SPMC65P2404A單片機(jī)在電動自行車控制器中的應(yīng)用

www.yszdbk.com 來源：中國電動車信息網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 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(guān)鍵部件主要是電動機(jī)及其控制器、電池。目前主流產(chǎn)品中使用的電池主要是鉛酸電池，其優(yōu)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(yīng)，不能實現(xiàn)隨時充電。部分產(chǎn)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(guān)鍵部件就是電機(jī)機(jī)，本章內(nèi)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(jī)，直流永磁電機(jī)按照是否采用電刷換向可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種，有刷電機(jī)是直流電機(jī)的主流產(chǎn)品，目前絕大多數(shù)電動自行車電機(jī)都是有刷電機(jī)。無刷電機(jī)是一種特殊的直流電機(jī)，它采用內(nèi)置傳感器外加電子換向器的方法進(jìn)行電子換向，無刷電機(jī)主要是為了消除電刷的磨損，以及電刷接觸所產(chǎn)生的噪聲。目前一些新產(chǎn)品使用無刷直流電機(jī)，在電動汽車上大多使用無刷電機(jī)。其中有刷電機(jī)控制較簡單，但因其電刷易磨損的電刷帶來的維修保養(yǎng)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(jī)因為本身沒有易磨損部件，電機(jī)壽命長，維修保養(yǎng)工作量小。但直流無刷電機(jī)采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機(jī)復(fù)雜得多，因此對控制器質(zhì)量的要求也高得多。電動自行車中影響質(zhì)量的最主要的部件是電機(jī)和控制器，當(dāng)電機(jī)確定后，控制器的質(zhì)量就決定了電動自行車的運行好壞�？刂破鞯馁|(zhì)量由其控制特性和可靠性兩方面決定�？刂铺匦灾饕鸽姍C(jī)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、調(diào)速特性和負(fù)載能力。運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性除與電機(jī)機(jī)械和裝配質(zhì)量有一定的關(guān)系外，還與控制器、電機(jī)間的匹配及采用的控制技術(shù)有密切的關(guān)系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設(shè)計、裝配質(zhì)量等因素有關(guān)，其中，尤以控制器所用的功率驅(qū)動管的負(fù)載能力最為重要。在騎行中，控制器的驅(qū)動管處于大電流的開關(guān)運行過程，因此，從某種意義上講，驅(qū)動器的帶負(fù)載運行能力是控制器最重要的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)控制對象電動機(jī)的不同，控制器可分為直流有刷電機(jī)控制器和直流無刷電機(jī)控制器。目前電動自行車采用的直流無刷電機(jī)都是三相電機(jī)，電角度有60度和120度兩種。電機(jī)極數(shù)大部分為18極，也有16極、20極等�？刂破鞲鶕�(jù)霍爾反饋的電機(jī)電極位置，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動管的開通或關(guān)斷，在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電動自行車用電機(jī)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(jī)）（或?qū)?4V電機(jī)，6.25～7.5A）。短時間工作電流可達(dá)8A（10A），當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，瞬間電流可達(dá)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(qū)動管溫度急劇上升，損壞驅(qū)動管，以致于損壞控制器。因此，使用中應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn)，而控制器必須有這項保護(hù)功能。控制器設(shè)計應(yīng)確保工作在正常電流范圍內(nèi)，允許有一定的過載能力和大電流自動保護(hù)功能，以保護(hù)電池和驅(qū)動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進(jìn)行檢測，一旦低于閾值（一般為標(biāo)稱電壓的0,85），關(guān)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(diào)節(jié)，二是過電流控制，三是欠電壓保護(hù)。其中，欠壓保護(hù)的下限一般為1.75V/只，過流保護(hù)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(xiàn)電機(jī)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(nèi)保持較好的電壓平臺，控制蓄電池內(nèi)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(jī)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(xiàn)象，超靜音無刷控制器針對電機(jī)本身限制，在控制器的噪音控制技術(shù)上有了突破性進(jìn)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(zhuǎn)換按鈕，將顯示板上的指示燈調(diào)整到助力狀態(tài)。電動車就會進(jìn)入1:1助力騎行模式。 3．"電動"功能：當(dāng)騎行者騎行時，按動模式轉(zhuǎn)換按鈕，將顯示板上的指示燈調(diào)整到電動狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，就可以控制電動車行駛速度(Tempo)了。 4．"定速"功能：當(dāng)用戶在騎行過程中以轉(zhuǎn)把控制電動車時，在保持轉(zhuǎn)把當(dāng)前位置不變的情況下，按動模式轉(zhuǎn)換按鈕，將顯示面板上的指示燈調(diào)整到定速模式，此時控制器將進(jìn)入定速巡航狀態(tài)。 5．"限速"功能：根據(jù)國際規(guī)定，電動車行駛速度(Tempo)不得超過20km/h。當(dāng)控制器上的限速電位器調(diào)到合適位置時，電動車速度(Tempo)就會符合該國際規(guī)定。 6. 保護(hù)功能：欠壓保護(hù)、限流保護(hù)。電動自行車用電機(jī)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(jī)）（或?qū)?4V電機(jī)，6.25～7.5A）。短時間工作電流可達(dá)8A（10A），當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，瞬間電流可達(dá)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(qū)動管溫度急劇上升，損壞驅(qū)動管，以致于損壞控制器。因此，使用中應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn)，而控制器必須有這項保護(hù)功能�？刂破髟O(shè)計應(yīng)確保工作在正常電流范圍內(nèi)，允許有一定的過載能力和大電流自動保護(hù)功能，以保護(hù)電池和驅(qū)動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進(jìn)行檢測，一旦低于閾值（一般為標(biāo)稱電壓的0.85），關(guān)閉控制器輸出。 3 芯片特性簡介 SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業(yè)控制單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，具備23個可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括： ◆凌陽科技8位單片機(jī) ☉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(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值) 　　 ☉普通的定時/計數(shù)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(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值) 　　 ☉普通的定時/計數(shù)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(nèi)部中斷　　 ◆具有SPI總線：最高通信速率為2Mbps 　　 ◆5種復(fù)位功能：上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、外部復(fù)位及錯誤地址復(fù)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(qū)動輸出口 4 系統(tǒng)設(shè)計電動自行車控制器整個系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測電路、測速電路、調(diào)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(jī)由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換向 • 轉(zhuǎn)子位置檢測電路無刷直流電動機(jī)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）來實現(xiàn)霍爾信號進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，或者使用脈沖信號檢測電路實現(xiàn)位置信號檢測。 • 測速電路要對無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，首先要準(zhǔn)確地測量出它的轉(zhuǎn)速。可以利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。先將位置傳感器信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路后送至單片機(jī)的外部中斷源的輸入口。隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，中斷輸入口將不斷接收到脈沖信號并進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中啟動一定時器以開始計時，直至下一次進(jìn)入該中斷程序時，停止計定時，此時，定時器的計時結(jié)果便是電動機(jī)轉(zhuǎn)動一圈所需的時間，據(jù)此即可計算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 • 換向調(diào)速電路無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法采用電樞電壓控制法，設(shè)加在電機(jī)電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ｕｄ，則電機(jī)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(dá)到調(diào)壓的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范圍是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而電機(jī)可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。在調(diào)速過程中，單片機(jī)采樣電動自行車手柄上可調(diào)電阻的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,將處理后的數(shù)值送ＰＷＭ寄存器，控制單片機(jī)輸出占空比可調(diào)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(dǎo)通，實現(xiàn)電機(jī)的換向。因此,通過調(diào)節(jié)單片機(jī)ＰＷＭ信號的占空比,最終可改變加在電動機(jī)定子繞組上的電壓,從而實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速。