1、电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 1 页直流无刷电机 电动车控制器 设计白皮书 文档版本：V2 日期: 2013-05-28 整理：程序匠人 （图片仅供参考） 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 2 页目录 一、 概述 .6 1、 前言 .6 2、 原理概述 .6 3、 技术参数 .7 4、 常见功能 .7 二、 电机驱动 .9 1、 原理简介 .9 2、 电机驱动电路 .9 3、 自举电路（高压浮栅型驱动电路） .10 4、 为什么要减慢 MOS 管的开启速度 11 三、 电机分类 .12 1、 按电机输出传动方式区分 .12 2、 按电机转速区分 .13 四、 电子换相 .1
2、4 1、 关于相角 .14 2、 相角检测电路 .14 3、 如何确保换相的及时性 .14 4、 如何确保换相的准确性 .15 5、 相位错乱保护 .16 6、 为什么 60电机被淘汰 16 7、 如何换相 .17 8、 电机线圈绕组的正 /反区别及其对锁电机功能的影响 18 五、 相位兼容与学习 .19 1、 如何兼容 120与 60两种不同相位角的电机 .19 2、 人工对相 .19 3、 相位自学习功能 .21 4、 缺相补偿功能 .24 六、 同步续流 .25 1、 同步续流的概念 .25 2、 同步续流原理分析 .25 3、 死区时间 .27 4、 同步续流的硬件实现 .27 5、
3、同步续流的芯片实现 .29 七、 *速度处理 .31 1、 模糊控制方式 .31 2、 无级调速 .31 3、 把手调速 .32 4、 限速功能选择 .32 八、 限流驱动 .33 1、 “双闭环控制”中的“电流环” .33 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 3 页2、 电流检测电路 .33 3、 峰值电流（相电流）和平均电流 .33 4、 如何采样峰值电流 .34 5、 数字滤波 .35 6、 限流控制规则 .35 7、 关于 PWM 调整精度（分辨率） .36 九、 换相转矩脉动及补偿 .37 1、 启动时常见问题：振动、噪音、启动慢 .37 2、 解决方法换相补偿 .37 3、
4、换相补偿功能的启动和退出时机 .37 4、 换相补偿注意事项 .38 十、 *信号采集 .39 1、 电机电流 .39 2、 把手电压 .39 3、 电源电压 .39 4、 车速检测与计算 .39 十一、 短路保护 .41 十二、 刹车、 EABS 与反充电功能 42 1、 普通刹车 .42 2、 电子刹车（ EABS） .42 3、 EABS 的反充电效果 42 十三、 堵转保护 .43 1、 堵转保护说明 .43 2、 如何识别堵转 .43 十四、 欠压保护 .44 1、 欠压保护说明 .44 2、 如何识别欠压 .44 十五、 上电自检 .45 1、 把手异常保护 .45 2、 上电 M
5、OS 管短路保护 45 十六、 故障显示 .46 十七、 巡航功能 .47 1、 如何区分手动 /自动巡航 47 2、 手动巡航 .47 3、 自动巡航 .47 十八、 1:1 助力功能 .48 十九、 电机锁功能 .49 二十、 电源电路 .50 二十一、 主流方案 .51 二十二、 附录 .52 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 4 页图片目录 图 1：电动车控制系统原理框图 6 图 2：无刷电机驱动接法 7 图 3：控制器软件系统结构图 7 图 4：直流无刷电动机的控制原理简图 9 图 5：电机驱动电路 10 图 6：轮毂式电机 12 图 7：中置式电机 12 图 8：摩擦式电机
6、 12 图 9：霍尔传感器安装位置示意图 14 图 10：相角检测电路 15 图 11：换相时序图 17 图 12：正绕/反绕时各自的输出时序对比图 18 图 13：电机相线输出序列 21 图 14：不同类型的电机相位替换示意图 23 图 15：上管导通时的电流通道 25 图 16：上管关闭时的电流通道 26 图 17：开启同步续流后电流通道 26 图 18：同步整流电路 27 图 19：PWM 截波与死区控制电路 .28 图 20：处理后波形示意图 28 图 21：A 相驱动电路的实际电路 .29 图 22：芯片内部带死区控制的 PWM 模块 30 图 23：转把信号检测电路 32 图 24
7、：电流检测电路 33 图 25：电流采样时机 34 图 26：换相波形 37 图 27：短路检测电路 41 图 28：刹车检测电路 42 图 29：电池电压检测电路 44 图 30：电源电路 50 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 5 页表格目录 表 1：MOS 管控制真值表 .10 表 2：位置传感器信号 14 表 3：换相表 17 表 4：反绕电机的换相表 18 表 5：兼容 60 /120的换相表 19 表 6：120霍尔线 6 种接法 20 表 7：60霍尔线 6 种接法 20 表 8：电机相线固定输出序列 21 表 9：8 种正确的输入序列 .22 表 10：输入与输出的 6
8、 种对应关系 23 表 11：E2PROM 中数据保存保存格式 .24 表 12：速度传递优先级表 31 表 13：无刷电机 PWM 占空调节规律(模糊控制方式) 31 表 14：无刷电机 PWM 占空调节规律(模糊控制方式) 36 表 15：主流厂家方案一览表 51 表 16：常见芯片方案一览表 51 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 6 页一、概述 1、前言 电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，它就象是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。电动车就目前来看主要包括电动自行车、电动二轮摩托车、电动三轮车、电动三轮摩托车、
9、电动四轮车、电瓶车等。电动车控制器也因为不同的车型而有不同的性能和特点。 早期的控制器方案是采用摩托罗拉的无刷马达驱动芯片 MC33035 加上适当的外围电路来实现。但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能。一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了硬件电路芯片。 在这篇文章中，我们将全面地论述电动车控制器设计的各个细节。 2、原理概述 电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。电动自行车的原理和结构都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成。蓄电池经过一个控制器给一个电机送电，电机放在后车轮中，电机的
10、旋转带动自行车的行进。电动自行车的控制器连接一个调速把手（又称为把手） ，在脚踏中轴上装有助力传感器，转动调速把手可以让控制器检测到不同的电压值，控制器根据电压值大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机的转速。 （见 图 1：电动车控制系统原理框图 ） 。 图 1：电动车控制系统原理框图 控制器无刷电机控制的方法是根据电机的位置反馈信号，控制电机三相驱动上下臂MOS 管的导通和截止，从而实现电子换相。如（ 图 2：无刷电机驱动接法 ）所示，电机为三角形连接，三相驱动上下臂各 MOS 管导通顺序组合为： V1-V2， V2-V3, V3-V4， V4-V5，V5-V6， V6-V1。
11、把手 控制器 电机 蓄电池 助力传感器 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 7 页图 2：无刷电机驱动接法 MCU 主要任务是进行把手调速电压检测，电池电压检测，电流检测，过流中断检测， 3路霍尔位置信号检测，刹车信号检测， 1： 1 助力检测，巡航按钮检测，故障显示输出， PWM控制电机转速输出， 6 路电机驱动输出。基本的系统方框图见（图 3：控制器软件系统结构图） 。 图 3：控制器软件系统结构图 3、技术参数 （ 1）电源电压： 48V （ 2）电机功率： 350W （ 3）电池欠压保护： 41.5V 0.5V （ 4）调速电压： 1.1V 4.2V 4、常见功能 （ 1）把手调
12、速：根据把手电压进行电机的无级调速。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 8 页（ 2）限速选择：可以通过跳线选择限速功能（ 20Km/H） 。 （ 3）手动巡航功能：手动巡航按钮触发后，电动车进入巡航状态，保持在当前速度行驶；再次触发巡航按钮、刹车、把手旋转或发生故障后撤销巡航。 （ 4）自动巡航功能：把手固定在一个速度上并维持 8 秒不变，电动车进入巡航状态；刹车、把手旋转或发生故障后撤销巡航。 （ 5）故障显示： LED 指示。 （无短路、堵转、上电把手异常等故障时，指示灯灭；发生上述故障时，指示灯亮） （ 6）相位兼容：可自动识别 60和 120电角度的无刷电机。 （ 7）限流保
13、护：流过电池端的电流最大值维持在 17A 1A。 （ 8）短路保护：当主控芯片检测到电路发生短路故障时，将立即关闭电机输出，以对电机和功率管进行保护；重新上电后撤销保护。 （ 9）刹车保护： 48V 电平刹车，将关闭电机输出；刹车释放后撤销保护。 （ 10）堵转保护：电动自行车超载，爬坡，或者前行阻力过大时，若导致电机出现停止转动的状况。则控制器在几秒后关闭电机输出；调速把手复位后撤销保护。 （ 11）欠压保护：当电源电压连续 3S 低于 41.5V 0.5V 时，停止电机输出；电压正常后撤销保护。 （ 12）相位错乱保护：当传感器输入相位连续错乱时，关闭电机输出；把手复位后撤销保护。 （ 1
14、3）上电把手异常保护：上电时，如果把手位置未处于关闭位置，则关闭电机输出，以防止飞车状况的出现；调速把手复位后撤销保护。 （ 14） 1:1 助力：电动车会根据 1： 1 助力传感器反馈的信号提供 1:1 助力。 （ 15）防飞车保护：把手失灵时，控制器将立即关闭电机输出。 （ 16）电机锁：当报警器给控制器的电机锁信号端提供低电平锁车信号后，控制器将自行切换到电机锁定状态，致使车辆无法被推动行走，报警锁电机信号撤消后，恢复正常。 （ 17） 48V 电门锁：根据报警器提供的 48V 信号的有无，决定电动车是否能启动。 （ 18）倒车：可通过开关的控制，实现正常行使和倒车的切换。 （ 19）普
15、通刹车：在刹车启动时，通过关闭电机电源，提供辅助刹车功能。 （ 20）电子刹车：在刹车启动时，通过控制电机的阻力，提供辅助刹车功能。 （ 21）三速：将转速分为 3 档（ 1 档为最高转速的 65%， 2 档为最高转速的 78%， 3档为最高转速的 100%） ，通过单按键的方式切换，把手归零，当前档位不变。 （ 22）内置报警：不用外接报警器，将报警器集成在控制器内部，当电门锁关闭 8 秒后，电动车有推动时会发出报警音同时锁死电机。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 9 页二、电机驱动 1、原理简介 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有
16、已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能主要是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。见（ 图 4：直流无刷电动机的控制原理简图 ） 。 图 4：直流无刷电动机的控制原理简图 电机转动时，永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120的 H3、 H2、 H1方波，从而产生有效的六状态编码信号： 101、 100、 110、 010、 011、
17、001。通过 MCU 进行识别， 并输出对应的控制信号令各功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。 也就是说，一共有 6 个节拍状态，周而复始。 每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器 U、 V、 W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进 60电角度，如此循环，直流无刷电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。 2、电机驱动电路 电机驱动电路包括 3 个基本相同的部分，分别用于驱动 U、 V、 W 三个相位。我们给出
18、其中一个相位的驱动电路，见（ 图 5：电机驱动电路 ） 。这是一个具有三态输出控制的驱动电路。我们对该电路进行简要的分析： 当 WH_OUT=1 时， Q12、 Q15、 D8 分别导通， V5 也随之导通；反之，如果 WH_OUT=0时， Q12、 Q15 截止，而 Q21 导通， V5 关闭。 当 WL_OUT=0 时， Q9， Q6 分别导通， V6 也随之导通；反之，如果 WL_OUT=1 时，Q9， Q6 截止，而 Q18 导通， V6 关闭。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 10 页图 5：电机驱动电路 根据前面的分析，我们可以得到控制真值表，见（ 表 1：MOS 管控制
19、真值表 ） 。也就是说，只要合理地控制 WH_OUT 和 WL_OUT 上的电平状态， 就可以让上下桥臂 MOS 管输出我们需要的控制信号。 WH_OUT WL_OUT V5 V6 输出 0 0 截止 导通 低 0 1 截止 截止 高阻态 1 0 导通 导通错误！在这种状态下， 上下桥臂 MOS 管同时导通， 会导致短路烧毁！ 1 1 导通 截止 高 表 1：MOS 管控制真值表 R83 是一个康铜丝电阻，用于采样工作电流。 3、自举电路（高压浮栅型驱动电路） 在（ 图 5：电机驱动电路 ）中 C28（ 47uF/50V）为自举电容。该图中的上桥驱动电路叫“自举电路” ，正式点的说法是“高压浮
20、栅型驱动电路” 。 很多人可能会问：为何上桥的驱动电路如此复杂？ 很显然，这么复杂的电路一定有其用途。如果要简单一点的话，上桥的功率开关直接用P 沟道的 MOSFET 来做就可以，这样驱动电路会简单很多。但 P 沟道的功率 MOSFET 又贵又难买，为了节省成本，只能用 N 沟道的代替。但 N 沟道的 MOSFET 导通时其栅极 G 的电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 11 页电压必须比源极 S 高出 10V 以上才能保证完全导通。这样在上桥导通时，假设电源电压为48V，那么上桥栅极的电压就必须比电源电压高 12V,也就是大于 60V 才行。但怎样获得比电源电压还高的驱动电压呢？一般情
21、况可以通过变压器耦合驱动信号， 电荷泵升压提供高压等方法。而在这里，则采用了一种叫做 “高压浮栅型驱动电路 ”来驱动上桥。 顾名思义，浮栅驱动的栅极是浮动的，这是一个很形象的描述，我们根据线路图来分析一下栅极是怎样 “浮动 ”起来的。 我们先看一下 C28 的接法，这是整个驱动的关键所在。 C28 正极通过二极管 D5 接到15V 电源 （实际在 13V 左右） ， 负极很奇怪地接到电机的相位线， 与它所驱动的 MOSFET V5的源极接在一起。在电机不动的情况下，所有的 MOSFET 关闭，此时 C28 通过二极管 D5、电阻 R86 充电至 13V。 当 V5 导通使电源电压加至负载， 也
22、就是 V5 的源极电压会升高至 48V， 而此时由于 C28充满电， C28 上的电压仍然是 13V，所以可以维持 Q15 的导通并使 V5 栅极的电压始终保持高于源极，这样 V5 的栅极就好像随着源极电压浮动而浮动，所以叫做 “浮栅驱动 ”。 如果 C28足够大， 那么可以在相当长的一段时间内保证 V5的驱动电压在合理的范围内。 当 V5 被关闭，而此时由于另两组中的一组之下桥维持在导通状态，电容 C28 就会通过电机绕组和该下桥迅速充电补充电能，为下一个周期做准备。 从上面的过程可以看出，电容 C5 的充电量应该是越大越好。但电容大了，可能二极管来不及给电容充电；电容小了，又不能保证导通时
23、间，所以这种驱动不能使 V5 长时间维持在导通状态。这也是为什么 PWM 信号要耦合到上桥的一个原因。 4、为什么要减慢 MOS 管的开启速度 其次对于这个驱动电路有人还会产生一个疑问：按理说用作功率开关的 MOSFET，为了减少开关损耗，应尽量避免 MOSFET 工作在放大状态。按照这个原则，驱动 MOSFET 的电平应该是快速上升、快速下降，而且这个速度是越快越好。但此电路中增加了电阻 R82、R73，电容 C32、 C37，这四个元件在这里的作用显然有悖于快升快降的原则。 实际上这四个零件在电路中的作用也确实是有意减慢 MOSFET 的开启速度，使驱动MOSFET 的电压波形上升沿没那么
24、陡峭。 为什么要这样做呢？ 这个要从 MOSFET 的结构来看， MOSFET 本身各极之间存在极间电容，这个电容被称为密勒电容。而我们现在这种上下桥类似推挽结构的电路，上桥导通时，由于下桥漏极的电压急剧升高，这种电压变化会通过下桥的密勒电容传递给下桥的栅极，我们把上桥导通时下桥漏极电压升高的速度以 v/t 表示，当 v/t 足够大时，传递给下桥栅极的电荷便会积蓄到足以使下桥导通的地步，这样就会导致上下桥直接将电源短路。而解决这个问题最简单的办法，就是让上下桥开通的速度不要那么快，所以加上阻容延时。 并且这里的电阻电容还有吸收部分冲击电压的功效 ,这里就不多做描述了。 电动车直流无刷电机控制器
25、 设计白皮书 第 12 页三、电机分类 电机是将电池电能转换机械能，驱动电动车轮旋转的部件。在电动车上使用的电机，其机械结构、转速范围与通电形式上有许多种。常见的有：有刷有齿轮毂电机、有刷无齿轮毂电机、无刷无齿轮毂电机、无刷有齿轮毂电机、高磁盘电机、侧挂电机等。 1、按电机输出传动方式区分 （ 1）轮觳式 图 6：轮毂式电机 轮觳式电机一般是直接安装在后轮中轴，也就是所谓的后轮驱动（也有个别是前轮驱动） 。电机采用外转子形式（跟吊扇电机一样） ，为低速电机，直径较大，省去了传动装置，电机直接驱动后轮。 轮觳式结构简单，外形好，但电机轴受力大，对电机要求高。一般电动自行车都是使用此种电机。 （
26、2）中置式 图 7：中置式电机 中置式电机是安装在电动自行车的中间位置 （也就是自行车脚踏） 处， 通过传动装置 （如链条 +飞轮）传动给后轮。通常采用高速电机，直径较小，转子为内轴（与常见的电机形式一样） 。 中置式结构较复杂，但电机轴受力小，对电机损害小。中置式电机的市场份额很小。 （ 3）摩擦式 图 8：摩擦式电机 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 13 页摩擦式电机是通过带动车轮外胎来驱动的。结构较简单但对车轮外胎损坏较大，而且雨天打滑。 电动自行车很少选此种电机。一般用于自行车的改装。 2、按电机转速区分 （ 1）低速大力距电机直接驱动式 由于省去减速箱，故噪音小，结构简单，
27、可靠性高。但和后者相比，重量要重。 （ 2）高速电机减速式 轮式宜采用低速直接驱动，而中置式一般为高速电机减速式。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 14 页四、电子换相 1、关于相角 无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称， 指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。在业内， “相角”又被大家习惯性称为“相位角”或“相位” 。相角是通过安装在电机内部的三个位置传感器（霍尔开关）来检测的。由于位置传感器安装位置的不同，电动车用无刷电机常见的相位角有 120与 60两种（参见 图9：霍尔传感器安装位置示意图 ） 。这两种不同相角，对应的信号序列有所不同，见（ 表
28、2：位置传感器信号 ） 。 图 9：霍尔传感器安装位置示意图 120电机霍尔信号 60电机霍尔信号 节拍 U（ A） V（ B） W（ C） U（ A） V（ B） W（ C） 1 1 0 0 1 0 0 2 1 1 0 1 1 0 3 0 1 0 1 1 1 4 0 1 1 0 1 1 5 0 0 1 0 0 1 6 1 0 1 0 0 0 表 2：位置传感器信号 针对 120与 60两种不同的相位角， 可以通过跳线来选择。 也可以通过软件自动识别。 2、相角检测电路 相角信号检测电路见（ 图 10：相角检测电路 ） 。 3、如何确保换相的及时性 控制器对信号的检测必须及时。如果不及时，将会
29、出现电机失步、效率下降、换相错误、噪声变大等问题，严重的还会导致 MOS 管、电机烧毁。 如何及时换相？关键是要及时检测到相角信号的变化。有两种方法： （ 1）方法一：定时查询 一般是通过高频率的定时中断（时间间隔控制在 120us 以下） ，来定期查询霍尔信号的变化。这种方法，一般需要占用一个定时器中断（也可以考虑使用 PWM 中断（ 64us） ） 。 解释一下为什么定时中断必须控制在 120us 以下。 市面上普通的无刷电机在最高转速时(考虑到顺风和下坡的情况 )每 1.2ms左右换相一次。 根据实际的使用效果， 软件必须在 120us以内检测到换相信号并且输出换相驱动信号。但是，这种方
30、法只能用在普通电机上，对于高电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 15 页速电机来说，是很难满足其快速的变相速度要求的。 图 10：相角检测电路 早期的 PIC 的方案中，也曾经有人用在主程序中查询的方法来做。 使用定时查询方法，需要频繁的检测。对单片机来说，会浪费较多的时间资源，产生很大的负担，因此不建议使用定时查询法。 市面上很多厂家仍旧沿袭了老的传统的定时查询的方式，比如，无锡协昌，就是采用PWM 中断（ 64us）来做定时查询。 （ 2）方法二：电平变化翻转中断 当霍尔产生电平变化时产生中断来实现。这种方法，一般都可以利用芯片的 3 个外部中断口或电平翻转中断口来实现。 需要注意的
31、是，如果使用外部中断口来检测，必须设置为边沿（含上升沿和下降沿）触发模式。 使用电平变化翻转中断来检测，最好是芯片的外部中断口具备了硬件消抖滤波功能。这样可以避免因为干扰误触发频繁进入中断。 4、如何确保换相的准确性 如何准确换相？首先要确保读入的相角是正确的，滤除干扰信号、检测出错相故障。 （ 1）鉴相处理（微妙级的消抖滤波） 在大电流运行时，霍尔信号容易被干扰，导致频繁进入中断，如果不加处理，换相就会错误。这就需要 “鉴相” 。 鉴相的方法是：当进入中断程序后，在读取霍尔信号时，连续检测到 N 次（ N=36）相电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 16 页同的信号才认为该信号是有效信
32、号。鉴相的本质其实就是微妙级的消抖滤波。 N 代表了消抖滤波的时间常数， 该值的选择要视指令速度而定。 目前 350W 电机在 48V 电压下不带负载工作的情况下全速运行的换相处时为 2us 左右。因此只要让“连续 N 次读取信号的执行时间”约等于 2us 即可。 有些芯片可以对外部中断口信号进行硬件滤波， 以避免因干扰信号而导致的频繁的中断误触发。如果其滤波时间常数合适的话，也可以考虑选用。 （ 2）错相检测 取得换相信号后，我们将其与上次读到的值做对比，如果相同，则表示没有换相，如果不同，则还需要进一步判断是否有错相。 错相一般是因为电机中霍尔元件损坏、线路出现故障、或者是接错线之类原因引
33、起的。 错相判断规则有两种。 先说第一种规则。我们知道一个 3 位的二进制数，可以表示 8 种状态（ 000， 001， 010，011， 100， 101， 110， 111） 。而位置传感器的实际有效信号只有 6 个，对于 120电机来说，000B 和 111B 是非法信号；对于 60电机来说也用两个非法信号。 （见 表 2：位置传感器信号 ） 。这种非法信号，即为错相。 另一种规则是这样的。电机的相角变化是有规律的，举个例子，假设当前相位信号为101B，那么正转一拍后，应该为 100B；如果出现其它信号都可以视为错误。 很显然，第二种判断规则比第一种更“苛刻” 。在行业内，有些人只判断第
34、一种规则，而不判断第二种规则。这样做的目的是为了避免“误判” 。 检测到错相之后，要执行相应的故障保护动作，一般是关闭电机，等待把手复位后再启动。 5、相位错乱保护 当传感器输入相位连续错乱时，关闭输出；调速把手复位后撤销保护。 6、为什么 60电机被淘汰 市面上有两种电机，即所谓的 120和 60霍尔信号，这个角度代表三个霍尔器件输出的三相电信号其相位角相差的角度，其实这里面的区别仅仅是电平的不一样。在马达内部的安装上，位置没什么不同，只是中间一相的传感器安装面相反，所以仍然是六种信号对应六种驱动，软件上将相位表稍作调整即可。 需要提一下的是，在 120的霍尔信号中，不可能出现二进制 000
35、B 和 111B 的编码，所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因为霍尔元件是开路输出，高电平依靠电路上的上拉电阻提供，一旦霍尔零件断电，霍尔信号输出就是 111B。一旦霍尔零件短路，霍尔信号输出就是 000B。 而 60的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现，所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。 目前市面电机已经逐渐舍弃 60相位的霍尔排列。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 17 页7、如何换相 控制器根据电机位置传感器反馈的相角信号，判断出转子永磁体位置，并作出相应得换相动作，控制电机三相驱动上下臂 MOS 管的导通和截止，从而实现电子换相。这个过程可以使用
36、逐项比较法，查表法等来实现。鉴于查表法比较快捷，一般使用查表法。 （见 表3：换相表 和 图 11：换相时序图 ） 120电机霍尔信号 60电机霍尔信号 输出信号 节 拍 U（A） V（B） W（C） U（A） V（B） W（C） 开通上管 开通下管 1 1 0 0 1 0 0 U（A） W（C） 2 1 1 0 1 1 0 V（B） W（C） 3 0 1 0 1 1 1 V（B） U（A） 4 0 1 1 0 1 1 W（C） U（A） 5 0 0 1 0 0 1 W（C） V（B） 6 1 0 1 0 0 0 U（A） V（B） 表 3：换相表 图 11：换相时序图 电动车直流无刷电机控制
37、器 设计白皮书 第 18 页8、电机线圈绕组的正 /反区别及其对锁电机功能的影响 在业内，绕组的“正绕反绕” ，又被称为“左出线 /又出线” 前面介绍的基本上都是假设电机绕组为正。当电机绕组为反方向时，换相表也要做相应的调整。 （见表 4：反绕电机的换相表） 。仔细观察正绕和反绕时各自的输出时序，是完全反向的，或者也可以说两者的相位角相差了 180（参见图 12：正绕 /反绕时各自的输出时序对比图） 。 120电机霍尔信号 60电机霍尔信号 输出信号 节 拍 U（A） V（B） W（C） U（A） V（B） W（C） 开通上管 开通下管 1 1 0 0 1 0 0 W（C） U（A） 2 1
38、1 0 1 1 0 W（C） V（B） 3 0 1 0 1 1 1 U（A） V（B） 4 0 1 1 0 1 1 U（A） W（C） 5 0 0 1 0 0 1 V（B） W（C） 6 1 0 1 0 0 0 V（B） U（A） 表 4：反绕电机的换相表 由于存在着绕组的正反之别，所以在实现锁电机功能时要特别注意。因为我们在实现该功能时要先判断电机的人为推动转向，然后反向施加阻力，阻止盗贼推走电动车。如果程序中错误认定了绕组的正反，识别出来的电机人为推动转向正好相反，即输出的阻力也正好相反，有可能阻力就变成了推力。届时不但锁不住电机，反而会产生助推的效应。 图 12：正绕/反绕时各自的输出时
39、序对比图 解决方法：在程序中，设立一个代表绕组方向的标志。 对于人工对相操作方式来说， “绕组方向标志”可以事先在程序初始化中固化（或用条件编译） ，也可以用跳线形式选择。 对于相位自学习操作方式来说， “绕组方向标志”可以通过判断输入相位序列的正 /反来进行学习，也可以通过人工旋转一下把手（或者捏一下刹车）来取反。学习到的“绕组方向标志”可以放入 E2PROM 中。 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 19 页五、相位兼容与学习 1、如何兼容 120与 60两种不同相位角的电机 针对 120与 60两种不同的相位角， 可以通过跳线来选择。 也可以通过软件自动识别。从而实现兼容。 我们仔
40、细观察（ 表 3：换相表 ）会发现以下一些规律： （ 1）在 6 个节拍中，节拍 1、 2、 4、 5 中 120和 60电机霍尔信号是完全一样的； （ 2）在节拍 3、 6 中 120和 60电机霍尔信号是不一样的； （ 3）在 120中的节拍 3、 6 霍尔信号为 010B、 101B，这两个二进制数在旁边的 60电机霍尔信号列表中并没有出现； （ 4）反之，在 60中的节拍 3、 6 霍尔信号为 111B、 000B，这两个二进制数在旁边的120电机霍尔信号列表中也没有出现； （ 5）不管哪个节拍，他们的输出上管和下管都是一样的。 因此，我们可以把两种电机的换相表合并成这样（见 表 5：
41、兼容 60 /120的换相表 ） ： 电机霍尔信号 输出信号 节拍 说明 U（A） V（B） W（C） 开通上管 开通下管 1 60/120 1 0 0 U（A） W（C） 2 60/120 1 1 0 V（B） W（C） 120 0 1 0 3 60 1 1 1 V（B） U（A） 4 60/120 0 1 1 W（C） U（A） 5 60/120 0 0 1 W（C） V（B） 120 1 0 1 6 60 0 0 0 U（A） V（B） 表5：兼容60 /120的换相表 在程序中把霍尔信号作为查表的输入， 则上表中 6 个节拍中的 8 种二进制组合状态正好涵盖了全部的二进制排列可能性，既
42、没有冲突重叠的，也没有遗漏的。按照这张表格查表求输出，就可以实现对 120与 60的兼容。 2、人工对相 在不知道电机的相线及霍尔线与控制器端相应线的对应关系时， 我们一般都是把所有的接线组合逐个测试，直到找出正确的接线方法。这也就是所谓的“人工对相” 。 电机的 3 根霍尔信号线，如果随机接，那么一共有 6 种接法；同样， 3 根电机相线也有6 种接法；二者合在一起，排列组合之后一共有 36 种接法。对于不带相位自学习功能的控制器来说，这 36 种接法中，有多少种接法是正确的呢？ 我们分别针对 120与 60两种电机，根据其输入霍尔线的 6 种接法来分析之。 （ 1） 120电机 首先看 1
43、20电机，由于其传感器信号的相位差为 120， 3 个信号正好在 360中实现电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 20 页等分，所以无论霍尔线怎么接，其输入序列（如果不考虑转向）只有一种（定义为类型 0）（参见 表 6：120霍尔线 6 种接法 ） 。即： 类型 0： 4、 6、 2、 3、 1、 5。 其中，接法 1、接法 3、接法 5 为正向序列。接法 2、接法 4、接法 6 为反向序列。 120 接法1 接法2 接法3 接法4 接法5 接法6 节拍 U V W 十进制 W V U 十进制 WUV十进制UWV十进制VWU 十进制 V U W十进制1 1 0 0 4 0 0 1 1 0
44、10 2 1004 001 1 0 1 0 22 1 1 0 6 0 1 1 3 011 3 1015 101 5 1 1 0 63 0 1 0 2 0 1 0 2 001 1 0011 100 4 1 0 0 44 0 1 1 3 1 1 0 6 101 5 0113 110 6 1 0 1 55 0 0 1 1 1 0 0 4 100 4 0102 010 2 0 0 1 16 1 0 1 5 1 0 1 5 110 6 1106 011 3 0 1 1 3类型 0 表 6：120霍尔线 6 种接法 每一种输入（霍尔信号）接法，其对应的 6 种输出（电机相线）接法，必然只有一种能够正常驱动
45、电机，其它 5 种输出接法都不能正常驱动。 这也就是意味着，对于 120电机， 36 种接法中，有 3 种正转接法， 3 种反转接法。 120电机对相成功的概率为 3/36（即 1/12） 。 （ 2） 60电机 再看 60电机， 由于其传感器信号的相位差为 60， 3 个信号无法在 360中实现等分，所以其输入序列（如果不考虑转向）将有三种（定义为类型 1、 2、 3） （参考 表 7：60霍尔线 6 种接法 ） 。即： 类型 1： 4、 6、 7、 3、 1、 0； （见接法 1、接法 2） 。 类型 2： 2、 3、 7、 5、 4、 0； （见接法 3、接法 4） 。 类型 3： 1、
46、 5、 7、 6、 2、 0； （见接法 5、接法 6） 。 其中，接法 1、接法 3、接法 5 为正向序列。接法 2、接法 4、接法 6 为反向序列。也就是说，每种类型都只有一种正确的正向序列，一种正确的反向序列。 60 接法1 接法2 接法3 接法4 接法5 接法6 节拍 U V W 十进制 W V U 十进制 WUV十进制UWV十进制VWU 十进制 V U W 十进制1 1 0 0 4 0 0 1 1 0102 100 4 001 1 0 1 0 22 1 1 0 6 0 1 1 3 0113 101 5 101 5 1 1 0 63 1 1 1 7 1 1 1 7 1117 111 7
47、 111 7 1 1 1 74 0 1 1 3 1 1 0 6 1015 011 3 110 6 1 0 1 55 0 0 1 1 1 0 0 4 1004 010 2 010 2 0 0 1 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0000 000 0 000 0 0 0 0 0类型1 2 3表 7：60霍尔线 6 种接法 电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第 21 页对于不带自学习功能的控制器来说，不能同时识别 3 种类型的序列。一般都是只选择其中的一种类型作为默认类型。一旦选定类型，则其它两种类型的输入（霍尔）接法就被认为是错误的。只有两种输入（霍尔）接法是正确的。 比如在（ 表5：兼
48、容60 /120的换相表 ）中，我们实际上只考虑了类型 0（ 120）和类型 1（ 60）的序列。虽然实现了 60/120的兼容，但并不是说 60 电机的输入霍尔就可以顺心所欲地接线了。 在输入（霍尔信号）接法正确的前提下，每一种输入接法，其对应的 6 种输出（电机相线）接法，必然只有一种能够正常驱动电机，其它 5 种输出接法都不能正常驱动。 这也就是意味着，对于 60电机， 36 种接法中，只有 1 种正转接法，及 1 种反转接法。 60电机对相成功的概率为 1/36。 60电机在人工对相时比 120电机更加麻烦（因为前者对相成功概率更低） 。 3、相位自学习功能 “人工对相”那么麻烦，所有
49、就有了相位自学习功能的推出。 相位自学习，又称为相位自识别。该功能主要针对二级（维修）市场。当输入霍尔信号线和电机相线被随机连接时，控制器能自动识别接线次序并记忆下来，实现正常功能。 自学习的步骤及细节如下： （ 1）确定输出序列 仔细观察（ 图 11：换相时序图 ）和（ 表5：兼容60 /120的换相表 ） ，可以发现无论 60还是 120电机， 也无论输出 3 根电机相线如何接 （也就是说电机相线随机命名为 U、 V、 W） ，输出序列都是固定的（参见 图 13：电机相线输出序列 ） 。因此，输出序列是不需要学习的。我们把这 6 个节拍的序列定义为（ O1、 O2、 O3、 O4、 O5、 O6） （参见 表 8：电机相线固定输出序列 ） 。 图 13：电机相线输出序列 序号 O1 O2 O3 O4 O5 O6 输出 U上 W下 V上 W下 V 上 U下 W 上 U下 W 上 V下 U上 V下 表 8：电机相线固定输出序列 V上W 下V上U下W上U下W上V下U上 V下 U上W 下电动车直流无刷电机控制器 设计白皮书 第
