控制器中電子換相電路的設(shè)計(jì)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(jī)，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(jì)方法即可實(shí)現(xiàn)。例如，用可編程邏輯器件CPLD可在計(jì)算機(jī)上完成硬件設(shè)計(jì)、波形仿真和下載。目前用于無刷電機(jī)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(jī)類型都有一定要求。實(shí)踐證明使用專用芯片設(shè)計(jì)控制器在芯片的選擇、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等環(huán)節(jié)并非省時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)出兩種有位置傳感器的無刷電機(jī)控制器，同時(shí)與專用集成電路設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了對比，得出以下三方面結(jié)論：
　　(1)單片機(jī)在改變功能和價(jià)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(hù);
　　(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(jī)的控制核，只要改變外圍驅(qū)動、保護(hù)、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(jī)實(shí)現(xiàn)控制。
1 控制核心
　　控制器采用PIC16F877或PIC16F876單片機(jī)，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(dá)十位的PWM脈寬調(diào)制輸出口CCP1，可響應(yīng)外部邏輯電平變化時(shí)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。

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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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(dú)立輸出，其中一組給單片機(jī)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(jī)上電后，程序?qū)斎胼敵龆丝谶M(jìn)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(shí)現(xiàn)。程序初始化工作完成后，檢測起/停按鈕，當(dāng)按下按鈕時(shí)，進(jìn)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(jī)內(nèi)部處理后，調(diào)整PWM的脈沖寬度，輸出對應(yīng)的電機(jī)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(dāng)位置傳感器的三個輸入引腳電平隨之變化時(shí)，在單片機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　在未進(jìn)入中斷服務(wù)時(shí)，單片機(jī)可設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D數(shù)據(jù)、電機(jī)起/停檢測、過流檢測等多項(xiàng)內(nèi)容，單片機(jī)工作時(shí)具有較高的實(shí)時(shí)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(jī)功率（180W~500W）由電機(jī)生產(chǎn)廠商提供。電機(jī)電壓可分為24V、36V、48V、60V。電路中不設(shè)隔離電源，單片機(jī)+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(yīng)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(xì)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(fèi)用降低，是一種低成本的無刷電機(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)電路，根據(jù)電機(jī)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(xì)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(yīng)用簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。IR2102內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計(jì)出懸浮電源，實(shí)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(shí)為低電平。當(dāng)HIN為高電平、LIN為低電平時(shí)，輸出LO比低電位高15V，MOS管Q2導(dǎo)通；反之當(dāng)HIN低電平、LIN為高電平時(shí)，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(shí)間的延續(xù)，電容會通過電阻R13、R27放電，導(dǎo)致電壓不斷下降。Q1導(dǎo)通時(shí)間與電容C容量有關(guān)，當(dāng)脈寬調(diào)制頻率在5kHz以上時(shí)，電容C選用0.1μF即可。關(guān)于IR2102的詳細(xì)資料可通過網(wǎng)站www.IRF.com.cn查詢。
6 軟件設(shè)計(jì)
　　對有位置傳感器的無刷電機(jī)而言，多數(shù)電機(jī)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(jìn)行測量，測量時(shí)勻速轉(zhuǎn)動電動機(jī)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(fù)這一過程。根據(jù)實(shí)測結(jié)果列出電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動六狀態(tài)輸入輸出表，作為編程時(shí)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(shí)現(xiàn)。
　　（2）主程序內(nèi)容
　　　單片機(jī)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(jī)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(jī)起/停工作按鈕電平。
　?。?）中斷服務(wù)程序
　　　當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)位置（六狀態(tài)之一）發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷進(jìn)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。
　?。?）子程序
　　　子程序包括延時(shí)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。