本系统所用的样机是星形连接的三相电机，额定电压36V，额定功率250W，内部霍尔传感器相位差为120°，采用两相导通" title="导通">导通、六状态工作的桥式全控电路进行控制。工作时，控制器根据霍尔传感器感应到的电机转子当前所在位置，依照定子绕线决定开启(或关闭)功率晶体管的顺序，从而使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此使电机顺时或逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制器又再开启下一组功率晶体管，如此循环，以获得电动机连续旋转的电磁转矩。
2 无刷电机控制系统
2.1 控制系统总体设计
　　本系统的总体控制原理如图2所示。单片机接收电动车转把给定的速度信号，并根据电流、速度反馈调整输出的PWM信号的占空比，控制电机转子的转速。无刷电机内部的霍尔元件的输出信号经过位置信号检测电路，将电机转子的当前位置反馈给单片机，单片机根据此反馈信号计算出电机的转速同时输出对应的换相信号。驱动电路根据单片机的输出指令控制三相桥功率开关电路上下功率管" title="功率管">功率管的导通顺序和导通时间，从而实现对无刷电机的转速调节。

2.2 可编程片上系统（PSoC）
　　PSoC（Programmable System on Chip）是美国Cypress MicroSystems公司推出的新一代功能强大的8位可配置的嵌入式单片机^[3]。该系列单片机与传统单片机的根本区别在于其内部集成了数字模块和模拟模块，用户可以根据不同设计要求调用不同的数字和模拟模块，完成芯片内部的功能设计，其内部所包含的用户模块如图3所示。使用该类芯片可以配置成具有多种不同外围元器件的微控制器，适应非常复杂的实时控制需求，大大提高产品的开发效率，降低了系统开发的复杂性和费用，同时增强了系统的可靠性和抗干扰能力。

2.3 驱动电路
　　本文采用三相逆变桥功率管开关电路驱动无刷电机，上下桥臂均选用N沟道MOSFET，这是因为P沟道FET的通态电阻比N沟道FET的要大，较高的通态电阻将使开关速度下降，损耗增加，效率降低，可靠性降低，全部使用N沟道FET做功率开关具有更高的效率^[4]。
　　本系统选用ST Microelectronics公司生产的N沟道增强型功率管STP60NF06，它的最大漏源极电压V_DSS=60V，饱和导通时的漏源极之间的电阻R_DS（on）<0.016Ω，允许通过的最大漏极电流I_D=60A。为了提高系统的效率，减小MOSFET的功率损耗，应使功率开关工作时的通态电阻最小，即满足V_GS≥10V。三相桥上下桥臂功率管驱动电路如图4所示。

　　由于上桥臂的N沟道FET导通后，其源极对地电压V_S=E，为了维持其饱和导通，满足V_GS≥10V，需要提供其栅极驱动的辅助电源，如图5所示。利用单片机内部的计数器产生占空比为50%、频率为50kHz的方波信号，通过三极管经电容耦合到二极管网络，整流出所需的直流电压，使G点电压约为48V，E点为电源电压36V。

2.4 斩波调压信号（PWM）
　　本系统使用的单片机内部有PWM模块，通过改变脉冲宽度寄存器或脉冲周期寄存器的值，就可以改变输出的PWM占空比，从而控制电机的转速。相对于“双斩”PWM调制方式，采用“单斩”PWM调制方式可以减小功率管的开关损耗，并且当PWM占空比相同时，后者电磁转矩大^[5]。因此，本系统采用“单斩”PWM调制方式对三相逆变桥的下桥臂功率管进行调制。正常工作时，根据单片机内部的AD采样电动车手把信号，改变脉冲宽度寄存器的值，控制PWM输出的脉冲宽度。为了使电机起动有力，同时避免大电流对电机及控制器造成损坏，本系统采用数字式限流起动方式，通过比较反馈电流与设定电流的大小逐级调整PWM占空比，使电机始终以最大电流起动。
2.5 电机起动控制
　　无刷直流电机工作时，由于自身及控制系统的影响，使其输出转矩含有脉动成分，这种转矩的波动很大程度上是由于电流换相造成的，影响了整个驱动系统的性能，在实际使用中，会造成电机的抖动并产生震动噪音，因此，已有许多方法用以抑制换相转矩脉动^[6-8]。对于电动自行车，目前还没有对转矩脉动提出客观的抑制标准，主要是依靠人的骑行感觉来评测。通过骑行实验，发现电动自行车在起动过程中震动噪音大，抖动比较明显，也就是说，在这段时间内电机转矩脉动较大。如何在不增加成本的情况下较好地抑制换相转矩波动就成为设计控制器的关键。本文提出通过PWM斩波补偿换相期间的脉动电流，具体方法为：经过采样电阻提取反映主回路中电流幅值的电压量，滤除高频成分，送给单片机，单片机根据其脉动范围的大小来调节换相期间PWM信号的占空比，加快换相过程，减小换相电流脉动，待换相完成后，返回正常控制状态。该方法简单易实现，经过实际使用，电机起动过程中的噪音及抖动得到明显抑制，电机在低、高速下无明显的震动噪音。
3 测试结果
　　采用额定电压36V，额定功率250W的电机作为样机，对该控制器进行测试，得到如图6所示的电机各特性曲线。
　　从图中可以看出，电机的效率在很大转矩范围内都能够保持在60%以上，达到额定输出功率时，其效率接近80%。在电机加载的过程中，随着负载转矩的增大，电流逐渐增大，但是在达到限流值(14A)后，电流不再随着转矩的增加而增加，而是能够稳定在限流点附近。这样在实际使用过程中，控制器和电机不会因回路中的过大电流而损坏，即实现了限流保护。从图6可以看出，本控制器的作用效果还是比较理想的。