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

前言

隨著智能科技的(de)快速(su)發展，電(dian)動(dong)滑板(ban)(ban)車(che)(che)的(de)驅動(dong)系統(tong)(tong)也得到了長足的(de)發展。國內(nei)外的(de)電(dian)動(dong)滑板(ban)(ban)車(che)(che)用電(dian)機(ji)(ji)驅動(dong)系統(tong)(tong)分為傳(chuan)統(tong)(tong)刷式電(dian)機(ji)(ji)和無刷電(dian)機(ji)(ji)兩種類型。其(qi)中，傳(chuan)統(tong)(tong)的(de)刷式電(dian)機(ji)(ji)已經逐漸被(bei)無刷電(dian)機(ji)(ji)所取代，無刷電(dian)機(ji)(ji)的(de)性能和壽命都更出(chu)色(se)，已成為電(dian)動(dong)滑板(ban)(ban)車(che)(che)驅動(dong)系統(tong)(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、ACM32F403系列芯片規格介紹

?  采(cai)用M33內核(he)，主(zhu)頻最高(gao)可達180MHz，處理性能最高(gao)可達248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測試）

?  工作電壓范圍：1.7V~3.6V

?  eFlash：256KB/512KB

?  SRAM：96KB/192KB

?  高速高精(jing)度ADC，12位(wei)分辨率，2Msps

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

?  通訊(xun)接口(kou)豐富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1

?  封(feng)裝類型豐富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

?  車規級工(gong)作范圍：-40℃~125℃

?  工(gong)業級ESD標準：4000V(HBM)

?  內建 AES、 CRC、 TRNG等算(suan)法模塊，支持數(shu)學硬件(jian)加速

二、上海航芯電動(dong)(dong)滑板(ban)車(che)驅動(dong)(dong)方(fang)案

上海航芯電(dian)動(dong)滑板車(che)方案采用ACM32F403作為(wei)主控芯片，主要電(dian)力來源(yuan)為(wei)24V鋰電(dian)池組，通過電(dian)源(yuan)轉換，為(wei)控制系統(tong)供電(dian)，同時也提(ti)供MOS的門級(ji)驅(qu)動(dong)。通過HALL傳感器(qi)獲取輪轂電(dian)機的位置信息以及(ji)相(xiang)(xiang)位，通過高速ADC采樣相(xiang)(xiang)關電(dian)流。

三、有感(gan)FOC電機控制

系(xi) 統 采 用 磁 場 導 向 控(kong) 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的實質是(shi)運用坐標(biao)變換(huan)將三相靜止坐標(biao)系(xi)下的電機(ji)(ji)相電流轉換(huan)到相對(dui)于轉子磁極軸線靜止的旋(xuan)轉坐標(biao)系(xi)上，通過控(kong)制旋(xuan)轉坐標(biao)系(xi)下的矢量大(da)小和方向達到控(kong)制電機(ji)(ji)目的。

具體控制過程(cheng)如下(xia)：

（1）設置(zhi)iq_Ref的(de)值來控制電機轉矩輸出，將iq_Ref設置(zhi)為0

（2）測量三相定子(zi)(zi)電(dian)流(liu)(liu)ia、ib、ic。參照結合基(ji)爾霍夫定律：ia+ib+ic=0因(yin)此，實際(ji)上(shang)只要測量A相和B相定子(zi)(zi)電(dian)流(liu)(liu)ia和ib，C相定子(zi)(zi)電(dian)流(liu)(liu)就能夠借助上(shang)面的公式(shi)計算出來

（3）將測得的三相(xiang)定子電(dian)流借助Clarke變換變換到二相(xiang)靜止坐標系(xi)α-β坐標系(xi)中(zhong)，得到iα和(he)iβ

（4）借助(zhu)位(wei)置編(bian)碼器檢測轉(zhuan)子角(jiao)度(du)(du)，得到電角(jiao)度(du)(du)θ。如下圖，d-q旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標(biao)系(xi)相對于α-β靜態坐(zuo)標(biao)系(xi)逆時針旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)度(du)(du)θ，得到id，iq。在穩態條件(jian)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(jie)助新的(de)電角度(du)，將PI控制器輸出(chu)的(de)電壓矢量Vd和(he)Vq借(jie)助Park逆(ni)變換到靜止(zhi)參考系α-β，求出(chu)正交(jiao)電壓值Vα和(he)Vβ

（7）Vα和(he)Vβ經Clarke3逆(ni)變換得到三(san)相(xiang)定子應當需要施加的電壓值Va、Vb、Vc

（8）3相(xiang)(xiang)電壓(ya)(ya)值Va、Vb、Vc可用于計算新(xin)的(de)PWM占空(kong)比值，并(bing)借助(zhu)SVM機(ji)制更新(xin)各相(xiang)(xiang)PWM輸出，生成所(suo)需的(de)電壓(ya)(ya)矢量。這個過(guo)程(cheng)也稱為SVPWM

（9）參照結(jie)合控制對象(xiang)當(dang)前狀態更(geng)新參考值iq_Ref，然后返回1）開始新一(yi)輪調整

結語(yu)  

隨著社會環保(bao)意識的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)和(he)城市交(jiao)通(tong)擁堵問題的(de)(de)(de)加(jia)劇，電動滑板(ban)車(che)作為一(yi)種綠(lv)色、便攜(xie)、省錢的(de)(de)(de)交(jiao)通(tong)工具，將會越(yue)來(lai)越(yue)受歡迎。各(ge)國向人們提(ti)供旅(lv)游補貼，提(ti)倡綠(lv)色旅(lv)游，中國對(dui)歐洲的(de)(de)(de)自行車(che)和(he)電動滑板(ban)車(che)出口猛增。中國有一(yi)個(ge)(ge)完整的(de)(de)(de)產業鏈，從零部(bu)件(jian)到整車(che)裝配，電動滑板(ban)車(che)的(de)(de)(de)未(wei)來(lai)仍是(shi)一(yi)個(ge)(ge)不斷升溫的(de)(de)(de)過程。