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助力低碳出行(xing) | 基于ACM32 MCU的電動(dong)滑板車方案

前言

隨著(zhu)智能科技的(de)快速(su)發展，電(dian)(dian)動(dong)滑板(ban)車的(de)驅動(dong)系(xi)(xi)統(tong)也得到(dao)了長(chang)足的(de)發展。國內外的(de)電(dian)(dian)動(dong)滑板(ban)車用(yong)電(dian)(dian)機(ji)驅動(dong)系(xi)(xi)統(tong)分為(wei)傳統(tong)刷式電(dian)(dian)機(ji)和無(wu)刷電(dian)(dian)機(ji)兩(liang)種(zhong)類型。其(qi)中，傳統(tong)的(de)刷式電(dian)(dian)機(ji)已(yi)經(jing)逐漸被(bei)無(wu)刷電(dian)(dian)機(ji)所取代，無(wu)刷電(dian)(dian)機(ji)的(de)性能和壽命都(dou)更出色，已(yi)成(cheng)為(wei)電(dian)(dian)動(dong)滑板(ban)車驅動(dong)系(xi)(xi)統(tong)的(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(yi)、ACM32F403系列芯片規格(ge)介紹

?  采用(yong)M33內核(he)，主頻最高可(ke)達180MHz，處理(li)性能最高可(ke)達248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測試）

?  工作電壓范圍：1.7V~3.6V

?  eFlash：256KB/512KB

?  SRAM：96KB/192KB

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

?  高級定時(shi)(shi)(shi)器1個，支持六步 PWM 輸(shu)出，32位(wei)通(tong)用計時(shi)(shi)(shi)器1個，16位(wei)通(tong)用計時(shi)(shi)(shi)器6個

?  通(tong)訊接口豐富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1

?  封裝(zhuang)類型豐富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

?  車(che)規級工(gong)作(zuo)范圍：-40℃~125℃

?  工(gong)業級ESD標準：4000V(HBM)

?  內(nei)建 AES、 CRC、 TRNG等算法模塊，支(zhi)持數學硬件加速

二(er)、上海航(hang)芯電動滑板(ban)車驅動方案

上(shang)海(hai)航芯電(dian)動滑板車方案采(cai)用ACM32F403作為主(zhu)控芯片，主(zhu)要電(dian)力(li)來(lai)源為24V鋰電(dian)池組，通(tong)過電(dian)源轉(zhuan)換，為控制系(xi)統供電(dian)，同(tong)時也提供MOS的(de)門(men)級驅動。通(tong)過HALL傳感器獲取輪轂(gu)電(dian)機的(de)位(wei)(wei)置信息以及相位(wei)(wei)，通(tong)過高(gao)速(su)ADC采(cai)樣相關電(dian)流。

三、有感FOC電機控制

系 統(tong) 采(cai) 用 磁(ci) 場 導 向 控 制(zhi) （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的(de)(de)實質(zhi)是運用坐(zuo)標(biao)變換(huan)將三(san)相靜(jing)止坐(zuo)標(biao)系下的(de)(de)電機相電流轉(zhuan)(zhuan)換(huan)到相對于(yu)轉(zhuan)(zhuan)子磁(ci)極(ji)軸(zhou)線(xian)靜(jing)止的(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)坐(zuo)標(biao)系上，通過(guo)控制(zhi)旋轉(zhuan)(zhuan)坐(zuo)標(biao)系下的(de)(de)矢量大(da)小和方向達到控制(zhi)電機目的(de)(de)。

具體控制過程(cheng)如下：

（1）設(she)置iq_Ref的值來(lai)控制電(dian)機轉矩輸出，將(jiang)iq_Ref設(she)置為0

（2）測量三相定(ding)子(zi)電流(liu)(liu)ia、ib、ic。參照結合基爾霍(huo)夫定(ding)律：ia+ib+ic=0因此，實際上(shang)只(zhi)要(yao)測量A相和B相定(ding)子(zi)電流(liu)(liu)ia和ib，C相定(ding)子(zi)電流(liu)(liu)就能夠借助(zhu)上(shang)面的公(gong)式計算出(chu)來(lai)

（3）將(jiang)測得的(de)三相定(ding)子電流借助(zhu)Clarke變(bian)換變(bian)換到二相靜(jing)止坐標系(xi)α-β坐標系(xi)中，得到iα和iβ

（4）借助位置編碼器檢測轉子(zi)角度(du)，得(de)到電角度(du)θ。如(ru)下圖(tu)，d-q旋(xuan)轉坐標系(xi)(xi)相對(dui)于α-β靜態坐標系(xi)(xi)逆時針旋(xuan)轉角度(du)θ，得(de)到id，iq。在穩態條件下，Id和Iq是(shi)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）借助新的電(dian)角度，將(jiang)PI控制器輸出的電(dian)壓矢量Vd和Vq借助Park逆變(bian)換到靜止參考系α-β，求出正交電(dian)壓值(zhi)Vα和Vβ

（7）Vα和Vβ經Clarke3逆(ni)變換(huan)得到三相定子應當需(xu)要(yao)施加的電壓值Va、Vb、Vc

（8）3相電(dian)壓(ya)值(zhi)(zhi)Va、Vb、Vc可用(yong)于計算新(xin)的(de)PWM占空(kong)比值(zhi)(zhi)，并借助SVM機制更新(xin)各相PWM輸出，生成(cheng)所需的(de)電(dian)壓(ya)矢量。這個過程也稱為SVPWM

（9）參照結合控(kong)制對象當前狀態更新參考(kao)值iq_Ref，然后返回1）開始新一輪調(diao)整(zheng)

結語  

隨著社會(hui)環保意識的提高和城市交通(tong)擁堵問題的加劇，電動滑(hua)(hua)板(ban)車(che)作為一(yi)種綠(lv)色、便(bian)攜(xie)、省(sheng)錢的交通(tong)工具，將會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)受歡迎。各(ge)國(guo)向人們(men)提供(gong)旅游補貼(tie)，提倡綠(lv)色旅游，中(zhong)國(guo)對歐洲的自行車(che)和電動滑(hua)(hua)板(ban)車(che)出(chu)口猛增(zeng)。中(zhong)國(guo)有一(yi)個完整(zheng)的產業鏈，從零部(bu)件到整(zheng)車(che)裝配，電動滑(hua)(hua)板(ban)車(che)的未(wei)來(lai)仍(reng)是一(yi)個不斷升溫的過程。