HPM知识库 | BLDC 无传感器过零控制技术指南

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：

其中：

• ϕm 为磁链幅值，取决于永磁体强度和绕组匝数
• ω 为转子电角速度 
• θ 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：

其中为反电动势幅值。
 

反电动势常数的物理意义：

反电动势常数 Ke 与电机的物理结构密切相关：

其中：

N 为每相串联导体数 

• Br  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：

中性点电压的计算：

理论上，三相中性点电压为：

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：

过零点的数学条件：

当悬浮相反电动势过零时：

即：

30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：

对应的时间延迟为：

其中 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：

换相序列与过零检测的对应关系：

磁通链与转矩分析：

在每个换相区间内，转矩可表示为：

其中：

• P  为极对数 
• ϕpm  为永磁磁链
• Ia 为相电流幅值
•  θe 为转子电角度
• θi  为电流矢量角度

为获得最大转矩，需要保持θe − θi = 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

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：

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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：

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sensorless_cfg.pole_num = MOTOR0_POLE_PAIR;        // 极对数：2sensorless_cfg.loop_time_in_sec = 0.0001;          // 控制周期：100μssensorless_cfg.motor_dir = motor_dir;               // 电机方向

PI控制器参数：

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pi_para.kp = PI_P_VAL;                              // 比例系数：124pi_para.ki = PI_I_VAL;                              // 积分系数：0.15pi_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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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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：

4. 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：

状态定义：

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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

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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

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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

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init_over_zero_para(&sensorless_cfg);     // 过零控制参数初始化

4.3 运行时框架

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// 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：

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// 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：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：

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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：

 

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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：

1. 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
   

2. 过零检测的数学条件：

ParseError: KaTeX parse error: Expected & or \\ or \cr or \end at end of input: …erval\_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：

转换为每分钟转数（rpm）：转换为每秒转数（rps）：

HPM MCL库的实际实现：

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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：

其中：

• ：将每分钟转数转换为每秒转数
• ：采样周期（秒）
• ：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

速度计算的时序分析：

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：

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：

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// 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;                      // 124pi_para.ki = PI_I_VAL;                      // 0.15pi_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：

1. 硬件滤波层：过零检测的连续性验证
2. 软件滤波层：数字低通滤波器
3. 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：

其中NN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：

截止频率计算：

滚动均值滤波器的截止频率为：

这接近于设计目标的100Hz。

滤波器的性能优化：

1. 相位延迟最小化采用一阶IIR结构减少相位延迟
2. 计算复杂度优化避免浮点乘法，使用位移操作
3. 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 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：

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：

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：

性能特点总结：

1. 实时性50μs控制周期，确保系统响应速度
2. 可靠性多级滤波和验证机制，提高系统稳定性
3. 适应性支持不同电机参数和应用场景
4. 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

1. MCU开发板支持HPMicro芯片的开发板
2. BLDC电机三相无刷直流电机（推荐雷赛智能BLM57050-1000）
3. 功率驱动三相逆变器模块，支持相电压检测
4. 电源24V直流电源
5. 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

1. 预定位过程：系统启动时会进行强制换相预定位，持续约500ms
2. 自动测试：电机在5-40转/秒范围内自动变速运行
3. 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：

滤波器参数：

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：

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

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。