SPMC65P2404A在電動自行車中的應(yīng)用

本文主要介紹電動自行車主控板方案的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)以凌陽科技公司的8位單片機(jī)SPMC65P2404A為核心，采用直流無刷電機(jī)，具有堵轉(zhuǎn)斷流、電子剎車、自動巡航、過流保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)了電動自行車的低成本、高性能。SPMC65P2404A良好的性能和合理的資源非常適合于電動自行車。

關(guān)鍵詞：電動自行車? 直流無刷電機(jī)? 凌陽單片機(jī)? SPMC65P2404A

引? 言

　　我國經(jīng)濟(jì)高速增長主要因?yàn)橹圃鞓I(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快。但城市化不能以環(huán)境作為代價(jià)，美化、綠化、亮化城市成為發(fā)展焦點(diǎn)所在。電動自行車是近年來發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品，她采用電力為輔助動力能源，在保留了自行車全部功能的基礎(chǔ)上，可以使用潔凈的電動能源，大大延長了"自行車"的交通距離，非常適合廣大百姓的個(gè)人交通工具，而且與大交通發(fā)展并無沖突，互為補(bǔ)充。它是城市化進(jìn)程中一支不可空缺的生力軍。

　　從1998年全國銷售12萬輛到2003年430萬輛的增長，足以說明這一產(chǎn)品的生命力。隨著《道路交通安全法》的頒布并將其明確列為非機(jī)動車管理，電動自行車從去年10月份起更是產(chǎn)銷兩旺。它以輕便、安全、環(huán)保、使用費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)倍受消費(fèi)者青睞。其逐步替代傳統(tǒng)的自行車已是必然的趨勢。

　　專家預(yù)計(jì)，隨著電動自行車在許多城市合法上路，到2008年，我國電動自行車年銷量可達(dá)1000萬輛。

　　這篇文章的主要目的是希望能夠大力推動SPMC65系列芯片的應(yīng)用，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證其性能，走進(jìn)國內(nèi)各家電生產(chǎn)廠家。

1?工作原理

　　電動自行車是具有電力驅(qū)動、腳踏驅(qū)動、電力和腳踏并用等功效的綠色環(huán)保交通工具。電動自行車的原理和結(jié)構(gòu)都不復(fù)雜，可以認(rèn)為是在自行車的基礎(chǔ)上加一套電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成(見圖 1?1)。蓄電池經(jīng)過一個(gè)控制器給一個(gè)電機(jī)送電，電機(jī)放在后車輪中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動自行車的行進(jìn)。電動自行車的控制器連接一個(gè)調(diào)速手柄，在腳踏中軸上裝有助力傳感器，轉(zhuǎn)動調(diào)速手柄可以讓控制器檢測到不同的電壓值，控制器根據(jù)電壓值大小，模擬調(diào)節(jié)輸送給電機(jī)電壓的高低，從而控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖 1－1電動自行車控制方框圖

　　控制器無刷電機(jī)控制的方法是根據(jù)電機(jī)的位置反饋信號，控制電機(jī)三相驅(qū)動上下臂MOS管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。如下圖所示，電機(jī)為三角形連接，三相驅(qū)動上下臂各MOS管導(dǎo)通順序組合為:V1-V2，V2-V3, V3-V4，V5-V4，V5-V6，V1-V6。

圖 1-2驅(qū)動電路

2?系統(tǒng)方框圖

　　電動自行車采用SPMC65P2404A作為主控MCU。MCU主要任務(wù)是進(jìn)行調(diào)速電壓檢測，電池電壓檢測，電流檢測，過流中斷檢測，3路霍爾位置信號檢測，1路霍爾位置信號中斷檢測，剎車信號檢測，1：1助力檢測，溫度檢測，故障顯示輸出，PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出，6路電機(jī)驅(qū)動輸出，系統(tǒng)方框圖如下：

圖 2-1系統(tǒng)方框圖

3?控制器電氣規(guī)格

　　★型式??? ：直流無刷 　　??★額定功率：240W
　　★額定電壓：36V 　　???? ??★額定轉(zhuǎn)速：210R/MIN
　　★額定扭矩：8.5N.M 　　? ??★欠壓保護(hù)：31.5 ± 0.5V
　　★過流保護(hù)：15 ± 1A

4?控制器功能介紹

　　★1：1助力； 　　???????? ??★剎車斷電，剎車燈供電；
??? ★自動巡航；????????????? ??★欠壓保護(hù)（ 31.5V ± 0.5 ）；
??? ★電子剎車；????????????? ??★休眠省電功能。
??? ★過流保護(hù)（限流為 15A ± 1 ）；
　　★堵轉(zhuǎn)斷流（倒轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)把復(fù)位，重電源，自動復(fù)位）；　

4.1 1：1助力

　　1:1助力，是指在沒有旋轉(zhuǎn)調(diào)速車把，電動車電池打開時(shí)，電動車會根據(jù)騎行者的騎行速度提供1:1助力。

4.2 電子剎車

　　電子剎車，就是指在剎車時(shí)能做到讓電機(jī)的驅(qū)動MOS管上臂（或者下臂）全部導(dǎo)通而下臂（或者上臂）截止，電機(jī)三相接線全部短接，能使電機(jī)產(chǎn)生阻力，達(dá)到剎車的效果。

4.3 自動巡航

　　自動巡航，是指把調(diào)速車把轉(zhuǎn)到所需的角度，電動自行車達(dá)到相應(yīng)車速后，在5S(時(shí)間可變)內(nèi)調(diào)速車把不轉(zhuǎn)動，則電動自行車就保持在這個(gè)速度行駛，這時(shí)騎行者可以松開調(diào)速車把，免去手一直擰著調(diào)速車把之累。自動巡航后只有松開調(diào)速車把，并重新旋轉(zhuǎn)調(diào)速車把，才可以再次調(diào)節(jié)電動自行車的行駛速度。

4.4 堵轉(zhuǎn)斷流

　　堵轉(zhuǎn)斷流，是指電動自行車超載時(shí)，或是在爬坡時(shí)電流過大或者是阻力過大時(shí),導(dǎo)致電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)能檢測到這種現(xiàn)象，停止對電機(jī)的輸出，起到保護(hù)作用。發(fā)生堵轉(zhuǎn)斷流后，只要滿足倒轉(zhuǎn)，復(fù)位調(diào)速車把或電源關(guān)閉后再重新打開，三個(gè)條件中的一個(gè)，系統(tǒng)會重新檢測是否有堵轉(zhuǎn)，如果恢復(fù)正常，系統(tǒng)會重新正常工作。

4.5 智能過流保護(hù)

　　智能過流保護(hù)，一是指在高速時(shí)(平坦的道路上)，最大電流不可以超過15A；二是速度很低時(shí)，尤其是在爬坡時(shí)電流不可以超過23A，過流保護(hù)的參考極限電流跟當(dāng)前車速有關(guān)。

4.6 智能欠壓保護(hù)

　　智能欠壓保護(hù)，當(dāng)蓄電池電壓降至額定值的90%，36V電池降為31.5V時(shí)，電池自動停止供電，從而防止蓄電池放電過深，受到損害。系統(tǒng)會自動檢測電池是否欠壓，欠壓會停止繼續(xù)工作。在電池欠壓停止工作時(shí)，會出現(xiàn)電池電壓短時(shí)間回升，雖然超過欠壓的電壓值，但系統(tǒng)應(yīng)不工作，只有當(dāng)電池電壓穩(wěn)定到額定電壓以上，電動自行車才開始正常工作。

4.7 休眠省電

　　當(dāng)系統(tǒng)在通電狀態(tài)下，無任何操作，5分鐘后會進(jìn)入到休眠模式，人為轉(zhuǎn)動車輪便可以喚醒系統(tǒng)，繼續(xù)正常工作。

5?控制板界面

圖 5-1系統(tǒng)硬件

6?芯片特性簡介

　　SPMC65P2404A是由凌陽公司設(shè)計(jì)開發(fā)的8位工業(yè)級單片機(jī)，采用凌陽SPMC65內(nèi)核，支持位操作指令。具有強(qiáng)大的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、豐富的外部中斷源以及ADC、PWM、標(biāo)準(zhǔn)通訊接口SPI等多種功能。適用于通用工控場合、計(jì)算機(jī)外圍控制和家電等。SPMC65P2404A有20管腳和28管腳兩種封裝。本設(shè)計(jì)選用28管腳封裝，如圖 6?1所示。28管腳封裝芯片的具體特性如下：
◆ 工作電壓：3.0V～5.5V
◆ 工作速度：8MHz
◆ 工作溫度：-40℃～85 ℃
◆ 超強(qiáng)抗干擾、抗靜電ESD保護(hù)能力
◆ 4K byte ROM，192 byte RAM
◆ 23個(gè)通用輸入輸出口
◆ 強(qiáng)大的定時(shí)計(jì)數(shù)器：2個(gè)8位、2個(gè)16位具有CaptureComparePWM功能
◆ 1個(gè)1KHz～62.5KHz的時(shí)基
◆ 8通道10位精度的ADC(帶外部參考電壓)
◆ 4個(gè)外部中斷，12個(gè)內(nèi)部中斷
◆ SPI串行通訊接口
◆ 2種省電模式：Halt、Stop
◆ 蜂鳴器輸出功能
◆ 4.0V/2.5V可選低電壓復(fù)位功能
◆ 可編程看門狗功能

圖 6-1 SPMC65P2404A*28P封裝

7?系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)

　　主程序主要采用時(shí)間槽輪循方式，每1MS走一個(gè)分支，共分四個(gè)分支，便于程序控制和功能增加。

圖 7－1主流程圖

8?結(jié)語

　　SPMC65系列芯片以優(yōu)異的性能和豐富的資源適合于各個(gè)公控場合。本設(shè)計(jì)采用SPMC65P2404A做為主控芯片開發(fā)的電動自行車，真正做到低成本、高性能。