控制器中电子换相电路的设计方法有很多。对于有位置传感器的无刷电机，用中小规模数字集成电路和经典的数字电路设计方法即可实现。例如，用可编程逻辑器件CPLD可在计算机上完成硬件设计、波形仿真和下载。目前用于无刷电机控制的专用集成电路种类有很多，如MOTOROLA公司生产的MC33035、东芝公司生产的TA7247芯片等。这些专用芯片对使用电压、工作电流及电机类型都有一定要求。实践证明使用专用芯片设计控制器在芯片的选择、驱动电路设计及试验等环节并非省时省力。在参考和分析了多种专用集成电路工作原理后，用PIC单片机设计出两种有位置传感器的无刷电机控制器，同时与专用集成电路设计的控制器进行了对比，得出以下三方面结论：
(1)单片机在改变功能和价格上优于专用芯片;
(2)软件程序便于加密，有利于知识产权的保护;
(3)软件编程灵活，可根据用户需求增加和完善功能。
有了PIC单片机的控制核，只要改变外围驱动、保护、输出电路，即可对不同功率、不同电压或内部结构不同的无刷直流电机实现控制。
1 控制核心
控制器采用PIC16F877或PIC16F876单片机，使用的功能和接口有：八路输入（PIC16F876为四路输入）10位A/D转换器，分辨率达十位的PWM脉宽调制输出口CCP1，可响应外部逻辑电平变化时产生中断的端口B0、B4、B5，用于换相输出的端口C。核心部分结构如图1和图2所示。
2 高电压大功率控制器工作原理
该控制器是针对大功率高电压无刷直流电机设计的，电源取自220V交流电压整流滤波后产生的300V左右的直流电压(电机功率范围为500W~2 000W)来对智能功率模块输出部分供电。为简化硬件电路，降低元器件成本，单片机及相关的控制电路供电部分由一只小变压器降压后提供。低压电源提供五组独立输出，其中一组给单片机供电，完全隔离。另四组提供给功率模块内部驱动电路。整个控制部分所需电流较小，除5V输出采用全桥式整流外，其他四路采用单只二极管半波整流。变压器功率5W左右即可满足要求，加工成本也较低，变压器和其他元器件焊在同一块电路板上，体积和重量是可以接受的。
电路工作原理如下：
单片机上电后，程序对输入输出端口进行设定，端口A为模拟量输入，端口B、C设为数字量输入和输出，设定工作通过写专用寄存器实现。程序初始化工作完成后，检测起/停按钮，当按下按钮时，进入工作程序，检查位置传感器信号和速度调整电位器电压值，将这些数据在单片机内部处理后，调整PWM的脉冲宽度，输出对应的电机驱动控制信号。
中断服务程序可提高工作效率。当位置传感器的三个输入引脚电平随之变化时，在单片机内部产生中断，中断服务程序完成输入和输出的译码，输出控制信号产生磁极变位，此过程连续下去产生一个相位超前的旋转磁场，驱动电机运转。
在未进入中断服务时，单片机可设置A/D转换、读取A/D数据、电机起/停检测、过流检测等多项内容，单片机工作时具有较高的实时性。
3 低电压中小功率控制器工作原理
该控制器供电电源取自蓄电池组，电池电压根据电机功率（180W~500W）由电机生产厂商提供。电机电压可分为24V、36V、48V、60V。电路中不设隔离电源，单片机+5V电源和驱动电路+15V电源由电池降压稳压后提供。电路中采用六只N沟道功率MOS场效应管，驱动部分采用专用集成电路IR2102(关于IR2102的工作原理将在电路的驱动和输出部分详细介绍)。在低电压驱动器中用MOSFET管代替智能功率器件，取消了高速光电隔离、电源整流、滤波、隔离供电等部分，硬件费用降低，是一种低成本的无刷电机控制器。考虑到使用中会出现电流过载和蓄电池电压过低的情况，该电路中增加了过电流检测和欠压检测部分。单片机软件部分除具备大功率控制器的功能外，还需要针对过流和欠压进行监控。
4 智能功率模块（输出部分）
大功率控制器输出部分选用三菱公司的智能功率输出模块PMXXCSJ060。与常规的IGBT功率输出管相比，该芯片属于成熟的第三代高频IPM集成器件，其内部采用绝缘基板工艺，内置栅级驱动和保护电路，根据电机功率的大小可选用不同额定电流的模块。例如20A 耐压600V的功率器件型号为PM20CSJ060，其中，20代表额定电流20A，060代表耐压600V，详细资料可通过三菱公司网站查询。
5 专用MOS驱动芯片IR2102
用于低压控制器的驱动芯片IR2102是美国国际整流器公司（International Rectifier Company）的产品，可驱动MOSFET 或IGBT。该芯片的应用简化了驱动电路的设计。IR2102内部采用自举技术设计出悬浮电源，实现一相两个N沟道逆变桥输出电路的控制，如图3所示。其工作原理如下：
IR2102为8引脚芯片，HIN和LIN分别为高侧MOS管和低侧MOS管驱动输入端（低电平有效），C为自举电容，D为充电二极管。为防止输出桥臂短路，禁止HIN、LIN同时为低电平。当HIN为高电平、LIN为低电平时，输出LO比低电位高15V，MOS管Q2导通；反之当HIN低电平、LIN为高电平时，开始HO比VS高出15V(注意：这个电压是对电容充电的结果)，随着时间的延续，电容会通过电阻R13、R27放电，导致电压不断下降。Q1导通时间与电容C容量有关，当脉宽调制频率在5kHz以上时，电容C选用0.1μF即可。关于IR2102的详细资料可通过网站www.IRF.com.cn查询。
6 软件设计
对有位置传感器的无刷电机而言，多数电机位置传感器状态分60°和120°两种，在未知电角度的情况下，可用数字逻辑分析仪对位置状态的三个输出进行测量，测量时匀速转动电动机转子，测量的输出波形如图4所示。每六个状态为一个电角度周期，重复这一过程。根据实测结果列出电机顺时针和逆时针转动六状态输入输出表，作为编程时的原始数据写入程序。
程序内容包括：
（1）初始化设置
设置相关端口（端口A、B、C、E）,通过写入专用寄存器实现。
（2）主程序内容
单片机内部功能模块包括A/D转换器、PWM功能的设置，将电机正反转输入输出表数据写入指定存储器单元。开放中断，确定正反转状态，循环检测电机起/停工作按钮电平。
（3）中断服务程序
当电机运转位置（六状态之一）发生变化时，单片机响应中断进入中断服务程序，在此完成输入输出的译码、滤除错码、调整B0口电平中断方式等内容。
（4）子程序
子程序包括延时程序、RB0输入端中断电平调整程序、A/D转换程序。
软件流程图如图5所示。
无刷直流电机应用领域近几年发展非常迅速，证明它自身有很多不可替代的优势，各种类型的控制器也应用而生。在追求高效、宽调速范围的前提下，控制器的高可靠性是制约电机应用普及的关键因素。一方面新型的智能功率器件不断出现，为设计人员提供了更好的硬件基础；另一方面软件设计也是提高可靠性的重要环节，好的软件设计可在很大程度上弥补硬件设计的不足，这些也正是很多工程技术人员追求的目标。