目录
一、核心原理：无传感器 BLDC 与反电动势检测
1. BLDC 无传感器控制的核心逻辑
2. 反电动势获取方式
3. 关键滤波需求
二、反电动势常用滤波方法（硬件 + 软件）
1. 硬件滤波（前置处理）
2. 软件滤波（核心算法）
三、完整控制流程（无传感器 BLDC + 反电动势滤波）
关键步骤说明：
四、代码实现（基于 STM32F103，轻量化方案）
1. 核心宏定义与变量
2. 一阶低通滤波函数
3. 反电动势采集与滤波（ADC 中断回调）
4. 过零点检测与换相控制
5. 电机启动与主循环
五、关键注意事项
总结
要实现基于反电动势（Back EMF）滤波的无传感器无刷直流电机（BLDC）控制，核心是通过处理反电动势信号（替代位置传感器），结合滤波算法消除噪声干扰，精准识别转子位置，进而实现电机的换相和调速控制。以下从原理、滤波方法、控制流程到代码实现，完整讲解这一方案。
一、核心原理：无传感器 BLDC 与反电动势检测
1. BLDC 无传感器控制的核心逻辑
BLDC 电机的转子位置是换相的关键，无传感器方案中，反电动势是最常用的位置反馈依据：
- BLDC 定子绕组导通两相时，第三相悬空（未通电），转子旋转会在该相绕组中感应出反电动势；
- 反电动势的过零点（相对于电机中性点电压）与转子磁极位置严格对应，过零点后延迟 30° 电角度就是换相时机；
- 反电动势信号包含大量噪声（功率管开关噪声、母线纹波、电磁干扰等），必须通过滤波处理才能准确检测过零点。
2. 反电动势获取方式
- 虚拟中性点法：无需硬件中性点，通过三相母线电压分压（如电阻分压）生成虚拟中性点电压，将悬空相的反电动势与虚拟中性点对比；
- 端电压检测法：直接采集电机绕组端电压，扣除母线电压和导通压降后计算反电动势。
3. 关键滤波需求
滤波需平衡两个目标：
- 噪声抑制：消除高频开关噪声和电磁干扰；
- 响应速度：不能过度滤波导致过零点检测延迟，影响换相精度。
二、反电动势常用滤波方法（硬件 + 软件）
1. 硬件滤波（前置处理）
先通过硬件滤除大部分高频噪声，降低软件处理压力：
- RC 低通滤波：在反电动势采集引脚串联电阻（1k~10kΩ）+ 并联电容（0.1μF~1μF），截止频率设为 10kHz~50kHz（避开 PWM 开关频率，且高于电机电气频率）；
- TVS 管 / 钳位电路：抑制尖峰电压，保护 MCU 的 ADC 引脚。
2. 软件滤波（核心算法）
硬件滤波后仍有残留噪声，需软件进一步处理，以下是适合 BLDC 反电动势的轻量化算法（适配 MCU 资源）：
| 滤波算法 | 原理 | 优势 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 滑动平均滤波 | 取最近 N 个采样值的平均值作为当前值 | 简单、轻量化、抗随机噪声 | 低速 / 中速 BLDC 控制 |
| 一阶低通数字滤波 | Y(n) = α*X(n) + (1-α)*Y(n-1)（α 为滤波系数，0<α<1） | 响应快、参数可调 | 全转速范围 |
| 中值滤波 | 取最近 N 个采样值的中值，剔除异常尖峰 | 抗脉冲干扰 | 电磁干扰严重的场景 |
重点推荐：一阶低通数字滤波（兼顾性能和效率），α 取值建议：
- 低速（<1000rpm）：α=0.2~0.4（更强滤波）；
- 高速（>3000rpm）：α=0.5~0.8（更快响应）。
三、完整控制流程（无传感器 BLDC + 反电动势滤波）
graph TD A[电机启动：开环V/F控制] --> B[达到阈值转速，切换到反电动势检测] B --> C[ADC采集悬空相反电动势+虚拟中性点电压] C --> D[软件滤波处理反电动势信号] D --> E[检测反电动势过零点] E --> F[延迟30°电角度，触发换相] F --> G[PWM驱动功率管换相] G --> H[调速闭环（PI调节PWM占空比）] H --> C[循环采集与换相]关键步骤说明：
- 开环启动：无传感器 BLDC 无法直接从静止检测反电动势，需先通过开环 V/F 控制（逐步提升频率和电压）让电机达到约 10% 额定转速；
- 过零点检测：滤波后的反电动势与虚拟中性点电压对比，当信号从负变正（或正变负）时，判定为过零点；
- 换相延迟：过零点后需延迟 30° 电角度再换相（通过定时器计数实现），确保转矩最大化；
- 闭环调速：通过霍尔传感器（若有）或反电动势频率计算转速，结合 PI 算法调节 PWM 占空比，稳定转速。
四、代码实现（基于 STM32F103，轻量化方案）
以下是核心代码片段，包含反电动势采集、滤波、过零点检测和换相控制，适配 3 相 6 步 BLDC 控制。
1. 核心宏定义与变量
#include "stm32f10x.h" // 反电动势滤波参数 #define ALPHA 0.6f // 一阶低通滤波系数 #define SAMPLE_NUM 8 // 滑动平均滤波采样数 #define NEUTRAL_VOLT 1.65f // 虚拟中性点电压（3.3V电源分压后） // 电机换相表（6步换相，对应U/V/W三相的上下桥臂） const uint8_t commutation_table[6][6] = { {1,0,0,0,1,0}, // 换相步0：U+ V- {1,0,0,0,0,1}, // 换相步1：U+ W- {0,1,0,0,0,1}, // 换相步2：V+ W- {0,1,0,1,0,0}, // 换相步3：V+ U- {0,0,1,1,0,0}, // 换相步4：W+ U- {0,0,1,0,1,0} // 换相步5：W+ V- }; // 全局变量 float b_emf_u = 0.0f, b_emf_v = 0.0f, b_emf_w = 0.0f; // 滤波后反电动势 float raw_b_emf_u = 0.0f, raw_b_emf_v = 0.0f, raw_b_emf_w = 0.0f; // 原始采样值 uint8_t comm_step = 0; // 当前换相步数 uint8_t zero_cross_flag = 0; // 过零点标志2. 一阶低通滤波函数
/** * @brief 一阶低通数字滤波 * @param raw_val: 原始采样值 * @param filtered_val: 上一次滤波后的值 * @retval 当前滤波后的值 */ float first_order_lowpass_filter(float raw_val, float filtered_val) { return ALPHA * raw_val + (1 - ALPHA) * filtered_val; }3. 反电动势采集与滤波（ADC 中断回调）
/** * @brief ADC采样完成回调函数（每100μs采样一次） */ void ADC_ConvCpltCallback(void) { // 读取三相反电动势原始采样值（ADC值转换为电压，3.3V参考，12位ADC） raw_b_emf_u = (float)ADC_GetConversionValue(ADC1) * 3.3f / 4096.0f; raw_b_emf_v = (float)ADC_GetConversionValue(ADC2) * 3.3f / 4096.0f; raw_b_emf_w = (float)ADC_GetConversionValue(ADC3) * 3.3f / 4096.0f; // 对悬空相的反电动势进行滤波（仅滤波当前未导通的相） switch(comm_step) { case 0: // U+ V-，W相悬空 b_emf_w = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_w, b_emf_w); break; case 1: // U+ W-，V相悬空 b_emf_v = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_v, b_emf_v); break; case 2: // V+ W-，U相悬空 b_emf_u = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_u, b_emf_u); break; case 3: // V+ U-，W相悬空 b_emf_w = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_w, b_emf_w); break; case 4: // W+ U-，V相悬空 b_emf_v = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_v, b_emf_v); break; case 5: // W+ V-，U相悬空 b_emf_u = first_order_lowpass_filter(raw_b_emf_u, b_emf_u); break; default: break; } }4. 过零点检测与换相控制
/** * @brief 反电动势过零点检测 */ void b_emf_zero_cross_detect(void) { float悬空相_bemf = 0.0f; // 获取当前悬空相的滤波后反电动势 switch(comm_step) { case 0: 悬空相_bemf = b_emf_w; break; case 1: 悬空相_bemf = b_emf_v; break; case 2: 悬空相_bemf = b_emf_u; break; case 3: 悬空相_bemf = b_emf_w; break; case 4: 悬空相_bemf = b_emf_v; break; case 5: 悬空相_bemf = b_emf_u; break; } // 检测过零点：反电动势从低于中性点变为高于中性点（上升沿过零） static uint8_t last_state = 0; // 0: 低于中性点，1: 高于中性点 uint8_t curr_state = (悬空相_bemf > NEUTRAL_VOLT) ? 1 : 0; if((last_state == 0) && (curr_state == 1)) { zero_cross_flag = 1; // 检测到过零点 last_state = curr_state; } else { last_state = curr_state; } } /** * @brief 电机换相控制（定时器中断，处理过零点延迟） */ void TIM_Commutation_IRQHandler(void) { if(zero_cross_flag == 1) { // 延迟30°电角度后换相（通过定时器计数实现，需根据转速计算延迟时间） comm_step = (comm_step + 1) % 6; // 执行换相：根据换相表控制功率管的通断 set_power_switch(commutation_table[comm_step]); zero_cross_flag = 0; // 清除过零点标志 } }5. 电机启动与主循环
int main(void) { // 初始化：GPIO（PWM/功率管）、ADC（反电动势采集）、定时器（换相/调速） System_Init(); // 开环启动：逐步提升PWM频率和占空比，让电机达到检测转速 open_loop_start(); // 主循环 while(1) { // 检测反电动势过零点 b_emf_zero_cross_detect(); // 转速闭环调节（PI算法调节PWM占空比） speed_pi_control(); } }五、关键注意事项
- 滤波系数调试：α 值需根据电机转速和噪声情况调整，低速时增大滤波强度（减小 α），高速时降低滤波强度（增大 α）；
- 虚拟中性点校准：实际硬件中，分压电阻的误差会导致虚拟中性点电压偏离理论值，需通过校准确保过零点检测准确；
- 死区时间设置：功率管换相时需设置死区时间（1~5μs），避免上下桥臂直通烧毁器件；
- 启动优化：开环启动的加速斜率需匹配电机特性，斜率过大会导致启动失败，过小会增加启动时间。
总结
基于反电动势滤波的无传感器 BLDC 控制核心要点：
- 反电动势过零点是转子位置的核心依据，滤波是确保过零点检测准确的关键；
- 一阶低通数字滤波是兼顾性能和资源的最优选择，滤波系数需按转速动态调整；
- 控制流程需分阶段：开环启动→反电动势检测 + 滤波→过零点判断→换相 + 闭环调速，缺一不可。
该方案无需位置传感器，降低了硬件成本和布线复杂度，适用于风扇、水泵、无人机等对成本敏感且无高精度位置要求的 BLDC 应用场景。
(5) - 条件工作流)
