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本文主要介紹電動自行車主控板方案的實現。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展迅猛，產量連年成倍增長，2004年產量已達到676萬輛，2005年也在1000萬輛左右。長三角、珠三角、環渤海灣則是電動車的重要生產基地。業界人士稱，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，并根據國家標準驗證其性能，走進國內各家電生產廠家。
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1?工作原理
電動自行車是具有電力驅動、腳踏驅動、電力和腳踏并用等功效的綠色環保交通工具。電動自行車的原理和結構都不復雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅動機構組成(見圖 1?1)。蓄電池經過一個控制器給一個電機送電，電機放在后車輪中，電機的旋轉帶動自行車的行進。電動自行車的控制器連接一個調速手柄，在腳踏中軸上裝有助力傳感器，轉動調速手柄可以讓控制器檢測到不同的電壓值，控制器根據電壓值大小，模擬調節輸送給電機電壓的高低，從而控制了電機的轉速。
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電機的位置反饋信號，控制電機三相驅動上下臂MOS管的導通和截止，從而實現電子換向。如下圖所示，電機為三角形連接，三相驅動上下臂各MOS管導通順序組合為:V1-V2，V2-V3, V3-V4，V5-V4，V5-V6，V1-V6。
圖 1－2驅動電路
2?系統方框圖
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、在線調試功能、異常顯示輸出、剎車控制、6路電機驅動輸出、速度顯示接口、高速限速。系統方框圖如下：
3?控制器電氣規格
★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????????????????? ???◆堵轉斷電
??????? ◆高速限速????????????????? ???◆剎車控制
??????? ◆反轉無阻尼??????????????? ???◆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調速車把，電動車電源打開時，電動車會根據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、較短距離內穩住車輛。
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)內不轉動，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把回復后再轉動即可解除。
4.8 輸出電壓波形
提供方波電壓波形輸出。
4.9 翻轉無阻尼
向后推進無阻力，倒轉輕松。
4.10 堵轉斷電
由軟件智能偵測馬達堵轉條件，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速，使用短路線短路時可降低最大轉速，開路時可轉至最大轉速。
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，控制器便轉入休眠狀態，以節省蓄電池電量。
4.14 MCU內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 高精度轉速計數器
強大的變頻控制芯片，內含16位轉速界面計數器，可提高速度計算的精準度，避免轉速抖動等現象。
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，內核采用凌陽科技自主知識產權的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 、定時計數器等常硬件模塊，以及能產生電機驅動波形的 PWM 發生器、多功能的捕獲比較模塊、 BLDC 電機驅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：
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?? 高性能的 16位內核 ?? 凌陽 16位u'nSP處理器 ?? 2種低功耗模式：Wait/Standby ?? 片內低電壓檢測電路 ?? 片內基于鎖相環的時鐘發生模塊 ?? 最高 運行速度： 24MHz ?? 芯片內存儲器 ?? 32KW (32K×16) Flash ?? 2KW (2K×16) SRAM ?? 工作 溫度 ： -40 ℃～85 ℃ ?? 10位的ADC模塊 ?? 可編程的轉換速率，最大轉換速率 100Ksps ?? 6個外部輸入通道 ?? 可與 PDC或是MCP等定時器聯動，實現電機控 ?? 串行 通訊 接口 ?? 通用異步串行通訊接口 (UART) ?? 標準外圍接口 (SPI) ?? 33個通用輸入輸出管腳 ?? 可編程看門狗定時器 |
?? PDC定時器 ?? 兩個 PDC定時器PDC0和PDC1 ?? 可同時處理三路捕獲輸入 ?? 可產生三路 PWM輸出（中心對稱或邊沿方式） ?? BLDC驅動的專用位置偵測接口（PDC1） ?? 兩相增量碼盤接口（ PDC1），支持四種工作模式， ?? 普通的定時器功能 ?? MCP定時器 ?? 一個 MCP定時器MCP4 ?? 能夠產生三相六路可編程的 PWM波形（中心對 ?? 提供 PWM占空比值同步載入邏輯 ?? 可選擇與 PDC的位置偵測變化同步 ?? 可編程的硬件死區插入功能，死區時間可設定 ?? 可編程的錯誤和過載保護邏輯 ?? 普通的定時器功能 ?? TPM定時器2 ?? 可同時處理二路捕獲輸入 ?? 可產生二路 PWM輸出（中心對稱或是邊沿方式） ?? 普通的定時器功能 ?? 兩個 CMT定時器 通用 16位定時器 |
圖 5－1 SPMC75f2313A～LQFP44封裝
工商網監
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