SPMC65P2404A单片机在电动自行车控制器中的应用
电动自行车控制器功能及分类控制器分类电动自行车上关键部件主要是电动机及其控制器、电池。目前主流产品中使用的电池主要是铅酸电池，其优点是价格便宜，缺点是存在二次污染，体积大，比较笨重，充电具有记忆效应，不能实现随时充电。部分产品有用到镍氢电池及锂电池，但价格较贵。电动自行车上另一个关键部件就是电机机，本章内容主要针对电动自行车的控制器来说明其工作原理。目前电动自行车广泛采用的是直流永磁电机，直流永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种，有刷电机是直流电机的主流产品，目前绝大多数电动自行车电机都是有刷电机。无刷电机是一种特殊的直流电机，它采用内置传感器外加电子换向器的方法进行电子换向，无刷电机主要是为了消除电刷的磨损，以及电刷接触所产生的噪声。目前一些新产品使用无刷直流电机，在电动汽车上大多使用无刷电机。其中有刷电机控制较简单，但因其电刷易磨损的电刷带来的维修保养工作量相对较大、使用寿命相对较短等缺点。而直流无刷电机因为本身没有易磨损部件，电机寿命长，维修保养工作量小。但直流无刷电机采用电子换向原理工作，其控制过程比有刷电机复杂得多，因此对控制器质量的要求也高得多。电动自行车中影响质量的最主要的部件是电机和控制器，当电机确定后，控制器的质量就决定了电动自行车的运行好坏。控制器的质量由其控制特性和可靠性两方面决定。控制特性主要指电机运转的平稳性、调速特性和负载能力。运转的平稳性除与电机机械和装配质量有一定的关系外，还与控制器、电机间的匹配及采用的控制技术有密切的关系。而控制器的可靠性与采用的元器件、电路设计、装配质量等因素有关，其中，尤以控制器所用的功率驱动管的负载能力最为重要。在骑行中，控制器的驱动管处于大电流的开关运行过程，因此，从某种意义上讲，驱动器的带负载运行能力是控制器最重要的技术指标。根据控制对象电动机的不同，控制器可分为直流有刷电机控制器和直流无刷电机控制器。目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，电角度有60度和120度两种。电机极数大部分为18极，也有16极、20极等。控制器根据霍尔反馈的电机电极位置，控制相应的功率驱动管的开通或关断，在定子中产生旋转磁场，驱动电机的转子转动。电动自行车用电机功率大多在150W～180W之间，采用36V/24V电池供电。正常工作时，额定电流在4.5～5A（对36V电机）（或对24V电机，6.25～7.5A）。短时间工作电流可达8A（10A），当电机停止转动时，瞬间电流可达13～15A。目前，电动自行车用电池基本上为密封铅酸蓄电池，电池的过充电和过放电均会缩短电池的寿命。大电流放电还会引起控制器功率驱动管温度急剧上升，损坏驱动管，以致于损坏控制器。因此，使用中应尽量避免这种情况出现，而控制器必须有这项保护功能。控制器设计应确保工作在正常电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和驱动功率器件。为了防止过放电，控制器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阈值（一般为标称电压的0,85），关闭控制器输出。控制器功能电动自行车中的控制器一般必须具备三大功能，一是速度调节，二是过电流控制，三是欠电压保护。其中，欠压保护的下限一般为1.75V/只，过流保护或限流功能则有双重的作用，一方面是限制电动轮毂的最大输入功率，防止在意外情况下出现电机烧毁，最大功率的限制值一般为432～540W；另一方面也兼顾蓄电池的最大输出功率限制，一般为（1～1.25）C，蓄电池输出特性如果能在1.25C范围内保持较好的电压平台，控制蓄电池内阻，则已可以完全满足电动自行车的需求。1．超静音功能：众所周知，由于无刷电机制作工艺的限制，在无刷电动车启动过程中伴随有噪音以及振动现象，超静音无刷控制器针对电机本身限制，在控制器的噪音控制技术上有了突破性进展！将启动过程中的噪音及振动降到了最低。2．"1:1助力"功能：骑行者骑行时，按动模式转换按钮，将显示板上的指示灯调整到助力状态。电动车就会进入1:1助力骑行模式。3．"电动"功能：当骑行者骑行时，按动模式转换按钮，将显示板上的指示灯调整到电动状态，然后转动转把，就可以控制电动车行驶速度了。4．"定速"功能：当用户在骑行过程中以转把控制电动车时，在保持转把当前位置不变的情况下，按动模式转换按钮，将显示面板上的指示灯调整到定速模式，此时控制器将进入定速巡航状态。5．"限速"功能：根据国际规定，电动车行驶速度不得超过20km/h。当控制器上的限速电位器调到合适位置时，电动车速度就会符合该国际规定。6. 保护功能：欠压保护、限流保护。电动自行车用电机功率大多在150W～180W之间，采用36V/24V电池供电。正常工作时，额定电流在4.5～5A（对36V电机）（或对24V电机，6.25～7.5A）。短时间工作电流可达8A（10A），当电机停止转动时，瞬间电流可达13～15A。目前，电动自行车用电池基本上为密封铅酸蓄电池，电池的过充电和过放电均会缩短电池的寿命。大电流放电还会引起控制器功率驱动管温度急剧上升，损坏驱动管，以致于损坏控制器。因此，使用中应尽量避免这种情况出现，而控制器必须有这项保护功能。控制器设计应确保工作在正常电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和驱动功率器件。为了防止过放电，控制器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阈值（一般为标称电压的0.85），关闭控制器输出。3 芯片特性简介SPMC65P2404A是凌阳推出的8位工业控制单片机，最高工作频率为8MHz，工作电压3.0V~5.0V，有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM，具备23个可编程IO口，内置上/下拉电阻，8通道10位A/D转换器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括： ◆凌阳科技8位单片机 ☉182条指令 ☉11种寻址模式 ☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test） ◆2个8位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值) ☉普通的定时/计数器 ☉具有8位捕获功能 ☉具有8位比较功能 ◆2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值) ☉普通的定时/计数器 ☉具有8或16位捕获功能 ☉具有16位比较功能 ☉12位PWM输出 ◆中断方式 ☉支持IRQ和NMI中断 ☉4种外部中断 ☉12种内部中断 ◆具有SPI总线：最高通信速率为2Mbps ◆5种复位功能：上电复位、低电压复位、看门狗复位、外部复位及错误地址复位 ◆支持3种时钟电路：晶体振荡器、RC振荡、外部信号 ◆2种低功耗模式：Halt模式和Stop模式 ◆一个蜂鸣器驱动输出口4 系统设计电动自行车控制器整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、ＭＯＳＦＥＴ全桥电路、限流电路等，如下图所示。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向• 转子位置检测电路无刷直流电动机定子绕组采用三相型接法，3个霍尔位置传感器的空间间距为６０°即电角度为１２０°，可以使用数模转换器（ADC）来实现霍尔信号进行采样和转换，或者使用脉冲信号检测电路实现位置信号检测。• 测速电路要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制，首先要准确地测量出它的转速。可以利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至单片机的外部中断源的输入口。随着电动机的转动，中断输入口将不断接收到脉冲信号并进入中断服务程序，在中断服务程序中启动一定时器以开始计时，直至下一次进入该中断程序时，停止计定时，此时，定时器的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间，据此即可计算出电动机的转速。• 换向调速电路无刷直流电动机转速的控制方法采用电枢电压控制法， 设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为Ｕｄ，则电机电枢两端电压的平均值为Ｕａ＝(Ｔ１－Ｔ２)Ｕｄ／(Ｔ１＋Ｔ２)＝(２Ｔ１／Ｔ２－１)Ｕｄ＝(２α－１)Ｕｄ其中α为占空比，通过改变α的值可达到调压的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范围是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而电机可以在正、反两个方向调速运转。在调速过程中，单片机采样电动自行车手柄上可调电阻的电压，再经A/D转换后,将处理后的数值送ＰＷＭ寄存器，控制单片机输出占空比可调的ＰＷＭ信号。该信号和来自限流电路中的输出信号一起，在限流电路不工作的情况下输出ＰＷＭ信号，以配合软件来控制ＭＯＳＦＥＴ全桥电路换相导通，实现电机的换向。因此,通过调节单片机ＰＷＭ信号的占空比,最终可改变加在电动机定子绕组上的电压,从而实现电动机的调速。
