SPMC65P2404A單片機在電動自行車控制器中的應用

www.gzyongxun.cn 來源：中國電動車信息網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2006-2-22

電動自行車控制器功能及分類控制器分類電動自行車上關鍵部件主要是電動機及其控制器、電池。目前主流產品中使用的電池主要是鉛酸電池，其優點是價格便宜，缺點是存在二次污染，體積大，比較笨重，充電具有記憶效應，不能實現隨時充電。部分產品有用到鎳氫電池及鋰電池，但價格較貴。電動自行車上另一個關鍵部件就是電機機，本章內容主要針對電動自行車的控制器來說明其工作原理。目前電動自行車廣泛采用的是直流永磁電機，直流永磁電機按照是否采用電刷換向可分為有刷電機和無刷電機兩種，有刷電機是直流電機的主流產品，目前絕大多數電動自行車電機都是有刷電機。無刷電機是一種特殊的直流電機，它采用內置傳感器外加電子換向器的方法進行電子換向，無刷電機主要是為了消除電刷的磨損，以及電刷接觸所產生的噪聲。目前一些新產品使用無刷直流電機，在電動汽車上大多使用無刷電機。其中有刷電機控制較簡單，但因其電刷易磨損的電刷帶來的維修保養工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點。而直流無刷電機因為本身沒有易磨損部件，電機壽命長，維修保養工作量小。但直流無刷電機采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機復雜得多，因此對控制器質量的要求也高得多。電動自行車中影響質量的最主要的部件是電機和控制器，當電機確定后，控制器的質量就決定了電動自行車的運行好壞。控制器的質量由其控制特性和可靠性兩方面決定。控制特性主要指電機運轉的平穩性、調速特性和負載能力。運轉的平穩性除與電機機械和裝配質量有一定的關系外，還與控制器、電機間的匹配及采用的控制技術有密切的關系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設計、裝配質量等因素有關，其中，尤以控制器所用的功率驅動管的負載能力最為重要。在騎行中，控制器的驅動管處于大電流的開關運行過程，因此，從某種意義上講，驅動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術指標。根據控制對象電動機的不同，控制器可分為直流有刷電機控制器和直流無刷電機控制器。目前電動自行車采用的直流無刷電機都是三相電機，電角度有60度和120度兩種。電機極數大部分為18極，也有16極、20極等。控制器根據霍爾反饋的電機電極位置，控制相應的功率驅動管的開通或關斷，在定子中產生旋轉磁場，驅動電機的轉子轉動。電動自行車用電機功率大多在150W～180W之間，采用36V/24V電池供電。正常工作時，額定電流在4.5～5A（對36V電機）（或對24V電機，6.25～7.5A）。短時間工作電流可達8A（10A），當電機停止轉動時，瞬間電流可達13～15A。目前，電動自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池，電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命。大電流放電還會引起控制器功率驅動管溫度急劇上升，損壞驅動管，以致于損壞控制器。因此，使用中應盡量避免這種情況出現，而控制器必須有這項保護功能。控制器設計應確保工作在正常電流范圍內，允許有一定的過載能力和大電流自動保護功能，以保護電池和驅動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進行檢測，一旦低于閾值（一般為標稱電壓的0,85），關閉控制器輸出。控制器功能電動自行車中的控制器一般必須具備三大功能，一是速度(Tempo)調節，二是過電流控制，三是欠電壓保護。其中，欠壓保護的下限一般為1.75V/只，過流保護或限流功能則有雙重的作用，一方面是限制電動輪轂的最大輸入功率，防止在意外情況下出現電機燒毀，最大功率的限制值一般為432～540W；另一方面也兼顧蓄電池的最大輸出功率限制，一般為（1～1.25）C，蓄電池輸出特性如果能在1.25C范圍內保持較好的電壓平臺，控制蓄電池內阻，則已可以完全滿足電動自行車的需求。 1．超靜音功能：眾所周知，由于無刷電機制作工藝的限制，在無刷電動車啟動過程中伴隨有噪音以及振動現象，超靜音無刷控制器針對電機本身限制，在控制器的噪音控制技術上有了突破性進展！將啟動過程中的噪音及振動降到了最低。 2．"1:1助力"功能：騎行者騎行時，按動模式轉換按鈕，將顯示板上的指示燈調整到助力狀態。電動車就會進入1:1助力騎行模式。 3．"電動"功能：當騎行者騎行時，按動模式轉換按鈕，將顯示板上的指示燈調整到電動狀態，然后轉動轉把，就可以控制電動車行駛速度(Tempo)了。 4．"定速"功能：當用戶在騎行過程中以轉把控制電動車時，在保持轉把當前位置不變的情況下，按動模式轉換按鈕，將顯示面板上的指示燈調整到定速模式，此時控制器將進入定速巡航狀態。 5．"限速"功能：根據國際規定，電動車行駛速度(Tempo)不得超過20km/h。當控制器上的限速電位器調到合適位置時，電動車速度(Tempo)就會符合該國際規定。 6. 保護功能：欠壓保護、限流保護。電動自行車用電機功率大多在150W～180W之間，采用36V/24V電池供電。正常工作時，額定電流在4.5～5A（對36V電機）（或對24V電機，6.25～7.5A）。短時間工作電流可達8A（10A），當電機停止轉動時，瞬間電流可達13～15A。目前，電動自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池，電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命。大電流放電還會引起控制器功率驅動管溫度急劇上升，損壞驅動管，以致于損壞控制器。因此，使用中應盡量避免這種情況出現，而控制器必須有這項保護功能。控制器設計應確保工作在正常電流范圍內，允許有一定的過載能力和大電流自動保護功能，以保護電池和驅動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進行檢測，一旦低于閾值（一般為標稱電壓的0.85），關閉控制器輸出。 3 芯片特性簡介 SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業控制單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節的RAM和4K字節的OTP ROM，具備23個可編程IO口，內置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括： ◆凌陽科技8位單片機 ☉182條指令　　 ☉11種尋址模式　　 ☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）　　 ◆2個8位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值) 　　 ☉普通的定時/計數器　　 ☉具有8位捕獲功能　　 ☉具有8位比較功能　　 ◆2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值) 　　 ☉普通的定時/計數器　　 ☉具有8或16位捕獲功能　　 ☉具有16位比較功能　　 ☉12位PWM輸出　　 ◆中斷方式　　 ☉支持IRQ和NMI中斷　　 ☉4種外部中斷　　 ☉12種內部中斷　　 ◆具有SPI總線：最高通信速率為2Mbps 　　 ◆5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門狗復位、外部復位及錯誤地址復位　　 ◆支持3種時鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號　　 ◆2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式　　 ◆一個蜂鳴器驅動輸出口 4 系統設計電動自行車控制器整個系統主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、ＭＯＳＦＥＴ全橋電路、限流電路等，如下圖所示。其中無刷直流電機由電動機本體、轉子位置檢測器和電子開關電路三部分組成。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉子的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而實現電子換向 • 轉子位置檢測電路無刷直流電動機定子繞組采用三相型接法，3個霍爾位置傳感器的空間間距為６０°即電角度為１２０°，可以使用數模轉換器（ADC）來實現霍爾信號進行采樣和轉換，或者使用脈沖信號檢測電路實現位置信號檢測。 • 測速電路要對無刷直流電動機的轉速進行準確的控制，首先要準確地測量出它的轉速。可以利用轉子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機的轉速。先將位置傳感器信號經過采樣調理電路后送至單片機的外部中斷源的輸入口。隨著電動機的轉動，中斷輸入口將不斷接收到脈沖信號并進入中斷服務程序，在中斷服務程序中啟動一定時器以開始計時，直至下一次進入該中斷程序時，停止計定時，此時，定時器的計時結果便是電動機轉動一圈所需的時間，據此即可計算出電動機的轉速。 • 換向調速電路無刷直流電動機轉速的控制方法采用電樞電壓控制法，設加在電機電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ｕｄ，則電機電樞兩端電壓的平均值為 Ｕａ＝(Ｔ１－Ｔ２)Ｕｄ／(Ｔ１＋Ｔ２)＝(２Ｔ１／Ｔ２－１)Ｕｄ＝(２α－１)Ｕｄ其中α為占空比，通過改變α的值可達到調壓的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范圍是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而電機可以在正、反兩個方向調速運轉。在調速過程中，單片機采樣電動自行車手柄上可調電阻的電壓，再經A/D轉換后,將處理后的數值送ＰＷＭ寄存器，控制單片機輸出占空比可調的ＰＷＭ信號。該信號和來自限流電路中的輸出信號一起，在限流電路不工作的情況下輸出ＰＷＭ信號，以配合軟件來控制ＭＯＳＦＥＴ全橋電路換相導通，實現電機的換向。因此,通過調節單片機ＰＷＭ信號的占空比,最終可改變加在電動機定子繞組上的電壓,從而實現電動機的調速。