传感器直流无刷电机一直在电动车驱动系统中占主导地位，为克服其霍尔传感器易坏的缺点，本设计提出了基于HT单片机控制的无传感器直流无刷电机驱动控制系统的设计方案。本设计方案能简化系统结构、降低系统成本、增强系统性能。
引言
近年来，国内市场上电动车使用的电机主要有有刷电机、有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机三种。使用有刷直流电机容易解决换相问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损或损坏，增大维护、维修难度，增加使用成本；使用有传感器无刷直流电机，容易确定转子位置，解决换相问题，却增大了电机的设计、制造、安装难度，也增加了成本，并且传感器容易损坏，导致电机的使用寿命缩短；无传感器无刷直流电机换相虽在技术上有难度，但在成本和寿命问题上更容易满足消费者需求。综合以上特点，本方案选择了性价比相对好的无传感器无刷直流电机，以HT46R64为主控芯片，用“反电势法”实现电机正常换相，软硬结合，使电动车驱动系统工作在最佳状态，从而提高产品的可靠性和使用寿命。
一、工作原理
本控制系统结构框图见上图，主要由MCU、直流无刷电机、LCD液晶显示屏、键盘、电源、时钟等模块组成。其中MCU采用台湾HoLTEk公司生产的HT46R64微处理器，以它作为系统核心，连同一些外围硬件，且配合软件共同控制直流无刷电机，从而实现该驱动系统的优良性能。比如通过MCU指令控制电机的正反转，调速，刹车或制动等。根据电机所转圈数计量行程，并以数字形式呈现在液晶屏上，通过键盘操作方便查看行程以及其它系统信息。电源模块主要用来在不需要显示时切断相应部分电路，同时保存关键信息，以此降低系统功耗。
由图1可以看出，本驱动控制器的主要功能大体分电机部分、行程计量、LCD显示三部分，其中主要围绕无传感器电机的换相问题展开。
1、反电势换相原理 霍尔传感器在电机中广泛使用，带位置传感器直流无刷电机就是靠霍尔传感器来确定转子位置，以使定子各相绕组顺序导通实现换相；而无传感器直流无刷机则是利用电子线路代替位置传感器（如下图），通过检测电机在运行过程中产生的反电势过零点来确定转子位置，实现换相，下面举以星形绕组为例进一步说明。
电机在运行过程中，要经过6次换相，每次换相时总有一相绕组没有通电，此时可以在该相绕组端口检测到该绕组产生的反电势，反电势在600电角度内是连续的。由于电机的规格、制造工艺有差异，导致相同电角度的反电势值不同，若要通过检测反电势的数值来确定转子位置，难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子位置。由下图知，反电势在60°的电角度过程中总有一次经过坐标横轴《过零点），而此点的电角度和下一次换相点的电角度正好相差300，故可通过检测反电势过零点，再延时300换相。本设计是从被检测相断电开始计时等待反电势过零点，再延时等待相应时间，实现换相。
以正向反电势检测为例，假设之前是CB通着电，测A相反电势过零点，有过零点信号后等待相应时间，由139译码器开通A+，同时自动关闭C+，就换成了AB通电：再测C相反电势，用同样的方法，开通C-，自动关闭B-，换成AC通电：再测B相反电势，开通B+，关闭A+，换成BC通电：再测A相反电势，开通A-，关闭C-，换成BA通电；接着测C相反电势，开通C+，关闭B+，换成CA通电：然后测B相反电势，开通B-，关闭A-，换成CB通电。经过AB→AC→BC→BA→CA→CB六次换相实现直流无刷电机的连续正转：同理，反电势法经过CA→BA→BC→AC→AB→CB六次换相能实现电机的连续反转。
2、反电势过零方案 在前面无位置传感器直流无刷电机模型推导的基础上，可以采用如下图所示方法，对无传感器直流无刷电机不导通相绕组产生的反电势进行过零检测。图4中的电阻R起分压作用，可以看出进入比较器LM339正端的A、B、C三相电压与过零点检测相（参考相）电压明显成两倍关系，对于星形电机绕组，零点是两相通电电压的一半，经过电压比较给出零点信号到单片机，收到信号后再在程序里做换相处理，确保电机正常运行。LM339的出端信号就是所谓的电机转子位置信号，相当于传感器信号，实质是发出换相通知。
3、行程计量和液晶显示原理 本设计中行程计量采用纯软件数据处理。由于电动车电机转子在外侧，车上的辐条固定在转子上，所以转子转一圈车轮就转一周，所走过的路程就是车轮的周长。这样只要电机转一圈，用内部中断，数据处理部分就做一次加法，通过累加存储总路程数据，然后十进制转换。因HT46R64自带LCD驱动，所以只需将转换后的结果直接写入其RAM存储区1，即可在液晶屏上显示里程。其中数据处理部分的加法采用浮点数，因为HT系列单片机不支持小数操作。
二、系统硬件结构
1、驱动部分 139译码器的使能控制位与主控制器HT46R64的PWM口相连，其它输入接普通I/O，译码器的输出驱动IR2132。IR2132的输入均是低电平有效，以此产生输出电平驱动MOS管P60NF06，外加48V漏极电压促使MOS管导通，经三桥六次换相顺序导通各MOS管，给电机连续供电。需注意的是IR2132要高于8.9V的电压才能开通，一般采用12V或15V作驱动，其内有欠电压和过电流保护；当电压低于8.9V，IR2132自动关闭，没有输出，整个控制系统也就无法正常工作。
2、反电势部分 采用原理部分叙述的过零方案，通过电阻取三相反电势电压，将其送往比较器LM339中每个比较器的正端，为减小干扰，正端输入需加电容滤波，而负端（参考相）电压采自48V电源的1/22。通过比较，若正端电压高于负端，LM339的出端信号为+5V；若正端电压低于负端，其出端信号为OV，从而给出转子位置信号，即传感器信号。
3、LCD部分 本设计采用两行显示10位液晶屏与HT46R64的SEGO-SEG19脚和4个COM脚相连，由于该片自带液晶驱动，只需向内部LCD存储区写数即可，简易直观且便于操作。选择R型偏压，则不需要连接外部电容或电阻，如果VDD大于VLCD引脚上的电压，VMAX应接到VDD，否则就接到VLCD，这样可以防止因电压太强造成不该亮的液晶段选信号点亮，避免看似乱码的出现：若选择C型偏压，需在单片机的V1与V2之间连接0.1μF滤波电容，Cl与C2之间连接0.1μF充电泵电容。本课题选择的是R型偏压，整体硬件原理见下图。
用HT-IDE3000仿真效果极佳，制成PCB板见下图，主控板和驱动板之间用跳线连接，若有充足时间，通常将两块电路板合二为一，并附带散热片。
三、软件流程
打开电源开关，程序上电运行，系统进入初始化。初始化程序主要对各控制口设定初值，包括I/O输入输出、ND转换、PWM控制和中断处理等。初始化完毕，判断控制开关打到正向还是反向，在非巡航模式下，等待车用转把（相当于一个电位器）给定PWM值，开始以低速同步起动，若没给PWM值，一直停在程序开头，电机不运行。
一旦电机同步起动稳定后，就会有反电势产生，立即跳入反电势运行阶段。在这一阶段，可以对电机进行加速或减速，跟随A/D采集电位器电压给定PWM值，平滑调速，无抖动。众所周知，车用转把是弹簧做的，松手会回弹，如果不加控制，电机就立即停转，为解决这一问题，本控制器加有巡航功能，即PWM值给到一定程度，只要开关指向巡航，电机就以那一时刻采到的转速固定运行，即使转把回弹，电机仍以固定转速正转或反转。所以在巡航模式下，调速不起作用，当取消巡航，就又回到PWM随时改变的状态。
在电机正常运行的同时，记录换相次数。根据电机磁极对数不同有异，本驱动系统所对应的电机换一次向才转过10°，所以换36次向才转过一圈，即正转或反转的顺序导通要循环6次。此时，来一次内部中断，程序跳入行程计量部分，累加一次车轮的周长。
