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助(zhu)力低碳出行(xing) | 基于ACM32 MCU的(de)電動滑板(ban)車方(fang)案


前言


隨著智能科(ke)技的(de)(de)快速發展(zhan),電(dian)動(dong)滑(hua)板(ban)車的(de)(de)驅動(dong)系(xi)統(tong)(tong)也得到(dao)了長足的(de)(de)發展(zhan)。國內外的(de)(de)電(dian)動(dong)滑(hua)板(ban)車用電(dian)機(ji)驅動(dong)系(xi)統(tong)(tong)分(fen)為(wei)傳統(tong)(tong)刷(shua)(shua)式電(dian)機(ji)和(he)無刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)兩種類型(xing)。其(qi)中,傳統(tong)(tong)的(de)(de)刷(shua)(shua)式電(dian)機(ji)已經(jing)逐漸被無刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)所取代,無刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)的(de)(de)性能和(he)壽命都(dou)更出(chu)色(se),已成為(wei)電(dian)動(dong)滑(hua)板(ban)車驅動(dong)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)主(zhu)流。




根據QYRESEARCH數據顯示,2020年,全球電動滑板車產量為425萬輛。預計2027年產量達到1001萬輛,2021-2027年復合增長率12.35%。2020年全球總產值達12.1億美元。全國范圍內,2020年中國的產量達364萬輛,占全球電動滑板車總產量的85.52%;其次北美產量達53萬輛,占全球的12.5%,電動滑板車行業總體繼續保持穩健增長,協調發展的良好態勢,歐美日大部分從中國進口電動滑板車。




一、ACM32F403系列芯片(pian)規格介紹


?  采用(yong)M33內核,主頻(pin)最(zui)高(gao)(gao)可達180MHz,處理性能最(zui)高(gao)(gao)可達248DMIPS(基于Dhrystone 2.1測(ce)試)


?  工作電(dian)壓范圍:1.7V~3.6V


?  eFlash:256KB/512KB


?  SRAM:96KB/192KB


?  高速高精(jing)度ADC,12位分辨(bian)率(lv),2Msps


?  高級(ji)定時(shi)器1個(ge),支持六步 PWM 輸出,32位通用(yong)計時(shi)器1個(ge),16位通用(yong)計時(shi)器6個(ge)


?  通訊接口豐富:UART×4,LPUART×1,SPI×3,I2C×2,I2S×1,CAN×2,USBFS×1


?  封裝類(lei)型(xing)豐富:QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100


?  車規級工作范圍:-40℃~125℃


?  工業級ESD標準:4000V(HBM)


?  內建 AES、 CRC、 TRNG等算法(fa)模塊,支持數學硬件(jian)加(jia)速


二、上(shang)海(hai)航芯電動滑(hua)板車(che)驅動方案




上海航(hang)芯電(dian)動滑板車方案采用(yong)ACM32F403作為主控芯片,主要電(dian)力來源為24V鋰(li)電(dian)池組,通(tong)過電(dian)源轉換,為控制系統供電(dian),同時(shi)也提(ti)供MOS的門級驅動。通(tong)過HALL傳(chuan)感器獲取(qu)輪轂電(dian)機的位置信息以(yi)及相位,通(tong)過高(gao)速ADC采樣相關電(dian)流。


三、有感FOC電機控制


系 統 采 用 磁(ci) 場(chang) 導 向 控(kong) 制(zhi) (Field-oriented Control,FOC) 算(suan)法(fa),FOC算(suan)法(fa)的(de)實質(zhi)是運(yun)用坐(zuo)標(biao)(biao)變換(huan)將三相靜(jing)止(zhi)坐(zuo)標(biao)(biao)系下(xia)的(de)電機相電流(liu)轉(zhuan)換(huan)到相對于轉(zhuan)子磁(ci)極(ji)軸線靜(jing)止(zhi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標(biao)(biao)系上(shang),通過控(kong)制(zhi)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標(biao)(biao)系下(xia)的(de)矢量大(da)小(xiao)和方(fang)向達到控(kong)制(zhi)電機目的(de)。




具體控制過(guo)程如下:


(1)設置(zhi)iq_Ref的(de)值來控(kong)制電(dian)機轉矩輸出,將(jiang)iq_Ref設置(zhi)為0


(2)測(ce)量三(san)相定子(zi)(zi)電(dian)流ia、ib、ic。參照(zhao)結(jie)合基爾(er)霍夫定律:ia+ib+ic=0因此,實際上只(zhi)要(yao)測(ce)量A相和B相定子(zi)(zi)電(dian)流ia和ib,C相定子(zi)(zi)電(dian)流就能夠借助(zhu)上面(mian)的公式計算出來


(3)將測得(de)(de)的(de)三相定子電流借助Clarke變換變換到二相靜止(zhi)坐標系α-β坐標系中,得(de)(de)到iα和iβ


(4)借助位(wei)置編碼器檢測轉子角(jiao)度,得(de)到(dao)(dao)電角(jiao)度θ。如下圖,d-q旋轉坐標(biao)系(xi)相對于(yu)α-β靜態(tai)坐標(biao)系(xi)逆時針旋轉角(jiao)度θ,得(de)到(dao)(dao)id,iq。在(zai)穩態(tai)條件下,Id和Iq是常(chang)數(shu)




(5)將id和iq的實際值與各自信號的參考值id_Ref和iq_Ref進行比較得到誤差信號。將誤差信號輸入PI控制器,得到應當需要施加在電機上的電壓矢量Vd和Vq


(6)借助新的電(dian)角度,將(jiang)PI控制(zhi)器輸(shu)出的電(dian)壓矢量Vd和Vq借助Park逆變換到靜止參考系α-β,求出正交電(dian)壓值Vα和Vβ


(7)Vα和Vβ經Clarke3逆變換得到三相定子(zi)應當需(xu)要施加的電(dian)壓值Va、Vb、Vc


(8)3相電(dian)壓值Va、Vb、Vc可用于(yu)計算(suan)新的PWM占空比值,并借助SVM機制更(geng)新各相PWM輸出,生成所需的電(dian)壓矢(shi)量。這(zhe)個(ge)過程也稱為SVPWM


(9)參(can)照(zhao)結合控制對象當前狀態更新參(can)考值iq_Ref,然后返(fan)回(hui)1)開始(shi)新一輪調整


結語(yu)  


隨著社會(hui)環保意(yi)識的提(ti)高和城市交通擁堵問(wen)題的加劇,電(dian)動滑板車作為一(yi)(yi)種(zhong)綠(lv)色(se)(se)、便攜、省錢的交通工具,將會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)受歡迎。各(ge)國(guo)向人們提(ti)供旅游(you)補貼,提(ti)倡綠(lv)色(se)(se)旅游(you),中國(guo)對(dui)歐洲的自行車和電(dian)動滑板車出口猛增。中國(guo)有一(yi)(yi)個完整的產(chan)業鏈,從零部件(jian)到(dao)整車裝配,電(dian)動滑板車的未來(lai)仍(reng)是一(yi)(yi)個不(bu)斷(duan)升溫的過(guo)程(cheng)。