电动自行车工作原理与图解 (2)

E-bike

电动自行车工作原理

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SPMC65P2404A作为主控MCU。MCU主要任务是进行调速电压检测，电池电压检测，电流检测，过流中断检测，3路霍尔位置信号检测，1路霍尔位置信号中断检测，刹车信号检测，1：1助力检测，温度检测，故障显示输出，PWM控制电机转速输出，6路电机驱动输出，系统方框图如下：

图 2-1系统方框图

3 控制器电气规格

★型式：直流无刷★额定功率：240W

★额定电压：36V ★额定转速：210R/MIN

★额定扭矩：8.5N.M ★欠压保护：31.5 ± 0.5V

★过流保护：15 ± 1A

4 控制器功能介绍

★1：1助力；★刹车断电，刹车灯供电；

★自动巡航；★欠压保护（31.5V ± 0.5 ）；

★电子刹车；★休眠省电功能。

★过流保护（限流为15A ± 1 ）；

★堵转断流（倒转，转把复位，重电源，自动复位）；

4.1 1：1助力

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

4.2 电子刹车

电子刹车，就是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上臂（或者下臂）全部导通而下臂（或者上臂）截止，电机三相接线全部短接，能使电机产生阻力，达到刹车的效果。

4.3 自动巡航

自动巡航，是指把调速车把转到所需的角度，电动自行车达到相应车速后，在5S(时间可变)内调速车把不转动，则电动自行车就保持在这个速度行驶，这时骑行者可以松开调速车把，免去手一直拧着调速车把之累。自动巡航后只有松开调速车把，并重新旋转调速车把，才可以再次调节电动自行车的行驶速度。

4.4 堵转断流

堵转断流，是指电动自行车超载时，或是在爬坡时电流过大或者是阻力过大时,导致电机停止转动，系统能检测到这种现象，停止对电机的输出，起到保护作用。发生堵转断流后，只要满足倒转，复位调速车把或电源关闭后再重新打开，三个条件中的一个，系统会重新检测是否有堵转，如果恢复正常，系统会重新正常工作。

4.5 智能过流保护

智能过流保护，一是指在高速时(平坦的道路上)，最大电流不可以超过15A；二是速度很低时，尤其是在爬坡时电流不可以超过23A，过流保护的参考极限电流跟当前车速有关。

4.6 智能欠压保护

智能欠压保护，当蓄电池电压降至额定值的90%，36V电池降为31.5V时，电池自动停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。系统会自动检测电池是否欠压，欠压会停止继续工作。在电池欠压停止工作时，会出现电池电压短时间回升，虽然超过欠压的电压值，但系统应不工作，只有当电池电压稳定到额定电压以上，电动自行车才开始正常工作。

4.7 休眠省电

当系统在通电状态下，无任何操作，5分钟后会进入到休眠模式，人为转动车轮便可以唤醒系统，继续正常工作。

5 控制板界面

图 5-1系统硬件

6 芯片特性简介

SPMC65P2404A是由凌阳公司设计开发的8位工业级单片机，采用凌阳SPMC65内核，支持位操作指令。具有强大的定时/计数器、丰富的外部中断源以及ADC、PWM、标准通讯接口SPI等多种功能。适用于通用工控场合、计算机外围控制和家电等。SPMC65P2404A有20管脚和 28管脚两种封装。本设计选用28管脚封装，如图 6?1所示。28管脚封装芯片的具体特性如下：

◆ 工作电压：3.0V～5.5V

◆ 工作速度：8MHz

◆ 工作温度：-40℃～85 ℃

◆ 超强抗干扰、抗静电ESD保护能力

◆ 4K byte ROM，192 byte RAM

◆ 23个通用输入输出口

◆ 强大的定时计数器：2个8位、2个16位具有Capture\Compare\PWM功能

◆ 1个1KHz～62.5KHz的时基

◆ 8通道10位精度的ADC(带外部参考电压)

◆ 4个外部中断，12个内部中断

◆ SPI串行通讯接口

◆ 2种省电模式：Halt、Stop

◆ 蜂鸣器输出功能

◆ 4.0V/2.5V可选低电压复位功能

◆ 可编程看门狗功能

图 6-1 SPMC65P2404A*28P封装

7 系统主流程设计

主程序主要采用时间槽轮循方式，每1MS走一个分支，共分四个分支，便于

程序控制和功能增加。

图 7－1主流程图

8 结语

SPMC65系列芯片以优异的性能和丰富的资源适合于各个公控场合。本设计采用SPMC65P2404A做为主控芯片开发的电动自行车，真正做到低成本、高性能。

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