控制器中電子換相電路的設計方法有很多。對于有位置傳感器" title="位置傳感器">位置傳感器的無刷電機，用中小規模數字集成電路和經典的數字電路設計方法即可實現。例如，用可編程邏輯器件CPLD可在計算機上完成硬件設計、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公司生產的MC33035、東芝公司生產的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計控制器在芯片的選擇、驅動電路設計及試驗等環節并非省時省力。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計的控制器進行了對比，得出以下三方面結論：
　　(1)單片機在改變功能和價格上優于專用芯片;
　　(2)軟件程序便于加密，有利于知識產權的保護;
　　(3)軟件編程靈活，可根據用戶需求增加和完善功能。
　　有了PIC單片機的控制核，只要改變外圍驅動、保護、輸出電路，即可對不同功率、不同電壓或內部結構不同的無刷直流電機實現控制。
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轉換器，分辨率達十位的PWM脈寬調制輸出口CCP1，可響應外部邏輯電平變化時產生中斷的端口B0、B4、B5，用于換相輸出的端口C。核心部分結構如圖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設計的，電源取自220V交流電壓整流濾波后產生的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部驅動電路。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，程序對輸入輸出端口進行設定，端口A為模擬量輸入，端口B、C設為數字量輸入和輸出，設定工作通過寫專用寄存器實現。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整電位器電壓值，將這些數據在單片機內部處理后，調整PWM的脈沖寬度，輸出對應的電機驅動控制信號。
　　中斷服務程序" title="中斷服務程序">中斷服務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，在單片機內部產生中斷，中斷服務程序完成輸入和輸出的譯碼，輸出控制信號產生磁極變位，此過程連續下去產生一個相位超前的旋轉磁場，驅動電機運轉。
　　在未進入中斷服務時，單片機可設置A/D轉換、讀取A/D數據、電機起/停檢測、過流檢測等多項內容，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，電池電壓根據電機功率（180W~500W）由電機生產廠商提供。電機電壓可分為24V、36V、48V、60V。電路中不設隔離電源，單片機+5V電源和驅動電路+15V電源由電池降壓穩壓后提供。電路中采用六只N溝道功率MOS場效應管，驅動部分采用專用集成電路IR2102(關于IR2102的工作原理將在電路的驅動和輸出部分詳細介紹)。在低電壓驅動器中用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，其內部采用絕緣基板工藝，內置柵級驅動和保護電路，根據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站查詢。
5 專用MOS驅動芯片IR2102
　　用于低壓控制器的驅動芯片IR2102是美國國際整流器公司（International Rectifier Company）的產品，可驅動MOSFET 或IGBT。該芯片的應用簡化了驅動電路的設計。IR2102內部采用自舉技術設計出懸浮電源，實現一相兩個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MOS管和低側MOS管驅動輸入端（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果)，隨著時間的延續，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，當脈寬調制頻率在5kHz以上時，電容C選用0.1μF即可。關于IR2102的詳細資料可通過網站www.IRF.com.cn查詢。
6 軟件設計
　　對有位置傳感器的無刷電機而言，多數電機位置傳感器狀態分60°和120°兩種，在未知電角度的情況下，可用數字邏輯分析儀對位置狀態的三個輸出進行測量，測量時勻速轉動電動機轉子，測量的輸出波形如圖4所示。每六個狀態為一個電角度周期，重復這一過程。根據實測結果列出電機順時針和逆時針轉動六狀態輸入輸出表，作為編程時的原始數據寫入程序。

　　程序內容包括：
　?。?）初始化設置
　　　設置相關端口（端口A、B、C、E）,通過寫入專用寄存器實現。
　?。?）主程序內容
　　　單片機內部功能模塊包括A/D轉換器、PWM功能的設置，將電機正反轉輸入輸出表數據寫入指定存儲器單元。開放中斷，確定正反轉狀態，循環檢測電機起/停工作按鈕電平。
　?。?）中斷服務程序
　　　當電機運轉位置（六狀態之一）發生變化時，單片機響應中斷進入中斷服務程序，在此完成輸入輸出的譯碼、濾除錯碼、調整B0口電平中斷方式等內容。
　?。?）子程序
　　　子程序包括延時程序、RB0輸入端中斷電平調整程序、A/D轉換程序。
　　軟件流程圖如圖5所示。