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SPMC75F2313A在电动自行车中的应用
文章来源:凌阳单片机推广中心  发布时间:2006-4-12 18:01:17

摘  要:本文主要介绍电动自行车主控板方案的实现。本设计以凌阳科技公司的16位单片机SPMC75F2313A为核心,采用直流无刷电机,具有堵转断电、电子软刹车(EBS)、自动巡航、防止爬坡倒车等功能,真正实现了电动自行车的高性能。

关键词:凌阳单片机  SPMC75F2313A  电动自行车  直流无刷电机 

引  言
  我国是世界上把自行车作为交通工具和使用量最大的国家,目前自行车拥有量近5亿辆,其中电动自行车近年来发展迅猛,产量连年成倍增长,2004年产量已达到676万辆,2005年也在1000万辆左右。长三角、珠三角、环渤海湾则是电动车的重要生产基地。业界人士称,在5亿辆的自行车中,如果其中的10%以电动自行车替代,就是5000万辆,以平均每辆2000元来计算,最保守的估计也是1000亿元的大蛋糕,市场前景十分广阔。
  这篇文章的主要目的是希望能够大力推动SPMC75系列芯片的应用,并根据国家标准验证其性能,走进国内各家电生产厂家。
 
1 工作原理
  电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。电动自行车的原理和结构都不复杂,可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成(见图 1?1)。蓄电池经过一个控制器给一个电机送电,电机放在后车轮中,电机的旋转带动自行车的行进。电动自行车的控制器连接一个调速手柄,在脚踏中轴上装有助力传感器,转动调速手柄可以让控制器检测到不同的电压值,控制器根据电压值大小,模拟调节输送给电机电压的高低,从而控制了电机的转速。

图 1-1电动自行车控制方框图

  控制器无刷电机控制的方法是根据电机的位置反馈信号,控制电机三相驱动上下臂MOS管的导通和截止,从而实现电子换向。如下图所示,电机为三角形连接,三相驱动上下臂各MOS管导通顺序组合为:V1-V2,V2-V3, V3-V4,V5-V4,V5-V6,V1-V6。

图 1-2驱动电路

2 系统方框图
  电动自行车采用SPMC75F2313A作为主控MCU。MCU主要任务是进行1:1助力、调速电压检测、电池电压检测、电流检测、过流中断检测、3路霍尔位置检测、在线调试功能、异常显示输出、刹车控制、6路电机驱动输出、速度显示接口、高速限速。系统方框图如下:

3 控制器电气规格
  ★使用马达:直流无刷        ★输出功率:500W
  ★输入电压:48/36V DC         ★额定电流:低速(35A)/高速(25A) 
    ★使用温度:-40度~120度      ★欠压保护:41V/31V±1V
    ★控制器耗电量:正常模式<3瓦,省电模式<1.5瓦

4 控制器功能介绍
     ◆零启动                       ◆1:1助力
        ◆自动巡航                     ◆自动辨向
        ◆速度显示                     ◆堵转断电
        ◆高速限速                     ◆刹车控制
        ◆反转无阻尼                   ◆启动低噪音
        ◆智能省电模式                 ◆故障显示输出
        ◆电机相角120度                ◆电子软刹车(EBS)
        ◆MCU内建位置检测抗干扰界面

4.1 电机相角
  可提供给霍尔讯号相差120度电机使用。

4.2 1:1助力
1:1助力是指在没有旋转调速车把,电动车电源打开时,电动车会根据骑行者的骑行速度提供1:1助力。

4.3 电子软刹车(EBS)
  提供智能电子煞车功能,保证在煞车后、较短距离内稳住车辆。

4.4 欠压保护
  提供准确的电压侦测,并由软件判别,可精准的掌握电池电压值、且不会在欠压边界开开关关,可避免过度放电,损害电池。此低电压值可由软件设定。

4.5 自动辨相
  可提供使用者任意连接马达三条线,并由外部输出线决定是否进行识别变相。

4.6 速度显示
  直接回馈马达电压讯号或是霍尔讯号,提供仪表指示使用

4.7 自动巡航
  把手柄转到所需的角度,使电动车达到某一行车速率,在8秒(时间可设定)内不转动,则电动车就可以让车子保持在这个速度上。按下煞车可解除巡行功能或转把回复后再转动即可解除。

4.8 输出电压波形
  提供方波电压波形输出。

4.9 翻转无阻尼
  向后推进无阻力,倒转轻松。

4.10 堵转断电
  由软件智能侦测马达堵转条件,并可断电延时保护,延时时间可由软件设定。

4.11 高速限速
  由短路线设定最大转速,使用短路线短路时可降低最大转速,开路时可转至最大转速。

4.12 零启动
  启动时,不须脚踩,用手把控制也可启动。

4.13 智能省电模式
  电源启动一段时间后,如果用户没有输入任何工作指令,控制器便转入休眠状态,以节省蓄电池电量。

4.14 MCU内建位置检测抗干扰界面
  
强大的变频控制芯片,硬件上提供了霍尔讯号回馈界面,此界面同时提供抗噪声及抗干扰功能,提供更准确的换向,提高马达效率,并减少不当换向。

4.15 高精度转速计数器
  强大的变频控制芯片,内含16位转速界面计数器,可提高速度计算的精准度,避免转速抖动等现象。

4.16 启动低噪音
  起动时,含电流波形修正,噪音低,低振动,以符合需求。 
 
5 芯片特性简介
  本设计选用SPMC75f2313A*LQFP44单片机,内核采用凌阳科技自主知识产权的μ' nSP16位微处理器,集成了多种功能模块:多功能 I/O 口、串行口、 ADC 、定时计数器等常硬件模块,以及能产生电机驱动波形的 PWM 发生器、多功能的捕获比较模块、 BLDC 电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等特殊硬设。
  SPMC75f2313A*LQFP44封装如图 5?1所示,芯片的具体特性如下:

•  高性能的 16位内核

•  凌阳 16位u'nSP处理器

•  2种低功耗模式:Wait/Standby

•  片内低电压检测电路

•  片内基于锁相环的时钟发生模块

•  最高 运行速度: 24MHz

•  芯片内存储器

•  32KW (32K×16) Flash

•  2KW (2K×16) SRAM

•  工作 温度 : -40 ℃~85 ℃

•  10位的ADC模块

•  可编程的转换速率,最大转换速率 100Ksps

•  6个外部输入通道

•  可与 PDC或是MCP等定时器联动,实现电机控
制中的电参量测量

•  串行 通讯 接口

•  通用异步串行通讯接口 (UART)

•  标准外围接口 (SPI)

•  33个通用输入输出管脚

•  可编程看门狗定时器

内嵌在线仿真功能,可实现的在线仿真、调试和下载

 

 

 

•  PDC定时器

•  两个 PDC定时器PDC0和PDC1

•  可同时处理三路捕获输入

•  可产生三路 PWM输出(中心对称或边沿方式)

•  BLDC驱动的专用位置侦测接口(PDC1)

•  两相增量码盘接口( PDC1),支持四种工作模式,
拥有四倍频电路

•  普通的定时器功能

•  MCP定时器

•  一个 MCP定时器MCP4

•  能够产生三相六路可编程的 PWM波形(中心对
称或边沿方式),如三相的SPWM、SVPWM等

•  提供 PWM占空比值同步载入逻辑

•  可选择与 PDC的位置侦测变化同步

•  可编程的硬件死区插入功能,死区时间可设定

•  可编程的错误和过载保护逻辑

•  普通的定时器功能

•  TPM定时器2

•  可同时处理二路捕获输入

•  可产生二路 PWM输出(中心对称或是边沿方式)

•  普通的定时器功能

•  两个 CMT定时器

通用 16位定时器

图 5-1 SPMC75f2313A~LQFP44封装

6 结语
  SPMC75 系列单片机具有很强的抗干扰能力,广泛应用于变频家电、变频器、工业控制等控制领域。

7 参考文献
[1] SPMC75编程指南          凌阳科技网站http://www.sunplusmcu.com/
[2] SPMC75F2313A数据手册        凌阳科技网站http://www.sunplusmcu.com/

                            
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