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助力低碳出行 | 基于ACM32 MCU的電動滑板車方案

前(qian)言

隨著智能科(ke)技的(de)快速(su)發(fa)展，電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)板車的(de)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)系(xi)統也得到了長足的(de)發(fa)展。國內(nei)外的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)板車用電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)系(xi)統分(fen)為傳統刷式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)和無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)兩(liang)種類型。其中(zhong)，傳統的(de)刷式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)已(yi)經(jing)逐漸被無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)所取代，無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)性能和壽命都更出色(se)，已(yi)成為電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)板車驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)系(xi)統的(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

?  采用M33內核，主(zhu)頻最高(gao)可達180MHz，處(chu)理性能最高(gao)可達248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測試）

?  工作電(dian)壓范圍：1.7V~3.6V

?  eFlash：256KB/512KB

?  SRAM：96KB/192KB

?  高速高精度(du)ADC，12位分(fen)辨率，2Msps

?  高級(ji)定時器(qi)(qi)1個(ge)(ge)，支持六步 PWM 輸出(chu)，32位(wei)通(tong)用計時器(qi)(qi)1個(ge)(ge)，16位(wei)通(tong)用計時器(qi)(qi)6個(ge)(ge)

?  通訊(xun)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

?  車規級工作范圍：-40℃~125℃

?  工(gong)業級ESD標(biao)準：4000V(HBM)

?  內建 AES、 CRC、 TRNG等(deng)算法模(mo)塊，支持數學硬(ying)件(jian)加速(su)

二、上海航芯電動(dong)滑板車驅動(dong)方(fang)案

上海航芯電(dian)(dian)動滑板車方(fang)案采(cai)(cai)用ACM32F403作為主(zhu)控芯片，主(zhu)要電(dian)(dian)力來(lai)源(yuan)為24V鋰電(dian)(dian)池組，通過電(dian)(dian)源(yuan)轉換，為控制系統(tong)供電(dian)(dian)，同時也(ye)提供MOS的(de)門級驅動。通過HALL傳感器(qi)獲取輪轂(gu)電(dian)(dian)機的(de)位(wei)置信息以(yi)及相位(wei)，通過高速ADC采(cai)(cai)樣相關電(dian)(dian)流(liu)。

三、有感FOC電機控(kong)制

系(xi) 統 采 用(yong) 磁 場 導 向(xiang) 控(kong) 制(zhi) （Field-oriented Control，FOC） 算(suan)法(fa)，FOC算(suan)法(fa)的實質是運用(yong)坐(zuo)標變換(huan)將三(san)相(xiang)靜(jing)止坐(zuo)標系(xi)下的電(dian)機相(xiang)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)到相(xiang)對于(yu)轉(zhuan)子磁極軸線靜(jing)止的旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標系(xi)上，通(tong)過控(kong)制(zhi)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標系(xi)下的矢量大小和方向(xiang)達到控(kong)制(zhi)電(dian)機目的。

具(ju)體控制過程如下：

（1）設(she)(she)置(zhi)iq_Ref的值來控制電機轉矩輸出，將iq_Ref設(she)(she)置(zhi)為(wei)0

（2）測(ce)量(liang)(liang)三相定子電流(liu)ia、ib、ic。參照結合(he)基爾霍夫定律：ia+ib+ic=0因(yin)此，實際上(shang)(shang)只要測(ce)量(liang)(liang)A相和B相定子電流(liu)ia和ib，C相定子電流(liu)就能夠借助上(shang)(shang)面的公式計算出來(lai)

（3）將測得的(de)三相定(ding)子電流借助Clarke變換變換到二相靜(jing)止(zhi)坐(zuo)標系α-β坐(zuo)標系中(zhong)，得到iα和(he)iβ

（4）借助位(wei)置編碼(ma)器(qi)檢測(ce)轉(zhuan)(zhuan)子角(jiao)度，得到電角(jiao)度θ。如下圖，d-q旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)坐標系(xi)相(xiang)對于α-β靜態坐標系(xi)逆時針旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)度θ，得到id，iq。在(zai)穩態條件(jian)下，Id和(he)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）借助新的電角度，將PI控制(zhi)器輸出的電壓矢量Vd和Vq借助Park逆變(bian)換到靜止(zhi)參考系α-β，求出正(zheng)交電壓值(zhi)Vα和Vβ

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

（8）3相電壓(ya)值(zhi)Va、Vb、Vc可用(yong)于計算新(xin)的PWM占空比(bi)值(zhi)，并借助SVM機制更新(xin)各相PWM輸出，生成(cheng)所需的電壓(ya)矢量。這個(ge)過(guo)程也稱(cheng)為SVPWM

（9）參(can)照結合控制對象當前(qian)狀(zhuang)態更(geng)新參(can)考(kao)值iq_Ref，然后返回1）開始新一(yi)輪調整

結語  

隨著社(she)會環(huan)保意識的(de)提(ti)高(gao)和(he)(he)城市交通(tong)擁堵問題的(de)加劇(ju)，電(dian)動滑板車(che)作為一(yi)種綠(lv)色、便攜、省錢的(de)交通(tong)工具，將(jiang)會越來越受歡迎。各國向人(ren)們(men)提(ti)供旅游(you)補(bu)貼，提(ti)倡綠(lv)色旅游(you)，中(zhong)國對歐洲的(de)自行車(che)和(he)(he)電(dian)動滑板車(che)出口猛增(zeng)。中(zhong)國有一(yi)個完整的(de)產業鏈(lian)，從零部件到(dao)整車(che)裝配，電(dian)動滑板車(che)的(de)未來仍是一(yi)個不斷升溫的(de)過程。