SPMC65P2404A在電動(dòng)自行車(chē)中的應用

引 言

　　我國經(jīng)濟高速增長(cháng)主要因為制造業(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(dòng)自行車(chē)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新產(chǎn)品，她采用電力為輔助動(dòng)力能源，在保留了自行車(chē)全部功能的基礎上，可以使用潔凈的電動(dòng)能源，大大延長(cháng)了"自行車(chē)"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(wú)沖突，互為補充。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(xiāo)售12萬(wàn)輛到2003年430萬(wàn)輛的增長(cháng)，足以說(shuō)明這一產(chǎn)品的生命力。隨著(zhù)《道路交通安全法》的頒布并將其明確列為非機動(dòng)車(chē)管理，電動(dòng)自行車(chē)從去年10月份起更是產(chǎn)銷(xiāo)兩旺。它以輕便、安全、環(huán)保、使用費用低等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)倍受消費者青睞。其逐步替代傳統的自行車(chē)已是必然的趨勢。

　　專(zhuān)家預計，隨著(zhù)電動(dòng)自行車(chē)在許多城市合法上路，到2008年，我國電動(dòng)自行車(chē)年銷(xiāo)量可達1000萬(wàn)輛。

　　這篇文章的主要目的是希望能夠大力推動(dòng)SPMC65系列芯片的應用，并根據國家標準驗證其性能，走進(jìn)國內各家電生產(chǎn)廠(chǎng)家。

1工作原理

　　電動(dòng)自行車(chē)是具有電力驅動(dòng)、腳踏驅動(dòng)、電力和腳踏并用等功效的綠色環(huán)保交通工具。電動(dòng)自行車(chē)的原理和結構都不復雜，可以認為是在自行車(chē)的基礎上加一套電機驅動(dòng)機構組成(見(jiàn)圖 1?1)。蓄電池經(jīng)過(guò)一個(gè)控制器給一個(gè)電機送電，電機放在后車(chē)輪中，電機的旋轉帶動(dòng)自行車(chē)的行進(jìn)。電動(dòng)自行車(chē)的控制器連接一個(gè)調速手柄，在腳踏中軸上裝有助力傳感器，轉動(dòng)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(dòng)自行車(chē)控制方框圖

　　控制器無(wú)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(dòng)上下臂MOS管的導通和截止，從而實(shí)現電子換向。如下圖所示，電機為三角形連接，三相驅動(dòng)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(dòng)電路

2系統方框圖

　　電動(dòng)自行車(chē)采用SPMC65P2404A作為主控MCU。MCU主要任務(wù)是進(jìn)行調速電壓檢測，電池電壓檢測，電流檢測，過(guò)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(chē)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(dòng)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(wú)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(guò)流保護：15 ± 1A

4控制器功能介紹

　　★1：1助力； 　　 ★剎車(chē)斷電，剎車(chē)燈供電；
★自動(dòng)巡航； ★欠壓保護（ 31.5V ± 0.5 ）；
★電子剎車(chē)； ★休眠省電功能。
★過(guò)流保護（限流為 15A ± 1 ）；
　　★堵轉斷流（倒轉，轉把復位，重電源，自動(dòng)復位）；　

4.1 1：1助力

　　1:1助力，是指在沒(méi)有旋轉調速車(chē)把，電動(dòng)車(chē)電池打開(kāi)時(shí)，電動(dòng)車(chē)會(huì )根據騎行者的騎行速度提供1:1助力。

4.2 電子剎車(chē)

　　電子剎車(chē)，就是指在剎車(chē)時(shí)能做到讓電機的驅動(dòng)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(xiàn)全部短接，能使電機產(chǎn)生阻力，達到剎車(chē)的效果。

4.3 自動(dòng)巡航

　　自動(dòng)巡航，是指把調速車(chē)把轉到所需的角度，電動(dòng)自行車(chē)達到相應車(chē)速后，在5S(時(shí)間可變)內調速車(chē)把不轉動(dòng)，則電動(dòng)自行車(chē)就保持在這個(gè)速度行駛，這時(shí)騎行者可以松開(kāi)調速車(chē)把，免去手一直擰著(zhù)調速車(chē)把之累。自動(dòng)巡航后只有松開(kāi)調速車(chē)把，并重新旋轉調速車(chē)把，才可以再次調節電動(dòng)自行車(chē)的行駛速度。

4.4 堵轉斷流

　　堵轉斷流，是指電動(dòng)自行車(chē)超載時(shí)，或是在爬坡時(shí)電流過(guò)大或者是阻力過(guò)大時(shí),導致電機停止轉動(dòng)，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(fā)生堵轉斷流后，只要滿(mǎn)足倒轉，復位調速車(chē)把或電源關(guān)閉后再重新打開(kāi)，三個(gè)條件中的一個(gè)，系統會(huì )重新檢測是否有堵轉，如果恢復正常，系統會(huì )重新正常工作。

4.5 智能過(guò)流保護

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

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(shí)，電池自動(dòng)停止供電，從而防止蓄電池放電過(guò)深，受到損害。系統會(huì )自動(dòng)檢測電池是否欠壓，欠壓會(huì )停止繼續工作。在電池欠壓停止工作時(shí)，會(huì )出現電池電壓短時(shí)間回升，雖然超過(guò)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(dòng)自行車(chē)才開(kāi)始正常工作。

4.7 休眠省電

　　當系統在通電狀態(tài)下，無(wú)任何操作，5分鐘后會(huì )進(jìn)入到休眠模式，人為轉動(dòng)車(chē)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(jiǎn)介

　　SPMC65P2404A是由凌陽(yáng)公司設計開(kāi)發(fā)的8位工業(yè)級單片機，采用凌陽(yáng)SPMC65內核，支持位操作指令。具有強大的定時(shí)/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(chǎng)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(gè)通用輸入輸出口
◆ 強大的定時(shí)計數器：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(mén)狗功能

圖 6-1 SPMC65P2404A*28P封裝

7系統主流程設計

　　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結語(yǔ)

　　SPMC65系列芯片以?xún)?yōu)異的性能和豐富的資源適合于各個(gè)公控場(chǎng)合。本設計采用SPMC65P2404A做為主控芯片開(kāi)發(fā)的電動(dòng)自行車(chē)，真正做到低成本、高性能。