SPMC65P2404A在电动自行车中的应用

SPMC65P2404A在电动自行车中的应用

本文主要介绍电动自行车主控板方案的实现。本设计以凌阳科技公司的8位单片机SPMC65P2404A为核心，采用直流无刷电机，具有堵转断流、电子刹车、自动巡航、过流保护等功能，实现了电动自行车的低成本、高性能。SPMC65P2404A良好的性能和合理的资源非常适合于电动自行车。

关键词：电动自行车  直流无刷电机  凌阳单片机  SPMC65P2404A

引  言

　　我国经济高速增长主要因为制造业的发展和城市化进程的加快。但城市化不能以环境作为代价，美化、绿化、亮化城市成为发展焦点所在。电动自行车是近年来发展起来的一种新产品，她采用电力为辅助动力能源，在保留了自行车全部功能的基础上，可以使用洁净的电动能源，大大延长了"自行车"的交通距离，非常适合广大百姓的个人交通工具，而且与大交通发展并无冲突，互为补充。它是城市化进程中一支不可空缺的生力军。

　　从1998年全国销售12万辆到2003年430万辆的增长，足以说明这一产品的生命力。随着《道路交通安全法》的颁布并将其明确列为非机动车管理，电动自行车从去年10月份起更是产销两旺。它以轻便、安全、环保、使用费用低等显著优点倍受消费者青睐。其逐步替代传统的自行车已是必然的趋势。

　　专家预计，随着电动自行车在许多城市合法上路，到2008年，我国电动自行车年销量可达1000万辆。

　　这篇文章的主要目的是希望能够大力推动SPMC65系列芯片的应用，并根据国家标准验证其性能，走进国内各家电生产厂家。

1 工作原理

　　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(见图 1?1)。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手柄，在脚踏中轴上装有助力传感器，转动调速手柄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。

图 1－1电动自行车控制方框图

　　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，从而实现电子换向。如下图所示，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，V5-V4，V5-V6，V1-V6。

图 1-2驱动电路

2 系统方框图

　　电动自行车采用SPMC65P2404A作为主控MCU。MCU主要任务是进行调速电压检测，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，1路霍尔位置信号中断检测，刹车信号检测，1：1助力检测，温度检测，故障显示输出，PWM控制电机转速输出，6路电机驱动输出，系统方框图如下：

图 2-1系统方框图

3 控制器电气规格

　　★型式    ：直流无刷 　　  ★额定功率：240W
　　★额定电压：36V 　　       ★额定转速：210R/MIN
　　★额定扭矩：8.5N.M 　　    ★欠压保护：31.5 ± 0.5V
　　★过流保护：15 ± 1A

4 控制器功能介绍

　　★1：1助力； 　　           ★刹车断电，刹车灯供电；
    ★自动巡航；                ★欠压保护（ 31.5V ± 0.5 ）；
    ★电子刹车；                ★休眠省电功能。
    ★过流保护（限流为 15A ± 1 ）；
　　★堵转断流（倒转，转把复位，重电源，自动复位）；　

4.1 1：1助力

　　1:1助力，是指在没有旋转调速车把，电动车电池打开时，电动车会根据骑行者的骑行速度提供1:1助力。

4.2 电子刹车

　　电子刹车，就是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上臂（或者下臂）全部导通而下臂（或者上臂）截止，电机三相接线全部短接，能使电机产生阻力，达到刹车的效果。

4.3 自动巡航

　　自动巡航，是指把调速车把转到所需的角度，电动自行车达到相应车速后，在5S(时间可变)内调速车把不转动，则电动自行车就保持在这个速度行驶，这时骑行者可以松开调速车把，免去手一直拧着调速车把之累。自动巡航后只有松开调速车把，并重新旋转调速车把，才可以再次调节电动自行车的行驶速度。

4.4 堵转断流

　　堵转断流，是指电动自行车超载时，或是在爬坡时电流过大或者是阻力过大时,导致电机停止转动，系统能检测到这种现象，停止对电机的输出，起到保护作用。发生堵转断流后，只要满足倒转，复位调速车把或电源关闭后再重新打开，三个条件中的一个，系统会重新检测是否有堵转，如果恢复正常，系统会重新正常工作。

4.5 智能过流保护

　　智能过流保护，一是指在高速时(平坦的道路上)，最大电流不可以超过15A；二是速度很低时，尤其是在爬坡时电流不可以超过23A，过流保护的参考极限电流跟当前车速有关。

4.6 智能欠压保护

　　智能欠压保护，当蓄电池电压降至额定值的90%，36V电池降为31.5V时，电池自动停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。系统会自动检测电池是否欠压，欠压会停止继续工作。在电池欠压停止工作时，会出现电池电压短时间回升，虽然超过欠压的电压值，但系统应不工作，只有当电池电压稳定到额定电压以上，电动自行车才开始正常工作。

4.7 休眠省电

　　当系统在通电状态下，无任何操作，5分钟后会进入到休眠模式，人为转动车轮便可以唤醒系统，继续正常工作。

5 控制板界面

图 5-1系统硬件

6 芯片特性简介

　　SPMC65P2404A是由凌阳公司设计开发的8位工业级单片机，采用凌阳SPMC65内核，支持位操作指令。具有强大的定时/计数器、丰富的外部中断源以及ADC、PWM、标准通讯接口SPI等多种功能。适用于通用工控场合、计算机外围控制和家电等。SPMC65P2404A有20管脚和28管脚两种封装。本设计选用28管脚封装，如图 6?1所示。28管脚封装芯片的具体特性如下：
◆ 工作电压：3.0V～5.5V
◆ 工作速度：8MHz
◆ 工作温度：-40℃～85 ℃
◆ 超强抗干扰、抗静电ESD保护能力
◆ 4K byte ROM，192 byte RAM
◆ 23个通用输入输出口
◆ 强大的定时计数器：2个8位、2个16位具有CaptureComparePWM功能
◆ 1个1KHz～62.5KHz的时基
◆ 8通道10位精度的ADC(带外部参考电压)
◆ 4个外部中断，12个内部中断
◆ SPI串行通讯接口
◆ 2种省电模式：Halt、Stop
◆ 蜂鸣器输出功能
◆ 4.0V/2.5V可选低电压复位功能
◆ 可编程看门狗功能

图 6-1 SPMC65P2404A*28P封装

7 系统主流程设计

　　主程序主要采用时间槽轮循方式，每1MS走一个分支，共分四个分支，便于程序控制和功能增加。

图 7－1主流程图

8 结语

　　SPMC65系列芯片以优异的性能和丰富的资源适合于各个公控场合。本设计采用SPMC65P2404A做为主控芯片开发的电动自行车，真正做到低成本、高性能。