基于单片机无刷直流电动机控制新版专业系统设计.doc

运动控制系统
课程设计阐明书

题 目： 基于单片机无刷直流电动机控制系统设计
专业班级： 电气自动化 02班
学 号：
姓 名： 孔令上
指引教师： 文小玲 王振
成 绩：

6月21日至7月2日

基于单片机无刷直流电动机控制系统设计

Design of brushless DC motor control system on single-chip microcontroller

学 生 姓 名:
孔令上
指 导 教 师:
文小玲
王振

课程设计量化评分原则 

指标
分值
评分要素
得分
设计完毕
状况
30
能独立查阅文献资料，提出并较好地阐述课题实行方案；设计方案选取合理，分析、设计对的，原理清晰；独立进行设计工作，按期圆满完毕规定任务，设计成果达到预期效果，有实用价值。

报告质量
20
报告构造严谨，逻辑严密，阐述层次清晰，语言流畅，表达精确，重点突出，报告完全符合规范化规定。

工作量、
工作态度
20
工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。

答辩成绩
30
思路清晰；语言表达精确，概念清晰，论点对的；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论依照，基本概念清晰。

总 评 成 绩

答辩记录

答辩时间： 答辩地点：

摘 要
电动机作为机电能量转换装置,其应用范畴已遍及国民经济各个领域以及人们寻常生活之中。老式直流电动机均采用电刷，以机械办法进行换向，存在着相对机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，制导致本高及维修困难等缺陷,因而大大地限制了它应用范畴。永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来一种新型机电一体化电机，它具备如下特点： 1．无刷直流电动机转子采用高磁能积稀土磁钢作为转子磁钢，其转动惯量比鼠笼转子要小，因此对于给定转矩可以响应得更快，控制特性更好。 2．无刷直流电动机效率比感应电动机高。由于在感应电机运营时，转子上不会产生铜损和铁损。 3．在相似容量下，无刷直流电动机体积相对要比感应电机小，重量轻。 4．无刷直流电机噪音小。 5．无刷直流电机调速以便，灵活，范畴广。
在分析无刷直流电动机（BLDCM）数学模型基本之上，提出了一种新型无刷直流电机控制系统建模仿真办法。在Matlab/Simulink环境之下，运用无刷电机
核心词：无刷直流电动机；电刷；换向器；单片机

Abstract
Motor as electromechanical energy conversion devices，and their use has spread invarious fields of national economy and people in their daily life. Traditional DC motor brushes，mechanical method of commutation，there is a relatively mechanical friction，which bring about the fatal weakness of noise，sparks，radio interference，and short life，manufacturing high cost and maintenance difficulties and shortcomings. thus greatly limiting its scope of application. The permanent magnet brushless DC motor is rapidly maturing in recent years with the development of power electronic devices and new permanent magnetic materials up a new the mechatronics motor，it has the following characteristics：
1. The rotor of the brushless DC motor with high energy product rare earth magnet as the rotor magnet，the squirrel cage rotor inertia ratio is smaller，so for a given torque can respond faster to control features better. 2. The efficiency of the brushless DC motor is higher than the induction
motor.Because the induction motor is running，the rotor does not produce the copper loss and iron loss. 3. In the same capacity，the volume of the brushless DC motor is relatively better than the induction motor is small，light weight. 4. Brushless DC motor noise. 5 Brushless DC motor speed convenient，flexible，and a wide range
Permanent magnet brushless DC motor controller structure has many forms，the initial complex analogue to the recently digital microcontroller as the core，but the new motor control ASIC，brushless DC motor speed control device design a great convenience，integrated analog control chip controlling function，the protection function，stable performance，simple system composed of the peripheral circuits required，and strong anti-jamming capability，especially suitable for volume controller，the performance requirements higher occasions. Advantages of a dedicated control chip of course，but often are expensive. In the occasion of some control accuracy is not high，you need to be able to have a working stability，price and relatively low-cost controller. This design is based on market demand.

II
Keywords：HCCI；　 Chemical Kinetics；　 Numerical Simulation；　DME；

目 录

摘 要 I
Abstract I
1设计任务和规定 1
1.1 设计规定 1
1.2 设计任务 1
2系统构成原理 1
2.1无刷电动机基本构造 1
2.2直流无刷电机换向原理 1
2.3 单片机控制最小系统 1
2.4光耦隔离电路 1
2.5 滤波电路和限幅电路 1
2.6 保护电路 1
2.7 主电路设计 1
2.8 总控制电路设计 1
2.9系统原理框图 1
3控制算法与系统软件设计 1
3.1转速控制器构造参数设计 1
3.2电流控制器构造参数设计 1
3.3采样周期选取 1
3.4控制算法和运算流程图 1
3.4.1算法思路及初始化简述 1
3.4.2运算流程图 1
3.5系统软件设计 1
3.5.1系统初始化程序模块 1
3.5.2主程序模块 1
3.5.3编码脉冲—中断服务程序模块 1
3.5.4速度环采样和调节控制模块 1
3.5.5电流环采样和调节控制模块 1
4仿真（实验）成果分析 1
4.1 换向逻辑控制模块 1
4.2 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 1
4.3换相逻辑控制模块 1
5总 结 1
参照文献 1
附录I系统原理图 1

1设计任务和规定

1.1 设计规定
设计一种以AT89C51单片机为控制核心无刷直流电机调速系统。系统涉及速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等。主电路采用MOSFET三相逆变桥，换向电路可以采用电机专用芯片。已知无刷直流电动机额定数据为60W/24V，调速范畴30～3000r/min，采用霍尔位置传感器。

1.2 设计任务
本课题总设计任务如下：
（1）完毕系统理论与仿真分析
1）进行系统参数计算，完毕转速、电流调节器构造和参数设计；
2）运用Matlab/Simulink建立系统仿真模型，对整个调速系统动态性能（给定输入跟随性能和负载与电网电压扰动下抗扰性能）进行仿真分析。
（2）完毕系统电气原理图设计（涉及电路原理图设计、参数计算、元器件选型）
1）主电路设计；
2）单片机控制电路设计
a. 单片机基本系统；
b. A/D接口电路；
c. 编码器脉冲输入接口电路；
d. 开关量输入输出电路；
e. 电压、电流采样电路；
f．电源电路；
g. PWM控制输出通道及驱动电路；：~) A8 [' p- s0 T# ]：W.com

h．给定输入通道（拨码开关、模仿旋钮和串行通信接口电路等）。
（3）PCB板设计、制作与调试（依照时间选做）
（4）控制算法设计
1）电流控制器构造和参数设计；
2）转速控制器构造和参数设计；
& b# H，i" e$ a  y  G；j1 {.com 3）采样周期选取；
6 x- e' j# ]：m. n' e& I免费提供全国各地大学精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT下载社区 4）控制算法和运算流程图。 （5）系统软件设计
- ^；g  i5 `：s0 w；t2 ~课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT# r  Q！D+ d. _  x/ X2 W.coma．系统初始化程序模块；
b．主程序模块；
+ M. @  q8 G9 e. G$ B$ uc．编码脉冲—中断服务程序模块；
/ x. g2 r/ `# i，c：|.comd．给定通道串行通信中断服务程序模块；
2 ~) A8 \4 @7 Q. {；`/ f% T0 c) ]1 Z大学课件论文设计e．定期中断服务模块；
6 {！o( Y8 y1 A' b$ `% Q5 k+ U大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件- ?0 R# c；@0 C9 G7 g4 Q$ A" q大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件f．速度环采样和调节控制模块；
. W7 O1 M，v( }$ W* x大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课g．电流环采样和调节控制模块。6 x- e' j# ]：m. n' e& I免费提供全国各地大学精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT下载社区
文本文重要是完毕位置检测电路和辅助电路设计（保护电路设计）
（1）通过度析比较两种以上不同构造晶闸管整流电路构成原理，拟定适当主电路构造；
（2）完毕主电路参数计算及其元器件选型
（3）画出主电路电气原理图

2系统构成原理
2.1无刷电动机基本构造
无刷直流电动机属于三相永磁同步电机范畴，永磁同步电动机磁场来自电
动机转子上永久磁铁。无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3某些构成，其内部基本构造原理图和实物图如图2-1 图2-2所示

图2-1-1 霍尔无刷电机内部原理图 图2-1-2 霍尔无刷电机内部构造图

普通直流电动机电枢在转子上，而定子产生固定不动磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断变化电枢绕组中电流方向，使两个磁场方向始终保持互相垂直，从而产生恒定转矩驱动电动机不断转动。 
无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样构造正好与普通电机相反；然而，虽然这样变化还不够，由于定子上电枢通入直流后来，只能产生不变磁场，电动机依然不能转动。为了使电动机转子转起来，必要使定子电枢各相绕组不断换相通电，这样才干使定子磁场随着转子位置在不断地变化，使定子磁场与永磁磁场始终保持90度左右空间角，产生转矩推动转子旋转。
霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比，只是电机内部多了一种霍尔位置检测器。其工作原理与无位置传感器电机完全同样，只是在相位检测时比较以便。
2.2直流无刷电机换向原理
图 2-2-1 为惯用三相星形联接绕组全桥驱动电路。全控电路控制方式分为两两导通方式和三三导通方式，其中两两导通用比较普遍。本文采用两两导通方式，其三相抱负霍尔信号、反电动势波形、电流波形与六个导通区间功率管通断关系如图 2-2-2所示。

图2-2-1 三相星型连接全桥驱动电路

图 2-2-2 两两导通方式换相原理阐明图
由图 2-2-2，运营原理分析如下：
当霍尔位置传感器检测到转子处在图 2-7（a）所示位置时，由图 2-6 可知，此时位置传感器 HA 信号变为高电平。由控制电路对当前转子位置信号进行逻辑运算，产生驱动脉冲，控制逆变器通断状态，使 V1、V6 导通，也就是使 A、B 两相绕组通电。此时电枢绕组产生磁动势Fs如图 2-7（a）所示，Fs与定子磁场Fr互相作用，使电机转子顺时针旋转。
当上述两个磁场作用下，转子顺时针转过 60°电角度，到达图 2-7（b）所示位置。此时霍尔位置传感器 HC 信号输出低电平。通过控制电路和驱动电路作用，使 V1、V2 导通，也就是使 A、C 两相绕组通电，电枢绕组产生磁动势Fs 如图 2-7（b）所示，此时Fs 与Fr 互相作用，使电机转子继续顺时针旋转。
在Fs与Fr互相作用下，转子每转过 60°电角度，电机定子绕组就换流一次，sF方向也跃变一次，因此在一种电角度周期内，电机换相六次，每次有两相导通，每相绕组正、反向各导通 120°电角度。顺时针旋转时功率管导通逻辑依次为 V5→V6、V1→V6、V1→V2、V3→V2、V3→V4、V5→V4、V5→V6，如图 2-2-1所示，在此期间，转子始终受到顺时针方向电磁转矩作用，沿顺时针方向持续旋转。而对于电机逆时针旋转控制，只需要将各个功率管导通顺序按照逆时针旋转时导通顺序依次导通各相定子绕组，就可以实现电机逆时针旋转控制。附上如下星形连接二二导通方式正转通电规律，见表2-1
通电顺序
正转（逆时针）
转子位置（电角度/（°））
0～60
60～120
120～180
180～240
240～300
300～360
开关管序号
1、2
2、3
3、4
4、5
5、6
1、6
A相
+

-
-

+
B相

+
+

-
-
C相
-
-

+
+

表2-2-1 星形连接二二导通方式正转通电规律
此外，由于换相控制逻辑与位置传感器定转子与电机本体定转子相对位置直接有关，因此不同位置传感器安装位置，决定了不同换相控制逻辑。如下给出转子位置与霍尔传感器输出脉冲相应图。见图2-2-3.

图 2-2-3 无刷直流电机霍尔传感器工作示意图

2.3 单片机控制最小系统
本次设计采用是AT89C51单片机来实现控制，单片机最小系统是可以让单片机工作最小硬件电路。除了单片机外，普通涉及单片机供电电路、复位电路和时钟电路等。如图2-3-1

图2-3-1 单片机最小系统
2.4光耦隔离电路
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传播具备单向性等特点，因而具备良好电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器输入端属于电流型工作低阻元 件，因而具备很强共模抑制能力。因此，它在长线传播信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离接口器件， 可以大大增长计算机工作可靠性。 光耦合器重要长处是：信号单向传播，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传 输效率高。
光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器构造相称于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接电气连接，这样既耦合传播了信号，又有隔离作用。

图2-4-1 光耦隔离电路
2.5 滤波电路和限幅电路
本次课程设计中由于是数字控制，因此在信号传播过程中，需要通过A/D转换，但是在A/D转换之前，需要将已有信号高次谐波滤去，然后通过限幅电路再传给A/D转换器

图2-5-1二阶低通滤波电路

图2-5-2 限幅电路
2.6 保护电路
2.7 主电路设计
本次课程设计中，主电路由整流电路、缓冲电路、逆变电路等构成，从而驱动无刷直流电动机运转。

图2-7-1 主电路设计
2.8 总控制电路设计
由于时间有限，为了硬件电路简便和软件编程易于实现，本次设计采用了无刷直流电机专用芯片Si9979CS。
Si9979CS可用于控制三相和单相无刷直流电机。规定无刷直流电动机带有霍尔传感器，可选取相位差为60°或120°电角度传感器位置关系。该芯片内部集成电压调节器，容许使用20～40V宽范畴直流功率电源。集成自举电路和充电泵电路，可觉得上桥臂开关管驱动电路供电
保护功能：直流保护、电流限制和欠压保护。当有故障信号输出时，表达也许浮现欠压、过流、失效或传感器信号错误组合。
2.9系统原理框图

图2-9-1  总体设计原理框图

考虑成本问题，主控芯片选用市场上普通AT89C51单片机作为主控中心，单片机输出与输入信号先通过光耦隔离（目消除干扰），运营时，一方面采集电机霍尔信号送主机进行解决，同步输出相应控制字，六个功率管提成上下臂两某些，通过控制字来控制上下臂有序导通，从而达到电机三相有序通电，使电机有序运转。电机运转同步，单片机对采集到霍尔信号做相应判断，对转速做到实时测量，并将测量成果送外围显示电路显示。总体设计原理图如图2-4所示。

3控制算法与系统软件设计
3.1转速控制器构造参数设计
为了实现零静差，参照书上设计办法，采用工程设计办法设计典型I系统速度控制器。
传递函数如下：

参数如下：
1. KS=24.57；
2. ts=0.087；

PI实现流程图如下：

图3-1-1
3.2电流控制器构造参数设计
为了实现零静差，参照书上设计办法，采用工程设计办法设计典型I系统速度控制器。
传递函数如下：

参数如下：
1. KI=0.019；
2. ti=0.002;
3.3采样周期选取
依照使用Si9979CS芯片，测出电机转速，从而依照这个转速得出采样周期。
软件测出电机转子转过60度时间dt，采样转速位转子转过120°采样一次，故:
=2
3.4控制算法和运算流程图
3.4.1算法思路及初始化简述
1.ADC0809采样：依照ADC0809数据手册，将IN0设立为采样，即为采样转速给定号地址为ADDA0=0,ADDA1=0,ADDA2=0.将IN1设立为电流采样信号，ADDA0=0,ADDA1=0,ADDA2=1。参照电压为+5V。

2.ASR、ACR参数初始化：两环当前误差输入e1、e2以及前一采样时刻误差e11、e22 输入均为0；两环当前输出值ui、uc以及前一采样时刻输出值uii、ucc均为0；由PWM规定和单片机定期器精度给定ucmax和uimax。详细过程如下：设将某下管导通120°内调速PWM波提成10周期。可得每周期时间（按3000r/min计算）为2dt/10=dt/5。一周期内高电平时间为。假设uc=1，则一周期PWM内高电平最短时间为。由于dt最小值（相应3000r/min）为约3.3ms，单片机延时最小精度为1us（12Mhz晶振），故推断分析有ucmax=100。这样，最高速下，PWM一种周期内高电平最短时间（此时uc=1）为6us。再设立uimax。知e2max=uimax。假设uimax×Ki=ucmax。得uimax=5263。假设，这样一来，e1max=214.21。而事实上e1输出最大值为100=314.1。意味着事实上，调速变阻器瞬间给定到三分之二位置时候ASR就已经饱和了。此时速度给定值就相应调速范畴最大值3000r/min。这也是本程序最大局限性。限于时间有限，并未解决。

3.电流检测中初始化:在电流检测中，由于,i=故β=1403.57。在程序中直接给出了β数值，并未设立变量表达。
4转速检测：本文采用Si9979CS芯片，在转子每次转过60°时候会输出一种低脉冲，这个脉冲引起中断，并在第一次进入中断时候开定期器，第二次进入时候关定期，读出转动60°所需要时间，循环往后，由此可以拟定转速。可以看出，测速方式为T法测速。更具T法测速计算测速误差公式

可以得出虽然在最高速时，=0.03，在本设计中该误差可以忽视，在更高精度设计中，这是不行。
并可以发现，采样周期为转子转过120°所需时间。
5.数字PI调节器设计思路：ASR、ACR控制算法采用积分分离增量式数字PI算法，这样一来，在大偏差时可迅速响应输入变化，同步也实现了稳态无静差。详细算法公式略。
PI实现流程图如图3-4-1。在ASR中。相应转速为100r/min，即为给定转速与反馈转速之差为100r/min为积分分离临界值。

图3-4-1

3.4.2运算流程图
、
图3-4-2

3.5系统软件设计
3.5.1系统初始化程序模块
void read_speed_online()//测速初始化模块
{
EA=1;
ET0=1;
TL0=0;
TH0=0;
TMOD=0X01;//定期器0工作在方式1；
EX1=1;
IT1=1;}
3.5.2主程序模块
void main()
{
uint8 t;
read_speed_online();
EX0=1；//诊断后刹车用中断
IT0=1;
while(1)
{
tsam=2*dt;//采样周期实时更新
read_speed_set();
e1=w0-w;
if(e1==0){ui=uii;goto next1;}
if((e1)>(10*3.14/3))//比例算法
{
ui=ks*e1;
}
else//增量式PI算法
{
ui=uii+(ks*(e1-e11)+((1/ts)*tsam*e1));
}
if(ui>=uimax)ui=uimax;
next1: uii=ui;
e11=e1;
////////////////////////////////////////////////////////////asr 完毕
read_i_online();
e2=ui-i;
if(e2==0){uc=ucc;goto next2;}
if((e2)>1)//比例算法
{
uc=ki*e2;
}
else//增量式PI算法
{
uc=ucc+(ki*(e2-e22)+((1/ti)*tsam*e2));
}
if(uc>=ucmax)uc=ucmax;
next2: ucc=uc;
e22=e2;
///////////////////////////////////////////////////////////acr 完毕
do{PWM=1;delay(uc*dt/500);if(dt!=0){PWM=0;delay((1-(uc/100))*(dt/5));}}while((inter2%2)==1);//每个管子导通120°时间提成10份，ucmax=100。
///////////////////////////////////////////////////////////PWM完毕
}
}
3.5.3编码脉冲—中断服务程序模块
void protect() interrupt 0
{
BRK=1;
}

void speed_online() interrupt 2
{
inter2++;
if((inter2%2)==1)
TR0=1;
if(inter2%2==0)
{
TR0=0;
dt=0x0000|TH0;
dt<<=8;
dt|=TL0;
dt=dt/1000000;//转换成秒
w=3.14/(3*dt);
TL0=0X00;TH0=0X00;
}

}
3.5.4速度环采样和调节控制模块
void read_speed_online()//速度环采样初始化
{
EA=1;
ET0=1;
TL0=0;
TH0=0;
TMOD=0X01;//定期器0工作在方式1；
EX1=1;
IT1=1;
}
void speed_online() interrupt 2//中断法采样速度
{
inter2++;
if((inter2%2)==1)
TR0=1;
if(inter2%2==0)
{
TR0=0;
dt=0x0000|TH0;
dt<<=8;
dt|=TL0;
dt=dt/1000000;//转换成秒
w=3.14/(3*dt);
TL0=0X00;TH0=0X00;
}
}
void read_speed_set()//采样
{
STR=0;
ADDA0=0;
ADDA1=0;
ADDA2=0;
ALE=0;
delay(1);
ALE=1;
STR=1;
delay(1);
STR=0;
while(EOC);
w0=P0;//这样写，w0有255档；
w0=100*3.14*w0/255;//rad/s
}
ASR某些见主程序。
3.5.5电流环采样和调节控制模块
void read_i_online()//电流环
{
STR=0;
ADDA0=0;
ADDA1=1;
ADDA2=0;
ALE=0;
delay(1);
ALE=1;
STR=1;
delay(1);
STR=0;
while(EOC);
i=P0;//这样写，i有255档
i=1403.46667*3.75*(i/255);
}
ACR某些见主程序模块

4仿真（实验）成果分析
。
图4.1为无刷直流电机Simulink仿真框图。此设计为无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统，其重要某些为无刷直流电机模型、逆变桥、转子位置译码器、ASR、控制电平转换装置及PWM波形发生器及等。其基本工作原理为给定转速（Speed Reference）与转速（Rotor speed）相减较后输入到ASR（转速调节器）计算出控制信号后在输入到后边控制电平转换装置以产生PWM发生器给定信号，最后PWM波输入到译码器中与霍尔信号和转速偏差信号进行逻辑运算生成逆变桥开关器件控制信号以实现无刷直流电机可逆调速。
其中最核心某些为转子位置译码器、ASR。和PWM波形发生器及控制电平转换装置，下面将重点论述这几某些设计原理。

图4.1 无刷直流电机仿真
无刷直流电机模型：在Matlab中，无刷直流电机模型即可以用Simulink中提供电感、电容等电路元件依照其数学模型建立仿真模型，也可以用S-function编程建立模型。本设计直接采用了Simulink\SimPowerSystems\Machines中提供Permanent Magnet Synchronous Machine（永磁同步电机）模块，将其反电动势波形设立为梯形波即为无刷直流电机模型。电机参数设立如图4.2所示。

图4.2 电机参数设立
其详细含义为：
Stator phase resistance Rs:定子相电阻 2.8750
Stator phase inductance Ls:定子相电感 0.0085H
Flux linkage established by magnets：磁链常数
Voltage constant：电压常数
Torque Constant：转矩常数
Back EMF flat area:反电动势平顶宽度120°电角度
Inertia，fiction factor and pole pairs:转动惯量0.8e-3 kg.m^2，摩擦系数1.98e-3N.m.s，极对数4
在此参数条件下，可知当直流电压为450V，电机采用三相两两通电驱动方式，空载转速为3000rpm左右。
4.1 换向逻辑控制模块
此模块功能为将3霍尔传感器信号与结合PWM信号和转速偏差信号译码产生逆变桥开关器件控制信号，从而实现对逆变桥受限式单极性控制和无刷直流电机可逆调速。
此模块构造如下图：

图4-1-1系统Decoder模块
此模块有3个输入端一种输出端，它们分别为：
Input1：三个霍尔信号
Input2：PWM信号
Input3：转速偏差信号
Output1：逆变桥开关器件控制信号
此模块重点在于Hall2EMF Decoder、EMF2ControlSingal Forward、EMF2ControlSingal Backward三个子系统，它们结合起来共同实现了无刷直流电机换相逻辑控制，下面重点论述其设计原理。
无刷直流电机驱动方式与老式直流电机有着主线区别。相对于老式直流电机，无刷直流电机驱动装置要复杂某些。驱动无刷直流电机核心问题是定子多相绕组要配合转子磁极位置按一定顺序通电也即换相，从而使定子与转子磁场互相作用产生最大转矩。下面将以采用两两通电方式三相两极无刷直流电机控制系统为例，对其驱动过程进行系统分析。

图4-1-2 无刷直流电机传感器位置示意

图4.4中H1、H2、H3是三个霍尔传感器空间位置。霍尔元件位置安排上，有60°、120°、240°、300°几种。电机电流换向顺序由制造厂商基于这两种摆放形式制定，当咱们控制电机时候就需要用到这种换向顺序。这里采用相隔120°安排。
换相原理：采用两两通电方式时，每一次换向都会有一组绕组处在正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。转子永磁体磁场和定子钢片产生磁场互相作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为 90°时会产生最大转矩，当这两个磁场重叠时转矩变为 0，为了使转子不断转动，那么就需要按顺序变化定子磁场，就像转子磁场始终在追赶定子磁场同样。
换相时序：图4.6阐明了霍尔元件输出与各相绕组反电动势关系。由于转子为两极永磁极（极对数为1），因此每个霍尔元件0和1状态都会维持180°电角度才会切换。每隔 60°其中一种霍尔元件就会变化一次其输出特性，那么转子旋转一圈（一种通电周期）下来3个霍尔元件状态就会有六种不同组合，这就是三相绕组通电信号。如果转子磁极极对数不为1，每完毕一种通电周期并不会使转子转动一周，转子转动一周需要通电周期数目和转子上磁极对数有关，转子有多少对磁极那么就需要多少个通电周期。

图4-1-3 霍尔元件输出与反电动势
表4.1和表 4.2表达是电机基于霍尔输入时在A、B、C绕组上通电时序。表4.1是转子顺时针转动时序，表4.2是转子逆时针转动时序。上面两个表格显示是当霍尔元件呈 120°排列时驱动波形，前面也提到霍尔元件还可以呈 60°等其她夹角排列，那么这个时候就需要相应驱动波形，这些波形都可以在电机生产商资料里找到，应用时需要严格遵守通电时序。
表4.1正转逻辑控制表
H1
H2
H3
Phase A
Phase B
Phase C
1
0
1
+V
-V
NC
1
0
0
+V
NC
-V
1
1
0
NC
+V
-V
0
1
0
-V
+V
NC
0
1
1
-V
NC
+V
0
0
1
NC
-V
+V
表4.2反转逻辑控制表
H1
H2
H3
Phase A
Phase B