无刷直流电动机硬件设计3.1 逆变主电路设计3.1.1 功率开关主电路图3-1 功率开关主电路原理图逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。
与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。
由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.1.2 逆变开关元件选择和计算MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla 首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（William Shockley）等人发明的双载子晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型积体电路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
表3-1对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较器件优点缺点IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置通过上述的比较，我选择MOSFET 。
电枢额定电流I aH =8.5A ，因为每个控制元件导通120o ,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。
2/3018.52Idt ππ=⎰，通过计算可得I=25.5A ， 额定电压U H =36V ，峰值电压应有一个百分之40的余量所以U M =U H *1.4=36*1.4=50.4V通过以上计算，可得出选择的MOSFET 峰值电流为25A,峰值电压为50V 。
3.2 逆变开关管驱动电路设计3.2.1 IR2110功能介绍(1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V ；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V ；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT 、功率MOSFET 等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns ；逻辑电源的输入范围（脚9）5~15V ，可方便的与TTL ，CMOS 电平相匹配。
(2) IR2110 主要功能及技术参数IR2110 采用CMOS 工艺制作,逻辑电源电压范围为5 V～20 V ,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2 个输出通道。
由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS) 与功率电路参考地(COM) 之间有- 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。
采用CMOS 施密特触发输入,以提高电路抗干扰能力。
IR2110 浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500 V ,工作频率可达到500 kHz。
两路通道均带有滞后欠压锁定功能。
其推荐典型工作参数如表3-2所示。
表3-2 IR2110 工作参数参数最小值/ V 最大值/ VVB VS + 10 VS + 20VS - 4 500HO VS VBVCC 10 20LO 0 VCCVDD VCC + 4. 5 VCC + 20VSS - 5 + 5HIN ,SD ,LIN VSS VDD(3)IR2110内部功能如图3-2所示：图3-2 IR2110内部框图LO （引脚1） :低端输出COM（引脚2） :公共端Vcc（引脚3） :低端固定电源电压Nc （引脚4） :空端Vs （引脚5） :高端浮置电源偏移电压VB (引脚6) :高端浮置电源电压HO （引脚7） :高端输出Nc （引脚8） :空端VDD（引脚9） :逻辑电源电压HIN（引脚10）:逻辑高端输入SD （引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNc （引脚14）:空端功能概述IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出。
高端输出HO和低端基准输出LO分别以浮置电位VBS和固定电位Vcc为基准。
逻辑电路为两路输出提供相应的控制脉冲。
HO和LO输出分别与HIN和LIN输入同相位。
当SD输入高电平时两路均关闭。
当VDD 低于欠电压阀值时，欠电压UV检测电路关闭两路输出。
同样，当VBS低于规定的欠电压点时，欠电压检测电路也会使高端输出中断。
逻辑输入采用带有0.1VDD滞后的施密特触发电路，以提高抗扰能力。
高抗噪声平移位电路将逻辑信号送到输出驱动级。
低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配的。
当Vs 为500V或接近500V时，高端功率MOSFET关断。
输出驱动MOSFET接成源极跟随器，另一只输出驱动MOSFET接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动HV电平转化器并触发RS闩锁置位或复位。
由于每个高电压DMOS电平转换器仅在很狭窄的脉冲持续期内才导通，所以功率很低。
3.2.2 自举电路原理图3-3 驱动电路以一相为例，如图3-3所示，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管导通，自举电容C8充电，三极管C极电压近似等于电源正极电压；当下管截止上管导通时，隔离二极管D2截止，自居电容C8储存的电荷给三极管C极供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保持导通。
3.3 单片机的选择目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。
本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。
单片机选择依据：(1)性能因素。
通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求。
由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道A/D转换模块。
在无刷电机控制中，脉宽调制PWM ( PulseWidth Modulation)技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。
(2)安全因素。
电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。
(3)价格因素。
考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。
3.3.1 PIC单片机特点：PIC (Periphery Interface Chip)系列单片机是美国Microchip公司生产的产品。
PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。
产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。
使之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。
PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。
PIC系列单片机具有如下特点:(1)单片机种类丰富PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。
就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。
(2)哈佛总线结构如图3-4所示，PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。
图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构(3) RISC技术RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。
RISC 技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单合理地提高计算机的运算速度。
PICF877单片机指令集系统只有35条指令，全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执行速度较高。
(4)指令特色PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。
(5)功耗低由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。
(6)驱动能力强PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。
(7)同步串行数据传送方式可以满足主控/从动和主控总线要求。
(8)应用平台界面友好，开发方便Microchip公司为用户提供了周全的技术方案，不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程器。
(9)程序存储器版本齐全Microchip公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。
3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义图3-5 PIC16F72单片机管脚图（1）MCLR:清除（复位）输入。
其中MCLR为低电平时，对芯片复位；该管脚的电压不能超过VDD，否则会进入测试方式。
（2）RA0-RA5：双向可编程，亦可作为并行口。
电池欠压信号：电池电压经分压后接单片机管脚3。
转把复位信号：由单片机的第4脚读入刹车信号：刹车信号由单片机的第5脚读入。
（3）OSC1、OSC2：为振荡器晶振。
（4）RC0-RC7：数字I/O（5）RB0-RB7：数字I/O（6）VDD：+5V电压输入3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性(1)功能部件特性·带8位AID转换输入·高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示每个I/O引脚最大灌电流25mA;每个I/O引脚最大拉电流25mA·双向可独立编程设置I/O引脚·8位定时器/计数器TMRO，带8位预分频·有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出(CCP)·16位定时器/计数器TMR 1，睡眠中仍可计数·8位定时器/计数器 TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器(2)微控制器特性·内置上电复位电路(POR)·上电定时器，保障工作电压的稳定建立·振荡定时器，保障振荡的稳定建立·断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复位，当电源电压恢复正常后恢复运行·内置自振式(RC振荡)看门狗·程序保密位，可防程序代码的非法拷贝·掉电保护电路·在线串行编程3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法(控制磁通)与电枢电压控制法(改变电枢端电压)。