SPMC65P2404A在電動自行車中的應用

SPMC65P2404A在電動自行車中的應用

本文主要介紹電動自行車主控板方案的實現。本設計以凌陽科技公司的8位單片機SPMC65P2404A為核心，采用直流無刷電機，具有堵轉斷流、電子剎車、自動巡航、過流保護等功能，實現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。

關鍵詞：電動自行車? 直流無刷電機? 凌陽單片機? SPMC65P2404A

引? 言

　　我國經濟高速增長主要因為制造業的發展和城市化進程的加快。但城市化不能以環境作為代價，美化、綠化、亮化城市成為發展焦點所在。電動自行車是近年來發展起來的一種新產品，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人交通工具，而且與大交通發展并無沖突，互為補充。它是城市化進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動車管理，電動自行車從去年10月份起更是產銷兩旺。它以輕便、安全、環保、使用費用低等顯著優點倍受消費者青睞。其逐步替代傳統的自行車已是必然的趨勢。

　　專家預計，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系列芯片的應用，并根據國家標準驗證其性能，走進國內各家電生產廠家。

1?工作原理

　　電動自行車是具有電力驅動、腳踏驅動、電力和腳踏并用等功效的綠色環保交通工具。電動自行車的原理和結構都不復雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅動機構組成(見圖 1?1)。蓄電池經過一個控制器給一個電機送電，電機放在后車輪中，電機的旋轉帶動自行車的行進。電動自行車的控制器連接一個調速手柄，在腳踏中軸上裝有助力傳感器，轉動調速手柄可以讓控制器檢測到不同的電壓值，控制器根據電壓值大小，模擬調節輸送給電機電壓的高低，從而控制了電機的轉速。

圖 1－1電動自行車控制方框圖

　　控制器無刷電機控制的方法是根據電機的位置反饋信號，控制電機三相驅動上下臂MOS管的導通和截止，從而實現電子換向。如下圖所示，電機為三角形連接，三相驅動上下臂各MOS管導通順序組合為:V1-V2，V2-V3, V3-V4，V5-V4，V5-V6，V1-V6。

圖 1-2驅動電路

2?系統方框圖

　　電動自行車采用SPMC65P2404A作為主控MCU。MCU主要任務是進行調速電壓檢測，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控制電機轉速輸出，6路電機驅動輸出，系統方框圖如下：

圖 2-1系統方框圖

3?控制器電氣規格

　　★型式??? ：直流無刷　　??★額定功率：240W
　　★額定電壓：36V 　　???? ??★額定轉速：210R/MIN
　　★額定扭矩：8.5N.M 　　? ??★欠壓保護：31.5 ± 0.5V
　　★過流保護：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（ 31.5V ± 0.5 ）；
??? ★電子剎車；????????????? ??★休眠省電功能。
??? ★過流保護（限流為 15A ± 1 ）；
　　★堵轉斷流（倒轉，轉把復位，重電源，自動復位）；　

4.1 1：1助力

　　1:1助力，是指在沒有旋轉調速車把，電動車電池打開時，電動車會根據騎行者的騎行速度提供1:1助力。

4.2 電子剎車

　　電子剎車，就是指在剎車時能做到讓電機的驅動MOS管上臂（或者下臂）全部導通而下臂（或者上臂）截止，電機三相接線全部短接，能使電機產生阻力，達到剎車的效果。

4.3 自動巡航

　　自動巡航，是指把調速車把轉到所需的角度，電動自行車達到相應車速后，在5S(時間可變)內調速車把不轉動，則電動自行車就保持在這個速度行駛，這時騎行者可以松開調速車把，免去手一直擰著調速車把之累。自動巡航后只有松開調速車把，并重新旋轉調速車把，才可以再次調節電動自行車的行駛速度。

4.4 堵轉斷流

　　堵轉斷流，是指電動自行車超載時，或是在爬坡時電流過大或者是阻力過大時,導致電機停止轉動，系統能檢測到這種現象，停止對電機的輸出，起到保護作用。發生堵轉斷流后，只要滿足倒轉，復位調速車把或電源關閉后再重新打開，三個條件中的一個，系統會重新檢測是否有堵轉，如果恢復正常，系統會重新正常工作。

4.5 智能過流保護

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

4.6 智能欠壓保護

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

4.7 休眠省電

　　當系統在通電狀態下，無任何操作，5分鐘后會進入到休眠模式，人為轉動車輪便可以喚醒系統，繼續正常工作。

5?控制板界面

圖 5-1系統硬件

6?芯片特性簡介

　　SPMC65P2404A是由凌陽公司設計開發的8位工業級單片機，采用凌陽SPMC65內核，支持位操作指令。具有強大的定時/計數器、豐富的外部中斷源以及ADC、PWM、標準通訊接口SPI等多種功能。適用于通用工控場合、計算機外圍控制和家電等。SPMC65P2404A有20管腳和28管腳兩種封裝。本設計選用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 ℃
◆ 超強抗干擾、抗靜電ESD保護能力
◆ 4K byte ROM，192 byte RAM
◆ 23個通用輸入輸出口
◆ 強大的定時計數器：2個8位、2個16位具有CaptureComparePWM功能
◆ 1個1KHz～62.5KHz的時基
◆ 8通道10位精度的ADC(帶外部參考電壓)
◆ 4個外部中斷，12個內部中斷
◆ 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可選低電壓復位功能
◆ 可編程看門狗功能