控制器中電子換相電路的設(shè)計方法有很多,。對于有位置傳感器" title="位置傳感器">位置傳感器的無刷電機，用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和經(jīng)典的數(shù)字電路設(shè)計方法即可實現(xiàn),。例如,，用可編程邏輯器件CPLD可在計算機上完成硬件設(shè)計、波形仿真和下載,。目前用于無刷電機控制的專用集成電路" title="專用集成電路">專用集成電路種類有很多,，如MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC33035、東芝公司生產(chǎn)的TA7247芯片等,。這些專用芯片對使用電壓,、工作電流及電機類型都有一定要求。實踐證明使用專用芯片設(shè)計控制器在芯片的選擇,、驅(qū)動電路設(shè)計及試驗等環(huán)節(jié)并非省時省力,。在參考和分析了多種專用集成電路工作原理" title="工作原理">工作原理后，用PIC單片機設(shè)計出兩種有位置傳感器的無刷電機控制器,，同時與專用集成電路設(shè)計的控制器進行了對比，得出以下三方面結(jié)論：
　　(1)單片機在改變功能和價格上優(yōu)于專用芯片;
　　(2)軟件程序便于加密,，有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護;
　　(3)軟件編程靈活,，可根據(jù)用戶需求增加和完善功能。
　　有了PIC單片機的控制核,，只要改變外圍驅(qū)動,、保護、輸出電路,，即可對不同功率,、不同電壓或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的無刷直流電機實現(xiàn)控制,。
1 控制核心
　　控制器采用PIC16F877或PIC16F876單片機，使用的功能和接口有：八路輸入（PIC16F876為四路輸入）10位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,，分辨率達十位的PWM脈寬調(diào)制輸出口CCP1,，可響應外部邏輯電平變化時產(chǎn)生中斷的端口B0、B4,、B5,，用于換相輸出的端口C。核心部分結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示,。

?

2 高電壓大功率控制器工作原理
　　該控制器是針對大功率高電壓無刷直流電機設(shè)計的,，電源取自220V交流電壓整流濾波后產(chǎn)生的300V左右的直流電壓(電機功率范圍為500W~2 000W)來對智能功率模塊輸出部分供電。為簡化硬件電路,，降低元器件成本,，單片機及相關(guān)的控制電路供電部分由一只小變壓器降壓后提供。低壓電源提供五組獨立輸出,，其中一組給單片機供電,，完全隔離。另四組提供給功率模塊內(nèi)部驅(qū)動電路,。整個控制部分所需電流較小,，除5V輸出采用全橋式整流外，其他四路采用單只二極管半波整流,。變壓器功率5W左右即可滿足要求,，加工成本也較低，變壓器和其他元器件焊在同一塊電路板上,，體積和重量是可以接受的,。
　　電路工作原理如下：
　　單片機上電后，程序?qū)斎胼敵龆丝谶M行設(shè)定,，端口A為模擬量輸入,，端口B、C設(shè)為數(shù)字量輸入和輸出,，設(shè)定工作通過寫專用寄存器實現(xiàn),。程序初始化工作完成后，檢測起/停按鈕,，當按下按鈕時,，進入工作程序，檢查位置傳感器信號和速度調(diào)整電位器電壓值,，將這些數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部處理后,，調(diào)整PWM的脈沖寬度，輸出對應的電機驅(qū)動控制信號,。
　　中斷服務(wù)程序" title="中斷服務(wù)程序">中斷服務(wù)程序可提高工作效率,。當位置傳感器的三個輸入引腳電平隨之變化時,，在單片機內(nèi)部產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序完成輸入和輸出的譯碼,，輸出控制信號產(chǎn)生磁極變位,，此過程連續(xù)下去產(chǎn)生一個相位超前的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn),。
　　在未進入中斷服務(wù)時,，單片機可設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D數(shù)據(jù),、電機起/停檢測,、過流檢測等多項內(nèi)容，單片機工作時具有較高的實時性,。
3 低電壓中小功率控制器工作原理
　　該控制器供電電源取自蓄電池組,，電池電壓根據(jù)電機功率（180W~500W）由電機生產(chǎn)廠商提供。電機電壓可分為24V,、36V,、48V、60V,。電路中不設(shè)隔離電源,，單片機+5V電源和驅(qū)動電路+15V電源由電池降壓穩(wěn)壓后提供。電路中采用六只N溝道功率MOS場效應管,，驅(qū)動部分采用專用集成電路IR2102(關(guān)于IR2102的工作原理將在電路的驅(qū)動和輸出部分詳細介紹),。在低電壓驅(qū)動器中用MOSFET管代替智能功率器件，取消了高速光電隔離,、電源整流,、濾波、隔離供電等部分,，硬件費用降低,，是一種低成本的無刷電機控制器?？紤]到使用中會出現(xiàn)電流過載和蓄電池電壓過低的情況,，該電路中增加了過電流檢測和欠壓檢測部分。單片機軟件部分除具備大功率控制器的功能外,，還需要針對過流和欠壓進行監(jiān)控,。
4 智能功率模塊（輸出部分）
　　大功率控制器輸出部分選用三菱公司的智能功率輸出模塊PMXXCSJ060。與常規(guī)的IGBT功率輸出管相比,，該芯片屬于成熟的第三代高頻IPM集成器件,，其內(nèi)部采用絕緣基板工藝,，內(nèi)置柵級驅(qū)動和保護電路,，根據(jù)電機功率的大小可選用不同額定電流的模塊,。例如20A 耐壓600V的功率器件型號為PM20CSJ060，其中,，20代表額定電流20A,，060代表耐壓600V，詳細資料可通過三菱公司網(wǎng)站查詢,。
5 專用MOS驅(qū)動芯片IR2102
　　用于低壓控制器的驅(qū)動芯片IR2102是美國國際整流器公司（International Rectifier Company）的產(chǎn)品,，可驅(qū)動MOSFET 或IGBT。該芯片的應用簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計,。IR2102內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計出懸浮電源,，實現(xiàn)一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制，如圖3所示,。其工作原理如下：

　　IR2102為8引腳芯片,，HIN和LIN分別為高側(cè)MOS管和低側(cè)MOS管驅(qū)動輸入端（低電平有效），C為自舉電容,，D為充電二極管,。為防止輸出橋臂短路，禁止HIN,、LIN同時為低電平,。當HIN為高電平、LIN為低電平時,，輸出LO比低電位高15V,，MOS管Q2導通；反之當HIN低電平,、LIN為高電平時,，開始HO比VS高出15V(注意：這個電壓是對電容充電的結(jié)果)，隨著時間的延續(xù),，電容會通過電阻R13,、R27放電，導致電壓不斷下降,。Q1導通時間與電容C容量有關(guān),，當脈寬調(diào)制頻率在5kHz以上時，電容C選用0.1μF即可,。關(guān)于IR2102的詳細資料可通過網(wǎng)站www.IRF.com.cn查詢,。
6 軟件設(shè)計
　　對有位置傳感器的無刷電機而言，多數(shù)電機位置傳感器狀態(tài)分60°和120°兩種,，在未知電角度的情況下,，可用數(shù)字邏輯分析儀對位置狀態(tài)的三個輸出進行測量，測量時勻速轉(zhuǎn)動電動機轉(zhuǎn)子,，測量的輸出波形如圖4所示,。每六個狀態(tài)為一個電角度周期,，重復這一過程。根據(jù)實測結(jié)果列出電機順時針和逆時針轉(zhuǎn)動六狀態(tài)輸入輸出表,，作為編程時的原始數(shù)據(jù)寫入程序,。

　　程序內(nèi)容包括：
　　（1）初始化設(shè)置
　　　設(shè)置相關(guān)端口（端口A,、B,、C、E）,通過寫入專用寄存器實現(xiàn),。
　?。?）主程序內(nèi)容
　　　單片機內(nèi)部功能模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、PWM功能的設(shè)置,，將電機正反轉(zhuǎn)輸入輸出表數(shù)據(jù)寫入指定存儲器單元,。開放中斷，確定正反轉(zhuǎn)狀態(tài),，循環(huán)檢測電機起/停工作按鈕電平,。
　　（3）中斷服務(wù)程序
　　　當電機運轉(zhuǎn)位置（六狀態(tài)之一）發(fā)生變化時,，單片機響應中斷進入中斷服務(wù)程序,，在此完成輸入輸出的譯碼、濾除錯碼,、調(diào)整B0口電平中斷方式等內(nèi)容,。
　　（4）子程序
　　　子程序包括延時程序,、RB0輸入端中斷電平調(diào)整程序,、A/D轉(zhuǎn)換程序。
　　軟件流程圖如圖5所示,。