建得到 26.8.29.1；同一天多次出固件时把 SOFTWARE_VERSION_BUILD +1
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#define CFG_VER_YEAR \
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((__DATE__[7] - '0') * 1000 + (__DATE__[8] - '0') * 100 + \
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(__DATE__[9] - '0') * 10 + (__DATE__[10] - '0'))
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#define CFG_VER_IS_JAN (__DATE__[0] == 'J' && __DATE__[1] == 'a' && __DATE__[2] == 'n')
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#define CFG_VER_IS_FEB (__DATE__[0] == 'F' && __DATE__[1] == 'e' && __DATE__[2] == 'b')
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#define CFG_VER_IS_MAR (__DATE__[0] == 'M' && __DATE__[1] == 'a' && __DATE__[2] == 'r')
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#define CFG_VER_IS_APR (__DATE__[0] == 'A' && __DATE__[1] == 'p' && __DATE__[2] == 'r')
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#define CFG_VER_IS_MAY (__DATE__[0] == 'M' && __DATE__[1] == 'a' && __DATE__[2] == 'y')
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#define CFG_VER_IS_JUN (__DATE__[0] == 'J' && __DATE__[1] == 'u' && __DATE__[2] == 'n')
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#define CFG_VER_IS_JUL (__DATE__[0] == 'J' && __DATE__[1] == 'u' && __DATE__[2] == 'l')
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#define CFG_VER_IS_AUG (__DATE__[0] == 'A' && __DATE__[1] == 'u' && __DATE__[2] == 'g')
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#define CFG_VER_IS_SEP (__DATE__[0] == 'S' && __DATE__[1] == 'e' && __DATE__[2] == 'p')
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#define CFG_VER_IS_OCT (__DATE__[0] == 'O' && __DATE__[1] == 'c' && __DATE__[2] == 't')
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#define CFG_VER_IS_NOV (__DATE__[0] == 'N' && __DATE__[1] == 'o' && __DATE__[2] == 'v')
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#define CFG_VER_IS_DEC (__DATE__[0] == 'D' && __DATE__[1] == 'e' && __DATE__[2] == 'c')
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#define CFG_VER_MONTH \
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(CFG_VER_IS_JAN ? 1 \
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: CFG_VER_IS_FEB ? 2 \
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: CFG_VER_IS_MAR ? 3 \
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: CFG_VER_IS_APR ? 4 \
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: CFG_VER_IS_MAY ? 5 \
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: CFG_VER_IS_JUN ? 6 \
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: CFG_VER_IS_JUL ? 7 \
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: CFG_VER_IS_AUG ? 8 \
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: CFG_VER_IS_SEP ? 9 \
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: CFG_VER_IS_OCT ? 10 \
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: CFG_VER_IS_NOV ? 11 \
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: CFG_VER_IS_DEC ? 12 \
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: 0)
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/* 日字段两位，个位数时首字符为空格（如 "Aug 5 2026"） */
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#define CFG_VER_DAY \
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((__DATE__[4] == ' ') ? (__DATE__[5] - '0') \
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: ((__DATE__[4] - '0') * 10 + (__DATE__[5] - '0')))
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_MAJOR = CFG_VER_YEAR % 100; // 年后两位，如 26
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_MINOR = CFG_VER_MONTH; // 月
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_PATCH = CFG_VER_DAY; // 日
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constexpr u16 SOFTWARE_VERSION_BUILD = 1; // 当天第几次构建，手动递增
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// 硬件版本：全手写，仅在 PCB 改版时修改（编译 APP 不影响）
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constexpr u16 HARDWARE_VERSION_MAJOR = 25;
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constexpr u16 HARDWARE_VERSION_MINOR = 12;
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constexpr u16 HARDWARE_VERSION_PATCH = 01;
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constexpr u16 HARDWARE_VERSION_PATCH = 1;
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constexpr u16 HARDWARE_VERSION_BUILD = 0;
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// BOOT 版本：全手写，仅在 bootloader 更新时修改（APP 编译不影响）
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constexpr u16 BOOT_VERSION_MAJOR = 26;
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constexpr u16 BOOT_VERSION_MINOR = 1;
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constexpr u16 BOOT_VERSION_PATCH = 12;
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constexpr u16 BOOT_VERSION_BUILD = 0;
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// ===================== 功率级门驱动芯片选择 =====================
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// 1 = 新板 DRV8323RS（外置 WSD6035DN33）：使能前经 SPI 配置 3x PWM 模式、
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// CSA 增益、VDS 过流门限；3 路 PWM 接 INHA/B/C（CH2/CH1/CH0，
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// 固件内已做通道重映射）；PB12(DRVSLP) 同时是使能脚与 INLA/B/C 电平
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// （高=正常运转，低=三相 Hi-Z 睡眠滑行）。
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// 0 = 老板 DRV8313（集成 FET 三半桥）：无 SPI，保持原使能时序与相序。
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#define GATE_DRIVER_DRV8323 0
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#if GATE_DRIVER_DRV8323
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// DRV8323 片上 CSA 增益（V/V），经 SPI 写入 0x06[7:6]，仅 5/10/20/40 有效。
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// 双极性量程 = ±1.655V/(G×Rshunt)：G=10、R=10mΩ 时约 ±16.5A。
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// 修改后电流换算系数 CURRENT_FACTOR（ADC.cpp）自动跟随，但软件限流标定需复核。
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constexpr float DRV8323_CSA_GAIN_VV = 10.0f;
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constexpr float DRV8323_SHUNT_OHM = 0.010f;
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#endif
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// 编译时间（AC6 编译器自动生成）
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#define APP_BUILD_DATE __DATE__
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#define APP_BUILD_TIME __TIME__
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// Flash 分区配置
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constexpr u32 BOOTLOADER_SIZE = 0x6000; // 24KB
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constexpr u32 BOOTLOADER_START_ADDR = 0x08000000; // BOOT 起始地址
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constexpr u32 APPLATEST_START_ADDR = 0x08012000; // APP 起始地址
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constexpr u32 APPBACK_START_ADDR = 0x08006000; // APPBACK 起始地址
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@@ -50,33 +116,33 @@ constexpr u32 SLEEP_CONFIG_START = 0x0801E400; // 睡眠配置起始地址
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constexpr u32 SLEEP_CONFIG_END = 0x0801E800; // 睡眠配置结束地址
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constexpr u32 FLASH_EMPTY = 0xFFFFFFFF; // 空数据
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constexpr u32 SLEEP_ENABLE = 0x11111111; // 睡眠使能
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constexpr u32 SLEEP_DISABLE = 0x00000000; // 睡眠禁止
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// 节点 ID 配置 (用于多电机 CAN 总线隔离)
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// 使用 CAN ID 高 16 位 (bits 31-16) 存储节点 ID，低 16 位 (bits 15-0) 存储基础 ID
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// 格式：[节点 ID(16 位)][基础 ID(16 位)]，例如：node_id=1, base_id=0x0200 → 0x00010200
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//
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// 节点 ID 存储方案：
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// - 使用独立 Flash 页 (NODE_ID_PAGE_ADDR) 存储节点 ID，与EEPROM完全隔离
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// - 采用双重备份机制 (主备份 + 备用备份)
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// - 使用独立 Flash 页存储节点 ID，与EEPROM完全隔离
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// - 采用双重备份机制：主备份与备用备份分属两个独立 1KB 页，
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// 擦写其一不影响另一份，掉电时至少保留一份有效数据
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// - 写入采用乒乓方式：总是写入"非最新"的那一页，另一页全程保有旧值
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// - 使用魔数 (NODE_ID_MAGIC) 验证数据有效性，防止位翻转导致错读
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// - 使用写入计数器区分最新数据
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constexpr u32 NODE_ID_PAGE_ADDR = 0x0801E800; // 节点 ID 存储页 (1KB，独立区域)
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constexpr u32 NODE_ID_PRIMARY_ADDR = 0x0801E800; // 主存储地址
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constexpr u32 NODE_ID_BACKUP_ADDR = 0x0801E840; // 备份存储地址 (偏移64字节)
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// - 使用写入计数器区分最新数据（计数器跳过 0，比较用有符号差值容忍回绕）
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constexpr u32 NODE_ID_PAGE_ADDR = 0x0801E800; // 节点 ID 主存储页 (1KB，独立区域)
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constexpr u32 NODE_ID_PRIMARY_ADDR = 0x0801E800; // 主备份地址
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constexpr u32 NODE_ID_BACKUP_ADDR = 0x0801EC00; // 备用备份地址（独立 1KB 页）
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constexpr u32 NODE_ID_MAGIC = 0x4E4F4445; // 魔数 'NODE' 用于验证数据有效性
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constexpr u16 DEFAULT_NODE_ID = 1; // 默认节点 ID
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constexpr u16 BROADCAST_NODE_ID = 0x1FFF; // 广播 ID (所有节点响应)
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constexpr u16 MAX_NODE_ID = 0x1FFE; // 最大有效节点 ID (0~0x1FFE)
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constexpr u16 SETTABLE_NODE_ID_MAX = 0x00FF; // SET_NODE_ID 命令允许设置的上限 (1~0xFF)
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// 节点 ID 存储结构 (存储在Flash中的格式)
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// 节点 ID 存储结构 (主备份/备用备份各一份，每份 16 字节，位于各自页首)
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// 地址偏移 0x00: 魔数 (0x4E4F4445 = 'NODE')
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// 地址偏移 0x04: 节点 ID (u16)
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// 地址偏移 0x06: 保留 (u16，填充为0xFFFF)
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// 地址偏移 0x08: 写入计数器 (u32，用于区分最新数据)
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// 地址偏移 0x0C: CRC32 校验 (u32)
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constexpr u8 NODE_ID_STRUCT_SIZE = 0x10; // 结构体大小 16 字节
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constexpr u8 NODE_ID_MAGIC_OFFSET = 0x00; // 魔数偏移
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constexpr u8 NODE_ID_VALUE_OFFSET = 0x04; // 节点ID值偏移
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constexpr u8 NODE_ID_COUNTER_OFFSET = 0x08; // 写入计数器偏移
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@@ -136,14 +202,24 @@ constexpr float CURRENT_KALMAN_MEASUREMENT_NOISE_R = 5e-5f; // 增大测量噪
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// PID 配置
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constexpr float DEFAULT_current_loop_p = 0.1f / 100 * 12; // 电流 P
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constexpr float current_loop_Ki = 0.55f; // 电流 P
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constexpr float current_loop_Kd = 3e-4f; // 电流 P
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// 电流反馈噪声大（CurrentKalman 稳态增益≈1，几乎无滤波），D 项只放大噪声，置零
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constexpr float current_loop_Kd = 0.0f;
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constexpr float DEFAULT_vel_loop_p = 0.005f / 100 * 12; // 速度 P
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constexpr float vel_loop_Ku = 3.600000e-03 * 0.7 * 100 / 12;
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constexpr float vel_loop_Tu = 17.0f * 1e-3f;
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constexpr float vel_loop_Ki = 1.2 * vel_loop_Ku / vel_loop_Tu;
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// 速度 D 恢复（提供加速度阻尼）；现走"测量微分+1ms低通"路径，无目标阶跃踢、
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// 噪声被低通抑制，比旧的裸误差微分安全
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constexpr float vel_loop_Kd = 0.075 * vel_loop_Ku * vel_loop_Tu * 2;
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// PID 抗饱和与微分滤波（负载稳定性优化，2026-08）
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// 抗饱和主体为条件积分（饱和方向冻结，见 pid.cpp）；此增益仅用于
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// bleed_integral() 外部饱和泄放（前馈叠加超限时），且带同号保护不过零
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constexpr float ANTI_WINDUP_GAIN = 0.3f; // 外部饱和泄放比例
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constexpr float DERIV_LPF_TAU = 0.001f; // 微分项一阶低通时间常数 (s)
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constexpr float MIN_LIMIT_VOLTAGE = 0.1f; // P 增益换算分母下限，防 limit_voltage=0 除零
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// mode2 角度同步 Uq 前馈补偿：固定 Uq 下的真实速度波动不应从反馈中滤掉，
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// 而应按物理 360° 提前补偿负载/阻力差异，降低速度 PID 的周期性纠偏量。
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constexpr bool MODE2_UQ_FF_ENABLE = true;
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@@ -155,6 +231,7 @@ constexpr float MODE2_UQ_FF_GAIN = 0.003f; // 速度误差(deg/s)到前馈
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constexpr float MODE2_UQ_FF_MAX = 3.5f; // 前馈补偿电压限幅(V)
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constexpr float MODE2_UQ_FF_STOP_SPEED = 2.0f; // 目标/实际速度低于该值时不输出前馈
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constexpr float MODE2_UQ_FF_BRAKE_ERR = 3.0f; // 明显超速/刹车时不输出前馈，单位同 velocity_error
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constexpr float MODE2_UQ_FF_LEARN_ERR_MAX = 375.0f; // 速度误差带内才学习(≈15°/s×25)，防启停瞬态污染表
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// mode3 角度同步 Uq 前馈补偿：单独建表，避免和 mode2 互相污染。
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constexpr bool MODE3_UQ_FF_ENABLE = true;
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@@ -166,16 +243,21 @@ constexpr float MODE3_UQ_FF_GAIN = 0.3f; // mode3 速度误差未乘减
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constexpr float MODE3_UQ_FF_MAX = 3.5f;
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constexpr float MODE3_UQ_FF_STOP_SPEED = 2.0f; // mode3 内部目标/实际速度低于该值时不输出前馈
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constexpr float MODE3_UQ_FF_BRAKE_ERR = 3.0f; // 明显超速/刹车时不输出前馈，单位同 velocity_error
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constexpr float MODE3_UQ_FF_LEARN_ERR_MAX = 15.0f; // 速度误差带内(°/s)才学习，防启停瞬态污染表
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constexpr float DEFAULT_vel_angloop_p = 0.4f / 100; // 速度 速度 - 角度 P
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constexpr float vel_angloop_Ki = 5.0f; // 速度 速度 - 角度 I
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constexpr float vel_angloop_Kd = 5e-05f; // 速度 速度 - 角度 D
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constexpr float vel_angloop_Kd = 5e-05f; // 速度 速度 - 角度 D（恢复，走测量微分+低通）
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// mode3 低速/静止附近速度 P 降低，减少速度反馈噪声、齿槽和摩擦导致的来回拉扯。
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// mode3 低速/静止附近速度内环增益调度（D 保持满值）：
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// P/I 各自独立地板——I 地板更低，停止瞬间积分充电速率仅为全速的 15%，
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// 与静摩擦相互作用（到位 hunting：停下瞬间小幅来回抖动）的能量被大幅压缩；
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// P 地板保持足够刚度，减小突破静摩擦所需的误差。
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constexpr bool MODE3_LOW_SPEED_P_SCALE_ENABLE = true;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_P_MIN_SCALE = 0.2f;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_P_MIN_SCALE = 0.5f;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_I_MIN_SCALE = 0.15f;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_P_LOW = 1.0f;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_P_FULL = 5.0f;
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constexpr float MODE3_LOW_SPEED_P_FULL = 8.0f;
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constexpr float DEFAULT_angle_angloop_p =
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150.0f / 100 * 12; // 角度 速度 - 角度 P
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@@ -190,41 +272,26 @@ constexpr float angle_MIT_Kd = 8e-04f;
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constexpr float DEFAULT_vel_MIT_p = 5.0f / 100; // 速度 MIT P
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||||
constexpr float vel_MIT_Ki = 15.0f;
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constexpr float vel_MIT_Kd = 1e-04f;
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||||
constexpr float vel_MIT_Kd = 1e-04f; // 速度 MIT D（恢复，走测量微分+低通）
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||||
constexpr float DEFAULT_current_MIT_p = 0.2f / 100 * 12; // 电流 MIT P
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constexpr float current_MIT_Ki = 0.1f;
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constexpr float current_MIT_Kd = 3e-4f;
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constexpr float current_MIT_Kd = 0.0f; // 电流 MIT D（置零，同 current_loop_Kd）
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// 常量定义
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constexpr u8 SIZE_FLOAT = sizeof(float);
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constexpr u8 SIZE_U32 = sizeof(uint32_t);
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constexpr float ADC_MAX = 65536.0f;
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constexpr float PI = 3.14159265358979323846f;
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constexpr float INV_PI_3 = 3.0f / PI;
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||||
constexpr float PI_3 = PI / 3.0f;
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constexpr float _1_SQRT3 = 0.57735026919f; // 1/sqrt(3)
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||||
constexpr float _3PI_2 = 4.71238898038f;
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||||
constexpr float SQRT3 = 1.7320508075688772f;
|
||||
constexpr float SQRT3DV2 = 0.8660254037844386f; // sqrt(3)/2
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||||
constexpr float COS_PI_3 = 0.5f;
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||||
constexpr float ANGLE_FACTOR = 25.0f / 180.0f * PI;
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||||
constexpr float DEG2RAD = 1.0f / 180.0f * PI;
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||||
constexpr float RAD2DEG = 180.0f / PI; // 修正 RAD2DEG 定义，应该是 180/π
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||||
constexpr u8 DEFAULT_VALUE = 0;
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constexpr u8 CONFIG_SAVED_NUM = 6;
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// 三角函数快速计算 LUT
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constexpr u16 LUT_SIZE = 1024;
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constexpr u16 LUT_MASK = (LUT_SIZE - 1);
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constexpr u16 LUT_SCALE = (LUT_SIZE / (2.0f * PI));
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// CAN 相关
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// 注意：以下为 CAN 基础 ID（只保留低 16 位），实际发送/接收时会自动叠加节点 ID
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// 到高 16 位 格式：[节点 ID(16 位)][基础 ID(16 位)] 例如：节点 ID=1，发送命令
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// ID = (1 << 16) | CANFD_CMD_ID = 0x00010200
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constexpr u16 DEV_CAN0_ID = 0x0000;
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||||
constexpr u16 DEV_CAN0_MASK = 0x0000;
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||||
constexpr u16 DEV_CAN_LOOPBACK_ID = 0x0000;
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// 反馈基础 ID
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constexpr u16 CANFD_STATUS_ID = 0x0100; // 状态反馈基础 ID
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||||
constexpr u16 CANFD_CONFIG_ID = 0x0101; // 配置信息基础 ID
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@@ -238,14 +305,10 @@ constexpr u16 CANFD_GET_NODE_ID = 0x0401; // 查询节点 ID 基础 ID
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// OTA 相关基础 ID 不受到node ID影响
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constexpr u16 CANFD_BOOT_ID = 0x0000; // BOOT 模式基础 ID (进入 BOOT 使用此 ID)
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||||
constexpr u16 CANFD_OTA_REQ_ID = 0x0100; // OTA 请求基础 ID
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||||
constexpr u16 CANFD_OTA_DATA_ID = 0x0101; // OTA 数据基础 ID
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||||
constexpr u16 CANFD_OTA_ACK_ID = 0x0102; // OTA 确认基础 ID
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||||
constexpr u16 CANFD_OTA_WAIT_ID = 0x0103; // OTA 等待基础 ID
|
||||
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||||
// ADC
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constexpr u8 ADC_FILTER_SIZE = 6;
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constexpr u8 BLOCK_SIZE = ADC_FILTER_SIZE * SIZE_FLOAT;
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constexpr float ERROR_ADC_VAL = 255.0f;
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constexpr float MAX_TEMP = 150.0f;
|
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constexpr float MIN_TEMP = -40.0f;
|
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@@ -255,12 +318,10 @@ constexpr float MAX_VCC = 65.0f;
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||||
constexpr float MIN_VCC = -0.1f;
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// ang_sensor
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||||
constexpr u16 VEL_FILTER_SIZE = 4;
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constexpr u16 DEFAULT_COMMAND = 0x0000;
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constexpr u16 FAULT_RECEIVE = 0xFFFF;
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constexpr float ANGLE_WRAP_THRESHOLD = 300.0f;
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constexpr float ANGLE_WRAP_VALUE = 360.0f;
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constexpr float RAD_FACTOR = 1.0f / ADC_MAX * 2.0f * PI;
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constexpr float ANGLESENS_FACTOR = 1.0f / ADC_MAX * 360.0f;
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// TIMER2-任务调度
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@@ -269,7 +330,6 @@ constexpr int TIMER2_PERIOD = 49; // 1 / 1MHz * 50 = 50us
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constexpr int MOTOR_PERIOD = 1; // 控制每50us执行一次，无分频
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constexpr float TIME_SLICE =
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(TIMER2_PERIOD + 1) * (TIMER2_PRESCALER + 1) / 120000000.0f; // 周期
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constexpr float TIMER2_FREQUENCY = 1 / TIME_SLICE; // 频率
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constexpr float MOTOR_FREQUENCY = 1 / TIME_SLICE / MOTOR_PERIOD; // 频率
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// TIMER1-PWM
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