BLDC 过零控制
BLDC无传感器过零控制技术指南
概述
无刷直流电机（BLDC）的无传感器控制技术是现代电机控制领域的重要技术方向，通过检测反电动势过零点来确定转子位置，实现无位置传感器的精确控制。本文将基于HPMicro SDK中的bldc_over_zero示例，详细介绍BLDC电机的无传感器过零控制技术，包括控制原理、软件架构和实际应用。
1. BLDC无传感器控制基础理论
1.1 反电动势产生机理与数学模型
当BLDC电机转动时，转子永磁体在定子绕组中运动，根据法拉第电磁感应定律产生反电动势。这一现象的物理本质是磁通量的时间变化率：
e_{back} = -\frac{d\phi}{dt} = -\frac{d(\phi_m \cos(\theta))}{dt} = \phi_m \omega \sin(\theta)其中：
\phi_m为磁链幅值，取决于永磁体强度和绕组匝数\omega为转子电角速度\theta为转子电角度位置
三相反电动势表达式：
对于理想的三相BLDC电机，三相反电动势具有120°相位差：
\begin{cases}
e_A = E_m \sin(\theta) \\
e_B = E_m \sin(\theta - \frac{2\pi}{3}) \\
e_C = E_m \sin(\theta + \frac{2\pi}{3})
\end{cases}其中E_m = \phi_m \omega为反电动势幅值。
反电动势常数的物理意义：
反电动势常数K_e与电机的物理结构密切相关：
K_e = \frac{\phi_m}{\sqrt{2}} = \frac{N \cdot B_r \cdot l \cdot r}{\sqrt{2}}其中：
N为每相串联导体数B_r为永磁体剩磁密度l为导体有效长度r为电机半径
1.2 过零检测的物理原理与数学推导
悬浮相电压的构成：
在三相BLDC电机的六步换相控制中，任意时刻都有一相处于悬浮状态（未导通）。该相的端电压由反电动势和中性点电压共同决定：
V_{terminal} = V_{neutral} + E_{back}中性点电压的计算：
理论上，三相中性点电压为：
V_{neutral} = \frac{V_A + V_B + V_C}{3}但在实际系统中，无法直接测量中性点电压。HPM MCL库采用"虚拟中性点"方法，通过导通两相的电压均值来估算：
V_{neutral} \approx \frac{V_{conducting1} + V_{conducting2}}{2}过零点的数学条件：
当悬浮相反电动势过零时：
E_{back} = 0 \Rightarrow V_{terminal} = V_{neutral}即：
V_{floating} - \frac{V_{conducting1} + V_{conducting2}}{2} = 030度延迟的理论依据：
过零点对应转子磁极轴线与定子绕组轴线垂直的瞬间，此时转子位于两个换相点的中间位置。为获得最大转矩，需要在过零点后延迟30°电角度再进行换相：
\theta_{commutation} = \theta_{zero-cross} + 30°对应的时间延迟为：
t_{delay} = \frac{30°}{\omega} = \frac{\pi/6}{\omega} = \frac{T_{last\_interval}}{6}其中T_{last\_interval}为上一次换相间隔时间。
1.3 六步换相序列的理论基础
换相序列的磁场原理：
六步换相控制的本质是在定子中产生旋转磁场，与转子永磁体相互作用产生转矩。每个换相步骤对应60°电角度的磁场位置：
\vec{B}_{stator}(t) = B_m[\cos(\omega t + \phi_0)\hat{\alpha} + \sin(\omega t + \phi_0)\hat{\beta}]换相序列与过零检测的对应关系：
| 步骤 | 导通状态 | 悬浮相 | 过零检测方向 | 电角度范围 | HPM区间枚举 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | UH+VL | W | W上升过零 | 0° - 60° | hpm_mcl_interval_u_up |
| 2 | UH+WL | V | V下降过零 | 60° - 120° | hpm_mcl_interval_w_down |
| 3 | VH+WL | U | U上升过零 | 120° - 180° | hpm_mcl_interval_v_up |
| 4 | VH+UL | W | W下降过零 | 180° - 240° | hpm_mcl_interval_u_down |
| 5 | WH+UL | V | V上升过零 | 240° - 300° | hpm_mcl_interval_v_down |
| 6 | WH+VL | U | U下降过零 | 300° - 360° | hpm_mcl_interval_w_up |
磁通链与转矩分析：
在每个换相区间内，转矩可表示为：
T_e = \frac{P}{2} \cdot [\phi_{pm} \cdot I_a \cdot \sin(\theta_e - \theta_i)]其中：
P为极对数\phi_{pm}为永磁磁链I_a为相电流幅值\theta_e为转子电角度\theta_i为电流矢量角度
为获得最大转矩，需要保持\theta_e - \theta_i = 90°，这正是30°延迟换相的理论依据。
2. 软件架构分析
2.1 系统架构概述
\text{应用层} \rightarrow \text{过零检测库} \begin{cases}
\text{ADC采集} \rightarrow \text{相电压检测} \\
\text{过零算法} \rightarrow \text{换相时机计算} \\
\text{速度控制} \rightarrow \text{PI调节器} \\
\text{PWM驱动} \rightarrow \text{六步换相输出}
\end{cases}2.2 核心数据结构
系统使用hpm_mcl_over_zero_cfg_t结构体封装过零控制相关数据：
typedef struct hpm_mcl_over_zero_cfg {
int32_t adc_u; // U相ADC采样值
int32_t adc_v; // V相ADC采样值
int32_t adc_w; // W相ADC采样值
uint32_t number_consecutive_zeros; // 连续过零次数
uint32_t delay_degree_30; // 30度延迟值
uint32_t interval_tick; // 换相间隔时间
hpm_mcl_dir_t motor_dir; // 电机方向
hpm_mcl_over_zero_interval_t next_interval; // 下一换相区间
uint8_t pole_num; // 极对数
float loop_time_in_sec; // 控制周期
hpm_mcl_over_zero_fsm_t fsm; // 状态机
} hpm_mcl_over_zero_cfg_t;2.3 关键参数配置
电机物理参数：
sensorless_cfg.pole_num = MOTOR0_POLE_PAIR; // 极对数：2
sensorless_cfg.loop_time_in_sec = 0.0001; // 控制周期：100μs
sensorless_cfg.motor_dir = motor_dir; // 电机方向PI控制器参数：
pi_para.kp = PI_P_VAL; // 比例系数：124
pi_para.ki = PI_I_VAL; // 积分系数：0.15
pi_para.integral_max = PI_PWM_OUT_MAX; // 积分限幅
pi_para.output_max = PI_PWM_OUT_MAX; // 输出限幅速度滤波参数：
speed_para.filter_coef = 0.0304; // 滤波系数（100Hz）
speed_para.kp = 0.2814; // 速度环比例系数
speed_para.ki = 0.0145; // 速度环积分系数3. 外设初始化详解
3.1 ADC外设初始化
ADC用于采集三相电压信号，实现反电动势检测：
void adc_init(void)
{
adc_config_t cfg;
adc_channel_config_t ch_cfg;
// ADC基本配置
cfg.module = BOARD_BLDC_ADC_MODULE;
#if BOARD_BLDC_ADC_MODULE == ADCX_MODULE_ADC12
cfg.config.adc12.res = adc12_res_12_bits; // 12位分辨率
cfg.config.adc12.conv_mode = adc12_conv_mode_preemption; // 抢占模式
cfg.config.adc12.adc_clk_div = 2; // 时钟分频
#else
cfg.config.adc16.res = adc16_res_16_bits; // 16位分辨率
cfg.config.adc16.conv_mode = adc16_conv_mode_preemption; // 抢占模式
cfg.config.adc16.adc_clk_div = adc16_clock_divider_4; // 时钟分频
#endif
// 初始化三相ADC
hpm_adc_init(&cfg);
}ADC触发配置：
void init_trigger_cfg(uint8_t trig_ch, bool inten)
{
adc_pmt_config_t pmt_cfg;
pmt_cfg.config.adc12.trig_ch = trig_ch; // 触发通道
pmt_cfg.config.adc12.trig_len = BOARD_BLDC_ADC_PHASE_PREEMPT_TRIG_LEN;
pmt_cfg.config.adc12.adc_ch[0] = BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_U; // U相通道
pmt_cfg.config.adc12.adc_ch[1] = BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_V; // V相通道
pmt_cfg.config.adc12.adc_ch[2] = BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_W; // W相通道
hpm_adc_set_preempt_config(&pmt_cfg);
}3.2 PWM外设初始化
PWM负责产生六步换相所需的驱动信号：
PWM模块初始化：
void pwm_init(void)
{
pwm_cmp_config_t cmp_config[3] = {0};
pwm_config_t pwm_config = {0};
// 停止PWM计数器
pwm_stop_counter(MOTOR0_BLDCPWM);
// 设置PWM重载值
pwm_set_reload(MOTOR0_BLDCPWM, 0, PWM_RELOAD);
pwm_set_start_count(MOTOR0_BLDCPWM, 0, 0);
// 配置比较器
cmp_config[0].mode = pwm_cmp_mode_output_compare;
cmp_config[0].cmp = PWM_RELOAD >> 1; // 50%占空比
cmp_config[0].update_trigger = pwm_shadow_register_update_on_shlk;
// PWM输出配置
pwm_config.enable_output = true;
pwm_config.dead_zone_in_half_cycle = 0; // 无死区时间
pwm_config.invert_output = false;
// 配置所有PWM通道
pwm_setup_waveform(MOTOR0_BLDCPWM, BOARD_BLDC_UH_PWM_OUTPIN, &pwm_config, cmp_index, cmp_config, 2);
// ... 其他五个通道配置
}关键配置参数说明：
- PWM频率：
PWM_FREQUENCY = 20000(20kHz) - 重载值：
PWM_RELOAD = (motor_clock_hz/PWM_FREQUENCY) - 1 - 强制输出模式：初始状态下所有PWM输出强制为0
3.3 定时器初始化
定时器用于控制算法的周期执行：
void timer_init(void)
{
gptmr_channel_config_t config;
// 时钟配置
clock_add_to_group(BOARD_BLDC_TMR_CLOCK, 0);
gptmr_channel_get_default_config(BOARD_BLDC_TMR_1MS, &config);
// 定时器参数配置
config.reload = SENSORLESS_TMR_RELOAD + 1; // 重载值
config.cmp[0] = SENSORLESS_TMR_RELOAD; // 比较值
// 使能中断
gptmr_enable_irq(BOARD_BLDC_TMR_1MS, GPTMR_CH_CMP_IRQ_MASK(BOARD_BLDC_TMR_CH, BOARD_BLDC_TMR_CMP));
gptmr_channel_config(BOARD_BLDC_TMR_1MS, BOARD_BLDC_TMR_CH, &config, true);
intc_m_enable_irq_with_priority(BOARD_BLDC_TMR_IRQ, 1);
}定时器参数计算：
T_{timer} = \frac{SENSORLESS\_TMR\_RELOAD + 1}{f_{timer\_clock}}\mu s4. 软件结构框架
4.1 状态机设计
系统采用状态机管理过零控制流程：
\text{FSM状态转换} \begin{cases}
\text{Init} \rightarrow \text{Location} \rightarrow \text{Running} \\
\text{Location: 初始定位} \\
\text{Running: 正常运行}
\end{cases}状态定义：
typedef enum {
hpm_mcl_over_zero_fsm_init = 0, // 初始化状态
hpm_mcl_over_zero_fsm_location = 1, // 定位状态
hpm_mcl_over_zero_fsm_running = 2 // 运行状态
} hpm_mcl_over_zero_fsm_t;4.2 初始化流程
步骤1：硬件初始化
board_init(); // 板级初始化
motor_clock_hz = clock_get_frequency(BOARD_BLDC_QEI_CLOCK_SOURCE);
init_pwm_pins(MOTOR0_BLDCPWM); // PWM引脚初始化
init_motor_over_zero_sensorless_adc_pins(); // ADC引脚初始化步骤2：外设初始化
pwm_init(); // PWM初始化
adc_init(); // ADC初始化
timer_init(); // 定时器初始化步骤3：控制参数初始化
init_over_zero_para(&sensorless_cfg); // 过零控制参数初始化4.3 运行时框架
// 主循环：速度变化控制
while (1) {
motor_run = true;
if (isadd) {
user_setspeed++; // 加速
} else {
user_setspeed--; // 减速
}
board_delay_ms(100);
}
// 定时器中断：控制算法执行
void isr_gptmr(void)
{
step_delay = hpm_mcl_over_zero_step_get(&sensorless_cfg); // 获取换相步骤
if (motor_run == true) {
speed_para.speed = hpm_mcl_over_zero_cal_speed(&sensorless_cfg); // 计算速度
current_speed = hpm_mcl_over_zero_speed_filter(&speed_para); // 速度滤波
pi_para.target = user_setspeed; // 设置目标速度
pi_para.cur = current_speed; // 当前速度
hpm_mcl_over_zero_pi_contrl(&pi_para); // PI控制
block_pwm_out = pival_to_pwmoutput(pi_para.outval); // 转换为PWM输出
bldc_block_motor0_duty_set(block_pwm_out); // 设置PWM占空比
hpm_mcl_over_zero_pwm_ctrl(BLDC_MOTOR0_INDEX, step_delay); // PWM控制输出
}
}5. HPM MCL过零检测算法深度分析
5.1 HPM MCL过零检测的核心实现
虚拟中性点计算方法：
HPM MCL库采用创新的虚拟中性点方法，简化了过零检测的复杂度：
// 核心检测函数中的关键代码
int8_t hpm_mcl_over_zero_step_get(hpm_mcl_over_zero_cfg_t *cfg)
{
int32_t adc_over_zero_u, adc_over_zero_v, adc_over_zero_w;
// 计算三相虚拟中性点电压
adc_over_zero_u = (cfg->adc_w + cfg->adc_v) >> 1; // U相过零检测用
adc_over_zero_v = (cfg->adc_w + cfg->adc_u) >> 1; // V相过零检测用
adc_over_zero_w = (cfg->adc_u + cfg->adc_v) >> 1; // W相过零检测用
}检测原理解析：
- 当检测U相过零时，U相悬浮，用V相和W相电压的均值作为中性点
- 比较：
V_U - \frac{V_V + V_W}{2}的符号变化 - 过零条件：该值从正变负或从负变正
5.2 三状态机的深度实现分析
5.2.1 初始化状态（hpm_mcl_over_zero_fsm_init）
case hpm_mcl_over_zero_fsm_init:
cfg->last_interval = hpm_mcl_interval_init;
cfg->delay_degree_30 = 0;
cfg->number_consecutive_zeros_w = 0;
cfg->adc_zero_ph = 0; // 过零检测阶段标志
cfg->last_interval_tick = 0;
cfg->number_consecutive_zeros = 0;
cfg->interval_tick = 0;
cfg->speed_tick = 0;
cfg->interval = hpm_mcl_interval_init;
cfg->fsm = hpm_mcl_over_zero_fsm_location; // 转入定位状态
break;初始化的关键参数：
adc_zero_ph：过零检测阶段标志，用于多阶段验证number_consecutive_zeros：连续过零检测计数器delay_degree_30：30度延迟计数器
5.2.2 定位状态（hpm_mcl_over_zero_fsm_location）
定位阶段采用三阶段验证机制，确保初始转子位置检测的可靠性：
case hpm_mcl_over_zero_fsm_location:
adc_over_zero_w = (cfg->adc_u + cfg->adc_v) >> 1; // 计算W相虚拟中性点
if (cfg->adc_zero_ph == 0) {
// 第一阶段：等待W相反电动势从负变正
if (adc_over_zero_w - cfg->adc_w > 0) {
cfg->number_consecutive_zeros_w++;
if (cfg->number_consecutive_zeros_w > HPM_OVER_ZERO_INIT_FILTER_TIMES) {
cfg->adc_zero_ph = 1; // 进入第二阶段
cfg->number_consecutive_zeros_w = 0;
}
} else {
cfg->number_consecutive_zeros_w = 0;
return -1; // 继续等待
}
} else if (cfg->adc_zero_ph == 1) {
// 第二阶段：再次检测过零，确保稳定
if (adc_over_zero_w - cfg->adc_w > 0) {
cfg->number_consecutive_zeros_w++;
if (cfg->number_consecutive_zeros_w > HPM_OVER_ZERO_INIT_FILTER_TIMES) {
cfg->adc_zero_ph = 2; // 进入第三阶段
}
} else {
cfg->number_consecutive_zeros_w = 0;
return -1;
}
} else if (cfg->adc_zero_ph == 2) {
// 第三阶段：定位完成，设置初始换相区间
cfg->last_interval = hpm_mcl_interval_w_down;
cfg->interval = cfg->last_interval;
cfg->next_interval = hpm_mcl_interval_w_down;
// 根据电机方向设置下一个换相区间
if (cfg->motor_dir == hpm_motor_dir_forward) {
cfg->next_interval = (cfg->interval % 6) + 1;
} else {
cfg->next_interval -= 1;
if (cfg->next_interval == 0) {
cfg->next_interval = hpm_mcl_interval_u_up;
}
}
cfg->fsm = hpm_mcl_over_zero_fsm_running; // 转入运行状态
}
break;定位算法的关键特点：
- 连续性验证：
HPM_OVER_ZERO_INIT_FILTER_TIMES = 15，需连续15次检测到相同结果 - 二次确认机制：确保转子位置检测的准确性
- 方向适应：根据电机方向设置不同的换相序列
5.2.3 运行状态（hpm_mcl_over_zero_fsm_running）
运行状态是核心算法，实现六步换相的过零检测：
case hpm_mcl_over_zero_fsm_running:
cfg->interval_tick++; // 换相间隔计时
cfg->delay_degree_30++; // 30度延迟计时
// 计算三相虚拟中性点
adc_over_zero_u = (cfg->adc_w + cfg->adc_v) >> 1;
adc_over_zero_v = (cfg->adc_w + cfg->adc_u) >> 1;
adc_over_zero_w = (cfg->adc_u + cfg->adc_v) >> 1;
// 根据当前区间和电机方向进行过零检测
switch (HPM_OVER_ZERO_INDEX_GET(cfg->next_interval, cfg->motor_dir)) {
case HPM_OVER_ZERO_INDEX_GET(hpm_mcl_interval_w_down, hpm_motor_dir_forward):
if (adc_over_zero_w - cfg->adc_w > 0) { // W相从负过零到正
cfg->number_consecutive_zeros++;
} else {
cfg->number_consecutive_zeros = 0;
}
break;
case HPM_OVER_ZERO_INDEX_GET(hpm_mcl_interval_w_up, hpm_motor_dir_forward):
if (adc_over_zero_w - cfg->adc_w < 0) { // W相从正过零到负
cfg->number_consecutive_zeros++;
} else {
cfg->number_consecutive_zeros = 0;
}
break;
// ... 其他五个区间的检测逻辑
}
// 过零检测成功处理
if (cfg->number_consecutive_zeros >= HPM_OVER_ZERO_FILTER_TIMES) {
cfg->number_consecutive_zeros = 0;
cfg->last_interval_tick = cfg->interval_tick; // 保存上次换相间隔
cfg->interval_tick = 0; // 重置计数器
cfg->delay_degree_30 = HPM_OVER_ZERO_FILTER_TIMES; // 设置30度延迟
// 计算下一个换相区间
if (cfg->motor_dir == hpm_motor_dir_forward) {
cfg->next_interval = (cfg->interval % 6) + 1;
} else {
cfg->next_interval -= 1;
if (cfg->next_interval == 0) {
cfg->next_interval = hpm_mcl_interval_u_up;
}
}
}
// 30度延迟判断和换相执行
if (cfg->delay_degree_30 > (cfg->last_interval_tick >> 1)) {
cfg->speed_tick = cfg->last_interval_tick; // 保存速度计算用数据
cfg->interval = cfg->next_interval; // 执行换相
}
break;运行状态的关键算法：
-
双重计时器机制：
interval_tick：换相间隔计时器delay_degree_30：30度延迟计时器
-
过零检测的数学条件：
\text{过零条件} = \begin{cases} V_{phase} - V_{virtual\_neutral} > 0 & \text{上升过零} \\ V_{phase} - V_{virtual\_neutral} \frac{last\_interval\_tick}{2}
5.3 HPM MCL的高精度速度计算算法
理论基础与数学推导：
基于换相间隔时间计算电机转速的数学模型：
\omega_{mechanical} = \frac{2\pi}{6 \times T_{interval} \times P} = \frac{\pi}{3 \times T_{interval} \times P}转换为每分钟转数（rpm）：
RPM = \omega_{mechanical} \times \frac{60}{2\pi} = \frac{60}{6 \times T_{interval} \times P} = \frac{10}{T_{interval} \times P}转换为每秒转数（rps）：
RPS = \frac{RPM}{60} = \frac{1}{6 \times T_{interval} \times P}HPM MCL库的实际实现：
float hpm_mcl_over_zero_cal_speed(hpm_mcl_over_zero_cfg_t *cfg)
{
// 原始实现：基于换相间隔计算转速
return ((float)((60.0f / cfg->pole_num) / 360.0f))/(cfg->loop_time_in_sec * (cfg->speed_tick + 1));
}算法分析与优化：
-
单位统一化：
\text{HPM公式} = \frac{60/P}{360} \times \frac{1}{T_s \times (N_{tick} + 1)}其中：
60/P/360 = 1/(6P)：将每分钟转数转换为每秒转数T_s：采样周期（秒）N_{tick}：换相间隔的采样次数
-
精度优化技巧：
- 使用
speed_tick + 1避免除零错误 - 通过
last_interval_tick保存上次有效测量值 - 采用浮点运算提高计算精度
- 使用
速度计算的时序分析：
\text{速度更新时序} \begin{cases}
t_1: \text{检测到过零点} \\
t_2: 延迟30° \\
t_3: 执行换相 \\
t_4: 保存 last\_interval\_tick \\
t_5: 计算新速度
\end{cases}这种设计确保了速度计算的实时性和准确性。
5.4 HPM MCL的高级PI控制算法
双环PI控制系统架构：
HPM MCL实现了双层PI控制系统：外环PI控制器 + 内环PWM输出控制。
外环：速度PI控制器：
float hpm_mcl_over_zero_speed_filter(hpm_mcl_over_zero_spd_para_t *par)
{
float portion_asp = 0;
float portion_asi = 0;
// 低通滤波器预处理
par->err = par->speed - par->speedout;
par->err_last = par->filter_coef * par->err + (1 - par->filter_coef) * par->err_last;
// PI控制计算
portion_asp = par->kp * par->err_last; // 比例项
portion_asi = par->ki * par->err_last; // 积分项
portion_asi += par->mem; // 积分累加
// 积分限幅
if (portion_asi > par->integral_max) {
portion_asi = par->integral_max;
} else if (portion_asi < par->integral_min) {
portion_asi = par->integral_min;
}
par->mem = portion_asi;
// 组合PI输出
portion_asi += portion_asp;
// 输出限幅
if (portion_asi > par->output_max) {
portion_asi = par->output_max;
} else if (portion_asi < par->output_min) {
portion_asi = par->output_min;
}
par->speedout = portion_asi;
return par->speedout;
}内环：PWM占空比PI控制器：
float hpm_mcl_over_zero_pi_contrl(hpm_mcl_over_zero_pi_para_t *par)
{
float result = 0;
float curerr = 0;
float portion_asp = 0;
float portion_asi = 0;
curerr = par->target - par->cur; // 计算误差
portion_asp = curerr * par->kp; // 比例项
portion_asi = curerr * par->ki + par->mem; // 积分项
// 积分限幅（防止积分饱和）
if (portion_asi < par->integral_min) {
portion_asi = par->integral_min;
} else if (portion_asi > par->integral_max) {
portion_asi = par->integral_max;
}
par->mem = portion_asi;
// PI输出组合
result = portion_asi + portion_asp;
// 输出限幅（防止PWM超出范围）
if (result < par->output_min) {
result = par->output_min;
} else if (result > par->output_max) {
result = par->output_max;
}
par->outval = result;
return result;
}PI控制器的高级特性分析：
-
防积分饱和机制：
I_{output}(k) = \text{CLAMP}\left(I_{output}(k-1) + K_i \cdot e(k), I_{min}, I_{max}\right) -
输出双重限幅：
u(k) = \text{CLAMP}\left(K_p \cdot e(k) + I_{output}(k), u_{min}, u_{max}\right) -
预滤波机制：在速度环中集成了低通滤波器：
e_{filtered}(k) = \alpha \cdot e(k) + (1-\alpha) \cdot e_{filtered}(k-1)其中
\alpha = 0.0304对应100Hz截止频率。
控制参数的自适应调优：
系统在实际应用中采用了经验参数：
// 速度环PI参数
speed_para.kp = 0.2814; // 比例系数
speed_para.ki = 0.0145; // 积分系数
speed_para.integral_max = 1000; // 积分上限
speed_para.integral_min = -1000; // 积分下限
// PWM环PI参数
pi_para.kp = PI_P_VAL; // 124
pi_para.ki = PI_I_VAL; // 0.15
pi_para.integral_max = PI_PWM_OUT_MAX; // PWM最大值
pi_para.integral_min = -PI_PWM_OUT_MAX; // PWM最小值这些参数通过大量实验优化，可以在大多数BLDC电机上直接使用。
5.5 HPM MCL的多级滤波系统
滤波系统的分层设计：
HPM MCL采用多级滤波架构，提高系统的抗干扰能力：
- 硬件滤波层：过零检测的连续性验证
- 软件滤波层：数字低通滤波器
- 控制滤波层：PI控制器的积分作用
连续性验证滤波器：
这是一种独特的数字滤波方法，通过计数器实现：
// 运行状态下的滤波参数
#define HPM_OVER_ZERO_FILTER_TIMES 5
// 初始化状态下的滤波参数
#define HPM_OVER_ZERO_INIT_FILTER_TIMES 15
// 滤注逻辑：只有连续检测到相同结果才认为有效
if (zero_crossing_detected) {
cfg->number_consecutive_zeros++;
if (cfg->number_consecutive_zeros >= HPM_OVER_ZERO_FILTER_TIMES) {
// 过零检测有效
trigger_commutation();
}
} else {
cfg->number_consecutive_zeros = 0; // 重置计数器
}传递函数分析：
连续性验证滤波器的传递函数可表示为：
H(z) = \frac{z^{-N}(1-z^{-1})^{N-1}}{(1-z^{-1})^N}其中N为连续检测次数。
数字低通滤波器：
在速度环中集成的IIR低通滤波器：
y(k) = \alpha \cdot x(k) + (1-\alpha) \cdot y(k-1)截止频率计算：
滚动均值滤波器的截止频率为：
f_c = \frac{f_s \cdot \alpha}{2\pi(1-\alpha)} \approx \frac{f_s \cdot \alpha}{2\pi}对于\alpha = 0.0304和f_s = 20000Hz（50μs采样周期）：
f_c = \frac{20000 \times 0.0304}{2\pi} \approx 96.8Hz这接近于设计目标的100Hz。
滤波器的性能优化：
- 相位延迟最小化：采用一阶IIR结构减少相位延迟
- 计算复杂度优化：避免浮点乘法，使用位移操作
- 参数自适应：根据转速动态调整滤波参数
滤波器的实际效果：
- 噪声抑制：有效抑制ADC采样噪声和电磁干扰
- 过零检测稳定性：防止误判断导致的换相错误
- 速度控制稳定性：平滑速度反馈信号，减少控制震荡
5.6 HPM MCL六步换相序列的深度实现
换相序列与过零检测的对应关系：
HPM MCL库的六步换相序列实现了精确的PWM控制逻辑：
| HPM步骤 | PWM导通状态 | 悬浮相 | 过零检测方向 | 电角度范围 | 区间枚举 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | UH+VL | W | W上升过零 | 0° - 60° | hpm_mcl_interval_u_up |
| 2 | UH+WL | V | V下降过零 | 60° - 120° | hpm_mcl_interval_w_down |
| 3 | VH+WL | U | U上升过零 | 120° - 180° | hpm_mcl_interval_v_up |
| 4 | VH+UL | W | W下降过零 | 180° - 240° | hpm_mcl_interval_u_down |
| 5 | WH+UL | V | V上升过零 | 240° - 300° | hpm_mcl_interval_v_down |
| 6 | WH+VL | U | U下降过零 | 300° - 360° | hpm_mcl_interval_w_up |
HPM MCL的PWM控制函数实现：
void hpm_mcl_over_zero_pwm_ctrl(uint8_t motorindex, uint8_t step)
{
switch (step) {
case 2: // UH+WL：U相上桥导通，W相下桥导通，V相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL); // U相下桥关闭
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH); // V相上桥关闭
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL); // V相下桥关闭
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH); // W相上桥关闭
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH); // U相上桥导通
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL); // W相下桥导通
break;
case 1: // UH+VL：U相上桥导通，V相下桥导通，W相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
break;
case 6: // VL+WH：V相下桥导通，W相上桥导通，U相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
break;
case 5: // UL+WH：U相下桥导通，W相上桥导通，V相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
break;
case 4: // UL+VH：U相下桥导通，V相上桥导通，W相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
break;
case 3: // VH+WL：V相上桥导通，W相下桥导通，U相悬浮
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
break;
}
}PWM强制输出的底层实现：
void hpm_mcl_bldc_pwm_enable(uint8_t motor_index, uint8_t pin_name)
{
motor_index -= 1; // 转换为数组索引
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWM)
pwm_disable_pwm_sw_force_output(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWMV2)
pwmv2_disable_software_force(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
}
void hpm_mcl_bldc_pwm_disable(uint8_t motor_index, uint8_t pin_name)
{
motor_index -= 1;
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWM)
pwm_enable_pwm_sw_force_output(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWMV2)
pwmv2_enable_software_force(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
}引脚映射表的实现：
const uint8_t pwm_uvw_conversion_tbl[4][6] = {
{
BOARD_BLDC_UH_PWM_OUTPIN, // U相上桥引脚
BOARD_BLDC_UL_PWM_OUTPIN, // U相下桥引脚
BOARD_BLDC_VH_PWM_OUTPIN, // V相上桥引脚
BOARD_BLDC_VL_PWM_OUTPIN, // V相下桥引脚
BOARD_BLDC_WH_PWM_OUTPIN, // W相上桥引脚
BOARD_BLDC_WL_PWM_OUTPIN // W相下桥引脚
}
};换相序列的数学模型：
每个换相步骤对应的磁场矢量可表示为：
\vec{B}_{stator}(\theta) = B_m \begin{bmatrix} \cos(\theta + \phi_k) \\ \sin(\theta + \phi_k) \end{bmatrix}其中\phi_k为第k步的相位偏移：
\phi_k = (k-1) \times \frac{\pi}{3}, \quad k = 1,2,3,4,5,6方向控制的实现：
HPM MCL支持双向运行，通过改变换相序列实现：
// 正向运行：1→2→3→4→5→6→1...
if (cfg->motor_dir == hpm_motor_dir_forward) {
cfg->next_interval = (cfg->interval % 6) + 1;
}
// 反向运行：6→5→4→3→2→1→6...
else {
cfg->next_interval -= 1;
if (cfg->next_interval == 0) {
cfg->next_interval = hpm_mcl_interval_u_up; // 6
}
}换相时序的精确控制：
HPM MCL实现了精确的换相时序控制：
\text{换相时序} \begin{cases}
t_1: \text{检测到过零点} \\
t_2: \text{延迟30°电角度} \\
t_3: \text{更新next\_interval} \\
t_4: \text{执行新的PWM换相} \\
t_5: \text{重置计数器}
\end{cases}这种设计确保了换相的实时性和准确性，同时避免了换相过程中的竞态条件。
5.7 完整的执行流程分析
HPM MCL过零控制的完整执行流程：
\text{每个控制周期的执行步骤} \begin{cases}
1. \text{ADC中断：采集三相电压} \\
2. \text{定时器中断：执行控制算法} \\
3. \text{hpm\_mcl\_over\_zero\_step\_get：过零检测} \\
4. \text{hpm\_mcl\_over\_zero\_cal\_speed：速度计算} \\
5. \text{hpm\_mcl\_over\_zero\_speed\_filter：速度滤波} \\
6. \text{hpm\_mcl\_over\_zero\_pi\_contrl：PI控制} \\
7. \text{bldc\_block\_motor0\_duty\_set：PWM输出} \\
8. \text{hpm\_mcl\_over\_zero\_pwm\_ctrl：换相控制}
\end{cases}性能特点总结：
- 实时性：50μs控制周期，确保系统响应速度
- 可靠性：多级滤波和验证机制，提高系统稳定性
- 适应性：支持不同电机参数和应用场景
- 易用性：提供完整的API接口和参数配置
6. 中断服务程序
6.1 ADC中断处理
void isr_adc(void)
{
uint32_t status = hpm_adc_get_status_flags(&hpm_adc_u);
if ((status & BOARD_BLDC_ADC_PHASE_TRIG_FLAG) != 0) {
hpm_adc_clear_status_flags(&hpm_adc_u, BOARD_BLDC_ADC_PHASE_TRIG_FLAG);
// 获取三相ADC采样值
sensorless_cfg.adc_u = ((adc_buff[0][BOARD_BLDC_ADC_PHASE_TRG * 4] & 0xffff) >> 4) & 0xfff;
sensorless_cfg.adc_v = ((adc_buff[0][BOARD_BLDC_ADC_PHASE_TRG * 4 + 1] & 0xffff) >> 4) & 0xfff;
sensorless_cfg.adc_w = ((adc_buff[0][BOARD_BLDC_ADC_PHASE_TRG * 4 + 2] & 0xffff) >> 4) & 0xfff;
}
}ADC中断在每个PWM周期触发一次，采集三相电压信号用于过零检测。
6.2 定时器中断处理
void isr_gptmr(void)
{
if (gptmr_check_status(BOARD_BLDC_TMR_1MS, GPTMR_CH_CMP_IRQ_MASK(BOARD_BLDC_TMR_CH, BOARD_BLDC_TMR_CMP))) {
gptmr_clear_status(BOARD_BLDC_TMR_1MS, GPTMR_CH_CMP_IRQ_MASK(BOARD_BLDC_TMR_CH, BOARD_BLDC_TMR_CMP));
// 获取换相步骤
step_delay = hpm_mcl_over_zero_step_get(&sensorless_cfg);
if (motor_run == true) {
timer_times++;
if (timer_times >= TIMER_TIMES_1MS) {
timer_times = 0;
// 速度计算和控制
speed_para.speed = hpm_mcl_over_zero_cal_speed(&sensorless_cfg);
current_speed = hpm_mcl_over_zero_speed_filter(&speed_para);
// PI控制
pi_para.target = user_setspeed;
pi_para.cur = current_speed;
hpm_mcl_over_zero_pi_contrl(&pi_para);
// PWM输出
block_pwm_out = pival_to_pwmoutput(pi_para.outval);
bldc_block_motor0_duty_set(block_pwm_out);
}
}
// PWM控制输出
if (motor_run == true) {
hpm_mcl_over_zero_pwm_ctrl(BLDC_MOTOR0_INDEX, step_delay);
}
}
}定时器中断执行核心控制算法，周期为100μs。
7. PWM驱动实现
7.1 六步换相控制
无传感器控制采用六步换相方式，每60°电角度换相一次：
void hpm_mcl_over_zero_pwm_ctrl(uint8_t motorindex, uint8_t step)
{
switch (step) {
case 1: // AH+BL: A相上桥导通，B相下桥导通
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_UL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VH);
hpm_mcl_bldc_pwm_enable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_VL);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WH);
hpm_mcl_bldc_pwm_disable(motorindex, BLDC_PWM_PIN_WL);
break;
case 2: // AH+CL: A相上桥导通，C相下桥导通
// ... 类似配置
break;
// ... 其他步骤
}
}7.2 占空比控制
系统通过调整PWM占空比实现速度控制：
void bldc_block_motor0_duty_set(uint32_t duty)
{
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWM)
pwm_update_raw_cmp_central_aligned(MOTOR0_BLDCPWM, BOARD_BLDCPWM_CMP_INDEX_0, BOARD_BLDCPWM_CMP_INDEX_1,
(PWM_RELOAD - duty) >> 1, (PWM_RELOAD + duty) >> 1);
pwm_issue_shadow_register_lock_event(MOTOR0_BLDCPWM);
#endif
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWMV2)
pwmv2_shadow_register_unlock(MOTOR0_BLDCPWM);
pwmv2_set_shadow_val(MOTOR0_BLDCPWM, (BOARD_BLDCPWM_CMP_INDEX_0 + 1), (PWM_RELOAD - duty) >> 1, 0, false);
pwmv2_set_shadow_val(MOTOR0_BLDCPWM, (BOARD_BLDCPWM_CMP_INDEX_1 + 1), (PWM_RELOAD + duty) >> 1, 0, false);
pwmv2_shadow_register_lock(MOTOR0_BLDCPWM);
#endif
}7.3 PWM强制输出模式
当需要关闭特定相的输出时，使用强制输出模式：
void hpm_mcl_bldc_pwm_disable(uint8_t motor_index, uint8_t pin_name)
{
motor_index -= 1;
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWM)
pwm_enable_pwm_sw_force_output(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
#if defined(HPMSOC_HAS_HPMSDK_PWMV2)
pwmv2_enable_software_force(motor_pwm_tbl[motor_index], pwm_uvw_conversion_tbl[motor_index][pin_name]);
#endif
}8. 使用指南
8.1 硬件准备
- MCU开发板：支持HPMicro芯片的开发板
- BLDC电机：三相无刷直流电机（推荐雷赛智能BLM57050-1000）
- 功率驱动：三相逆变器模块，支持相电压检测
- 电源：24V直流电源
- ADC电路：用于采集三相电压信号
8.2 软件配置
步骤1：参数配置
根据实际电机参数修改以下定义：
#define MOTOR0_POLE_PAIR (2) // 电机极对数
#define PWM_FREQUENCY (20000) // PWM频率20kHz
#define PI_P_VAL (124) // PI比例系数
#define PI_I_VAL (0.15) // PI积分系数步骤2：编译下载
使用支持的IDE编译工程并下载到目标板。
步骤3：运行测试
系统启动后会自动进行预定位，然后开始速度测试。
8.3 操作特点
- 预定位过程：系统启动时会进行强制换相预定位，持续约500ms
- 自动测试：电机在5-40转/秒范围内自动变速运行
- 无传感器启动：无需外部位置传感器，完全基于反电动势检测
9. 调试与优化
9.1 常见问题
问题1：电机无法启动
- 检查ADC采集电路是否正常
- 确认三相电压检测信号连接正确
- 验证PWM输出波形
问题2：速度不稳定
- 调整PI控制器参数
- 修改速度滤波器系数
- 检查过零检测阈值
问题3：换相不平滑
- 优化30度延迟计算
- 调整过零检测灵敏度
- 检查PWM驱动时序
9.2 参数调优
PI参数调整：
K_p = \frac{J \cdot \omega_c}{K_t}K_i = \frac{K_p}{\tau_i}其中：
J为转动惯量\omega_c为期望带宽K_t为转矩常数\tau_i为积分时间常数
滤波器参数：
\alpha = \frac{2\pi f_c T_s}{1 + 2\pi f_c T_s}其中f_c为截止频率，T_s为采样周期。
9.3 性能优化
提高启动成功率：
- 优化预定位时间和强度
- 调整初始换相频率
- 改善过零检测算法
提高运行稳定性：
- 增加反电动势滤波
- 优化换相时机预测
- 实现自适应控制参数
10. 移植指南
10.1 硬件移植步骤
步骤1：板级定义修改
// ADC相关定义
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_U_BASE HPM_ADC0 // U相ADC
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_V_BASE HPM_ADC1 // V相ADC
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_W_BASE HPM_ADC2 // W相ADC
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_U (5U) // U相通道
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_V (6U) // V相通道
#define BOARD_BLDC_ADC_PHASE_CH_W (7U) // W相通道
// PWM相关定义
#define MOTOR0_BLDCPWM HPM_PWM0 // PWM模块
#define BOARD_BLDC_UH_PWM_OUTPIN (0U) // U相上桥臂
#define BOARD_BLDC_UL_PWM_OUTPIN (1U) // U相下桥臂
// ... 其他引脚定义步骤2：引脚配置
void init_motor_over_zero_sensorless_adc_pins(void)
{
// 配置ADC输入引脚
// 设置引脚复用功能为ADC
// 配置引脚特性（如输入阻抗等）
}10.2 电机参数适配
基本参数修改：
void init_over_zero_para(hpm_mcl_over_zero_cfg_t *cfg)
{
cfg->pole_num = MOTOR0_POLE_PAIR; // 根据电机极对数修改
cfg->loop_time_in_sec = 0.0001; // 控制周期，根据定时器频率
// 速度滤波参数（根据电机特性调整）
speed_para.filter_coef = 0.0304; // 滤波系数
speed_para.kp = 0.2814; // 速度环P参数
speed_para.ki = 0.0145; // 速度环I参数
// PI控制器参数（根据负载特性调整）
pi_para.kp = PI_P_VAL; // 比例系数
pi_para.ki = PI_I_VAL; // 积分系数
}10.3 ADC电路适配
电压检测电路要求：
- ADC输入电压范围：0-3.3V
- 相电压检测电路：需要电压分压和偏置
- 噪声抑制：添加RC滤波电路
典型检测电路：
V_{ADC} = \frac{V_{phase} + V_{offset}}{K_{scale}}其中：
V_{phase}为相电压（可能为负值）V_{offset}为偏置电压（通常为1.65V）K_{scale}为分压比例
11. 安全注意事项
-
电气安全
- 确保功率电路与控制电路隔离
- 实现过流、过压保护
- 正确接地，避免地环路
-
启动安全
- 无传感器启动时电机可能产生抖动
- 预定位过程中避免外部干扰
- 设置合理的启动电流限制
-
运行安全
- 监控ADC采集信号质量
- 实现失步检测和保护
- 设置最大运行速度限制
12. 性能对比
12.1 与有传感器控制对比
| 特性 | 无传感器控制 | Hall传感器控制 | 编码器控制 |
|---|---|---|---|
| 成本 | 低 | 中 | 高 |
| 启动性能 | 需要预定位 | 即时启动 | 即时启动 |
| 低速性能 | 受限 | 良好 | 优秀 |
| 高速性能 | 良好 | 良好 | 优秀 |
| 系统复杂度 | 高 | 中 | 中 |
| 可靠性 | 中 | 高 | 高 |
12.2 适用场景
适合无传感器控制的应用：
- 成本敏感的应用
- 恶劣环境（传感器易损坏）
- 高速运行为主的应用
- 空间受限的应用
不适合的应用：
- 需要精确位置控制
- 频繁启停的应用
- 超低速运行要求
- 极高可靠性要求
13. 总结
BLDC无传感器过零控制技术通过检测反电动势过零点实现转子位置估计，具有成本低、结构简单的优势。HPMicro SDK提供的bldc_over_zero示例展示了完整的实现方案，包括：
- 过零检测算法：基于ADC采集的相电压信号
- 换相控制逻辑：六步换相with 30度延迟
- 速度闭环控制：PI控制器实现精确调速
- 滤波和稳定性：多级滤波保证系统稳定
主要技术特点：
- 无需外部位置传感器，降低系统成本
- 采用梯形波控制，实现简单可靠
- 支持双向运行和宽速度范围控制
- 提供完整的移植和调试指南
在实际应用中，开发者需要根据具体的电机参数和应用需求，对控制参数进行优化调整，以获得最佳的控制性能。通过本文提供的详细分析和指导，可以快速掌握无传感器过零控制技术，并成功应用到实际项目中。