SPMC75F2313A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(xiàn)。本設計以凌陽科技公司的16位單片機SPMC75F2313A為核心，采用直流無刷電機，具有堵轉(zhuǎn)斷電、電子軟剎車（EBS）、自動巡航、防止爬坡倒車等功能，真正實現(xiàn)了電動自行車的高性能。

關鍵詞：凌陽單片機? SPMC75F2313A? 電動自行車? 直流無刷電機?

引? 言
　　我國是世界上把自行車作為交通工具和使用量最大的國家，目前自行車擁有量近5億輛，其中電動自行車近年來發(fā)展迅猛，產(chǎn)量連年成倍增長，2004年產(chǎn)量已達到676萬輛，2005年也在1000萬輛左右。長三角、珠三角、環(huán)渤海灣則是電動車的重要生產(chǎn)基地。業(yè)界人士稱，在5億輛的自行車中，如果其中的10％以電動自行車替代，就是5000萬輛，以平均每輛2000元來計算，最保守的估計也是1000億元的大蛋糕，市場前景十分廣闊。
　　這篇文章的主要目的是希望能夠大力推動SPMC75系列芯片的應用，并根據(jù)國家標準驗證其性能，走進國內(nèi)各家電生產(chǎn)廠家。
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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)構都不復雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅(qū)動機構組成(見圖 1?1)。蓄電池經(jīng)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(zhuǎn)帶動自行車的行進。電動自行車的控制器連接一個調(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)輸送給電機電壓的高低，從而控制了電機的轉(zhuǎn)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(jù)電機的位置反饋信號，控制電機三相驅(qū)動上下臂MOS管的導通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。如下圖所示，電機為三角形連接，三相驅(qū)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(qū)動電路

2?系統(tǒng)方框圖
　　電動自行車采用SPMC75F2313A作為主控MCU。MCU主要任務是進行1：1助力、調(diào)速電壓檢測、電池電壓檢測、電流檢測、過流中斷檢測、3路霍爾位置檢測、在線調(diào)試功能、異常顯示輸出、剎車控制、6路電機驅(qū)動輸出、速度顯示接口、高速限速。系統(tǒng)方框圖如下：

3?控制器電氣規(guī)格
　　★使用馬達：直流無刷 　　?? ??★輸出功率：500W
　　★輸入電壓：48/36V DC?????? ??★額定電流：低速(35A)/高速(25A)?
????★使用溫度：-40度～120度??? ??★欠壓保護：41V/31V±1V
??? ★控制器耗電量：正常模式<3瓦，省電模式<1.5瓦

4?控制器功能介紹
?　　　 ◆零啟動??????????????????? ???◆1:1助力
??????? ◆自動巡航????????????????? ???◆自動辨向
??????? ◆速度顯示????????????????? ???◆堵轉(zhuǎn)斷電
??????? ◆高速限速????????????????? ???◆剎車控制
??????? ◆反轉(zhuǎn)無阻尼??????????????? ???◆啟動低噪音
??????? ◆智能省電模式?????????????????◆故障顯示輸出
??????? ◆電機相角120度????????????????◆電子軟剎車（EBS）
??????? ◆MCU內(nèi)建位置檢測抗干擾界面

4.1 電機相角
　　可提供給霍爾訊號相差120度電機使用。

4.2 1:1助力
1:1助力是指在沒有旋轉(zhuǎn)調(diào)速車把，電動車電源打開時，電動車會根據(jù)騎行者的騎行速度提供1:1助力。

4.3 電子軟剎車（EBS）
　　提供智能電子煞車功能，保證在煞車后、較短距離內(nèi)穩(wěn)住車輛。

4.4 欠壓保護
　　提供準確的電壓偵測，并由軟件判別，可精準的掌握電池電壓值、且不會在欠壓邊界開開關關，可避免過度放電，損害電池。此低電壓值可由軟件設定。

4.5 自動辨相
　　可提供使用者任意連接馬達三條線，并由外部輸出線決定是否進行識別變相。

4.6 速度顯示
　　直接回饋馬達電壓訊號或是霍爾訊號，提供儀表指示使用

4.7 自動巡航
　　把手柄轉(zhuǎn)到所需的角度，使電動車達到某一行車速率，在8秒(時間可設定)內(nèi)不轉(zhuǎn)動，則電動車就可以讓車子保持在這個速度上。按下煞車可解除巡行功能或轉(zhuǎn)把回復后再轉(zhuǎn)動即可解除。

4.8 輸出電壓波形
　　提供方波電壓波形輸出。

4.9 翻轉(zhuǎn)無阻尼
　　向后推進無阻力，倒轉(zhuǎn)輕松。

4.10 堵轉(zhuǎn)斷電
　　由軟件智能偵測馬達堵轉(zhuǎn)條件，并可斷電延時保護，延時時間可由軟件設定。

4.11 高速限速
　　由短路線設定最大轉(zhuǎn)速，使用短路線短路時可降低最大轉(zhuǎn)速，開路時可轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)速。

4.12 零啟動
　　啟動時，不須腳踩，用手把控制也可啟動。

4.13 智能省電模式
　　電源啟動一段時間后，如果用戶沒有輸入任何工作指令，控制器便轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省蓄電池電量。

4.14 MCU內(nèi)建位置檢測抗干擾界面
　　強大的變頻控制芯片，硬件上提供了霍爾訊號回饋界面，此界面同時提供抗噪聲及抗干擾功能，提供更準確的換向，提高馬達效率，并減少不當換向。

4.15 高精度轉(zhuǎn)速計數(shù)器
　　強大的變頻控制芯片，內(nèi)含16位轉(zhuǎn)速界面計數(shù)器，可提高速度計算的精準度，避免轉(zhuǎn)速抖動等現(xiàn)象。

4.16 啟動低噪音
　　起動時，含電流波形修正，噪音低，低振動，以符合需求。?
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5?芯片特性簡介
　　本設計選用SPMC75f2313A*LQFP44單片機，內(nèi)核采用凌陽科技自主知識產(chǎn)權的μ' nSP16位微處理器，集成了多種功能模塊：多功能 I/O 口、串行口、 ADC 、定時計數(shù)器等常硬件模塊，以及能產(chǎn)生電機驅(qū)動波形的 PWM 發(fā)生器、多功能的捕獲比較模塊、 BLDC 電機驅(qū)動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口等特殊硬設。
　　SPMC75f2313A*LQFP44封裝如圖 5?1所示，芯片的具體特性如下：

圖 5－1 SPMC75f2313A～LQFP44封裝

6?結(jié)語
　　SPMC75 系列單片機具有很強的抗干擾能力，廣泛應用于變頻家電、變頻器、工業(yè)控制等控制領域。