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SPMC65单片机在电动自行车控制器中的应用
文章来源:凌阳单片机推广中心  发布时间:2006-9-20 9:56:40

摘  要: 本文主要介绍电动自行车控制器的市场、功能以及使用SPMC65单片机设计开发电动自行车控制器。
关键词:SPMC65单片机、电动自行车控制器

1 电动自行车概况
  电动自行车分类
  电动自行车一般分为两类,一种是"零启动电动自行车",一般称为电动自行车,这种电动自行车尽管有脚踏骑行功能但可以完全靠电动骑行。还有一种"智能型电动自行车",这种智能型电动自行车不能完全电动骑行,是需要人力骑行的助力电动自行车,一般为一比一助力即人机对等出力。不过现在有些电动车控制器将这两种功能综合在一起,通过功能选择按键可以选择相应的骑行模式。
  市场状况
  据助力车专业委员会不完全统计,全国电动自行车的销售量1998年为5.4万辆,1999年为14万辆,2000年为29万辆,2001年电动自行车的实际销量已超过58万辆,2004年更高达400多万辆,今年则可望达到500万辆,主要销售在苏浙沪、天津一带,在鼓励电动自行车的上海,电动自行车拥有量已达120万辆,其中2005年共销售电动自行车40万辆。专家预计,到2008年我国电动自行车年销量可突破1000万辆,电动自行车制造业已进入高速发展时期。
  据中国自行车协会统计,目前全国电动自行车保有量已超过1000万辆。目前全国自行车的保有量在4亿辆左右,以10%被电动自行车替代,每辆电动自行车2000~3000元计算,这个市场将达到1000亿元左右。千亿元的大蛋糕让人心动,全国已经在自行车的发展基地上自然形成了三大电动自行车板块:以天津为首的天津、南京板块,以上海为首的江浙板块以及以广州为首的广东板块,三足鼎立。中国自行车协会理事长王凤和指出,作为绿色环保产品,电动自行车的发展全国不平衡,其中江浙沪地区占了总额的80%,以旅游城市杭州为例,2003年电动自行车保有量为40万辆,而自行车为100万辆,已经占到40%。
  国外的电动车业近年来也得到了快速的发展。从全球市场上看,日本雅马哈、本田、三洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业,而且日益扩大生产规模;德国、英国、奥地利、意大利、美国等国著名的自行车厂商和公司,也不断加入电动自行车的开发、生产和销售,电动自行车的销售也呈逐年上升趋势。据资料介绍,全球电动自行车数量,在过去6年中,从3.6万辆剧增到50万辆。这样说来,电动车作为暂时的"替代品"或最终的交通、休闲用具,市场前景都不可限量。
  电动自行车相关政策
  电动自行车的第三次升温,首先得益于政府的支持,交通管理部门将电动自行车列为非机动车,使其享受与自行车相同的上牌、管理待遇。市民购买使用电动自行车如同购买自行车一样方便,无需行驶证、驾驶证,无须每年验车。我国目前涉及电动自行车方面的法律法规主要有两个,一个是在生产管理方面,将电动自行车纳入生产许可证管理范畴,未经许可,不得生产、销售;一个是在交通管理方面,将电动自行车纳入非机动车管理范畴。 2004年5月《道路交通安全法》正式将电动自行车列入非机动车辆,但是这并没有完全改变电动自行车尴尬的命运,因为条文中同时把各地是否允许电动车上路的权利交给。
  面临的挑战
  上世纪九十年代,电动自行车在国内露面,尽管不少城市采取"不鼓励、不禁止"的双不政策,但短短几年,便风靡一时。在城市公交拥挤不堪,私家车花费太高的现实下,人们发现,快捷、省力的电动自行车不失为理想的代步工具。以苏州为例,目前市区电动自行车的保有量已达46万多辆,每月新增车辆高达1万辆左右。不过,今年以来,在一些城市,电动自行车的命运却发生了逆转。珠海明令,从今年7月1日起禁止电动自行车上路;而北京也将从2006年1月起取消电动自行车上路的资格。而两地出台此规定的一大理由便是,现在绝大多数电动自行车使用铅酸电池,废弃后若得不到有效处理,将严重污染环境,其危害甚至比汽车尾气还要大。
  实际情况也的确如此。铅酸电池,主要由铅、硫酸、部分其他金属及塑料组成,其内部所含硫酸浓度接近于纯硫酸,酸液具有高溶解性,这种酸液里含有大量的铅、无机盐,随意排放将严重污染土壤和水源,并产生铅蒸气,对空气环境、生态平衡造成破坏。据统计,一组电动车的废电池会污染上万吨水。铅不易被排出体外,还会引发人体代谢、生殖及神经等方面的疾病,而人体的铅含量一旦超标,就会导致智力下降、胎儿畸形,易诱发儿童的恶性肿瘤,甚至导致死亡。电动自行车的电池使用寿命一般在1年,好的能用到1年半。以苏州为例,每年至少要产生数千吨的废弃电池,如同隐性的环境杀手,处理不好将会遗祸无穷。
  事实上,有关"电池污染"的声音这两年来始终未曾停歇,来自媒体,专家学者、乃至政府部门。而珠海等地对电动自行车的"封杀",让制造商们感到了前所未有的生存危机。为电动自行车装配绿色能源,被众多厂商提上议事日程。开发新型实用、绿色环保的动力电池,替代铅酸电池,成为国内各科研机构和生产企业的努力方向。目前有部分厂商开始使用锂电池作为电动车的动力源,但锂电池的价格普遍会比铅酸电池高很多,厂家推出这类产品后,是否能够被消费者接收还有待市场的检验。
2 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(由转子和定子组成)、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,根据定时器的计时结果能计算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正常输出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
5  参考文献
[1] 中国电动自行车的现状与发展趋势.  中国电动车自行车网

 

                            
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