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助(zhu)力(li)低碳出行 | 基于ACM32 MCU的電動(dong)滑板車方案(an)

前言

隨(sui)著智(zhi)能科技的(de)(de)快速發展，電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑板車的(de)(de)驅動(dong)(dong)系(xi)統(tong)也得到了長足的(de)(de)發展。國內(nei)外的(de)(de)電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑板車用(yong)電(dian)(dian)機(ji)驅動(dong)(dong)系(xi)統(tong)分為傳統(tong)刷(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)和無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)兩種類型(xing)。其中(zhong)，傳統(tong)的(de)(de)刷(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)已(yi)經逐漸被無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)所(suo)取代(dai)，無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)性能和壽(shou)命都(dou)更出色，已(yi)成為電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑板車驅動(dong)(dong)系(xi)統(tong)的(de)(de)主流。

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(xin)片規格介紹

?  采用M33內核，主頻最高可達180MHz，處理(li)性能最高可達248DMIPS（基(ji)于Dhrystone 2.1測(ce)試）

?  工(gong)作電壓范圍(wei)：1.7V~3.6V

?  eFlash：256KB/512KB

?  SRAM：96KB/192KB

?  高(gao)速(su)高(gao)精度ADC，12位分(fen)辨率，2Msps

?  高(gao)級(ji)定(ding)時(shi)器(qi)1個，支持六步(bu) PWM 輸出，32位通用計時(shi)器(qi)1個，16位通用計時(shi)器(qi)6個

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

?  ;封(feng)裝類(lei)型豐富(fu)：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

?  車(che)規級工作(zuo)范圍：-40℃~125℃

?  工業級ESD標(biao)準：4000V(HBM)

?  內(nei)建 AES、 CRC、 TRNG等算法(fa)模塊，支持(chi)數學硬件加速

二(er)、上海航(hang)芯電動(dong)滑板車驅(qu)動(dong)方案(an)

上海航(hang)芯(xin)電(dian)動滑(hua)板車方案采(cai)(cai)用ACM32F403作為主控(kong)芯(xin)片(pian)，主要電(dian)力來源(yuan)為24V鋰電(dian)池組，通(tong)過(guo)電(dian)源(yuan)轉換，為控(kong)制系統供(gong)電(dian)，同時也提(ti)供(gong)MOS的門級驅動。通(tong)過(guo)HALL傳感(gan)器獲取輪轂電(dian)機的位(wei)置信息(xi)以(yi)及(ji)相(xiang)位(wei)，通(tong)過(guo)高速(su)ADC采(cai)(cai)樣相(xiang)關電(dian)流。

三、有(you)感FOC電機控制

系(xi) 統 采(cai) 用 磁 場 導 向 控(kong)(kong)(kong) 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法(fa)，FOC算法(fa)的實質是運(yun)用坐(zuo)(zuo)(zuo)標變換將三相靜止(zhi)坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)下(xia)的電(dian)機相電(dian)流轉(zhuan)換到(dao)相對于(yu)轉(zhuan)子磁極(ji)軸(zhou)線靜止(zhi)的旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)上，通過控(kong)(kong)(kong)制旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)下(xia)的矢(shi)量大小(xiao)和方向達到(dao)控(kong)(kong)(kong)制電(dian)機目的。

具體控制(zhi)過程(cheng)如下：

（1）設置iq_Ref的(de)值來控(kong)制(zhi)電機轉矩(ju)輸出，將(jiang)iq_Ref設置為(wei)0

（2）測(ce)量(liang)三相(xiang)(xiang)定(ding)子(zi)(zi)電(dian)(dian)流ia、ib、ic。參照(zhao)結(jie)合基爾霍夫定(ding)律(lv)：ia+ib+ic=0因此，實(shi)際(ji)上只要測(ce)量(liang)A相(xiang)(xiang)和B相(xiang)(xiang)定(ding)子(zi)(zi)電(dian)(dian)流ia和ib，C相(xiang)(xiang)定(ding)子(zi)(zi)電(dian)(dian)流就能(neng)夠借助上面的(de)公式(shi)計算出(chu)來

（3）將測(ce)得的(de)三相定子電(dian)流借助Clarke變(bian)換(huan)變(bian)換(huan)到二相靜(jing)止(zhi)坐標系(xi)α-β坐標系(xi)中，得到iα和iβ

（4）借助位(wei)置編碼器檢測轉(zhuan)子角(jiao)度(du)，得(de)到電(dian)角(jiao)度(du)θ。如下圖，d-q旋(xuan)轉(zhuan)坐標(biao)系相對于(yu)α-β靜態坐標(biao)系逆時針旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)度(du)θ，得(de)到id，iq。在穩(wen)態條件下，Id和Iq是常數

（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(de)電(dian)角(jiao)度，將PI控制器輸出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)(ya)矢量Vd和Vq借助Park逆(ni)變換到靜止參考(kao)系(xi)α-β，求(qiu)出(chu)正(zheng)交(jiao)電(dian)壓(ya)(ya)值(zhi)Vα和Vβ

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

（8）3相電壓值Va、Vb、Vc可用于計算(suan)新(xin)的PWM占空比值，并借助(zhu)SVM機制更(geng)新(xin)各相PWM輸出(chu)，生成所需的電壓矢(shi)量。這個過程也稱為SVPWM

（9）參照結合控制對象當前狀態更新(xin)參考值iq_Ref，然后返回1）開(kai)始新(xin)一(yi)輪調整

結語  

隨(sui)著社會環保意識(shi)的(de)提高和(he)城市交通擁(yong)堵問題的(de)加劇，電動滑(hua)板車(che)(che)(che)作為一種綠色、便攜、省錢的(de)交通工具(ju)，將(jiang)會越來越受歡迎(ying)。各國向人們提供旅游(you)(you)補貼，提倡綠色旅游(you)(you)，中國對歐洲的(de)自行車(che)(che)(che)和(he)電動滑(hua)板車(che)(che)(che)出口猛(meng)增(zeng)。中國有一個(ge)完整(zheng)的(de)產業鏈，從(cong)零部件到整(zheng)車(che)(che)(che)裝配，電動滑(hua)板車(che)(che)(che)的(de)未來仍是一個(ge)不(bu)斷升(sheng)溫的(de)過程。