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助力低碳出行 | 基(ji)于ACM32 MCU的(de)電動滑板(ban)車方案(an)
前言
隨著(zhu)智(zhi)能(neng)科(ke)技的快(kuai)速發展(zhan)，電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑(hua)(hua)板(ban)(ban)車(che)的驅(qu)動(dong)(dong)系(xi)統(tong)(tong)也得(de)到(dao)了長足的發展(zhan)。國(guo)內外(wai)的電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑(hua)(hua)板(ban)(ban)車(che)用電(dian)(dian)機(ji)(ji)驅(qu)動(dong)(dong)系(xi)統(tong)(tong)分為傳統(tong)(tong)刷(shua)(shua)(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)(ji)和(he)無刷(shua)(shua)(shua)電(dian)(dian)機(ji)(ji)兩(liang)種類(lei)型。其中，傳統(tong)(tong)的刷(shua)(shua)(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)(ji)已經逐漸被無刷(shua)(shua)(shua)電(dian)(dian)機(ji)(ji)所取(qu)代，無刷(shua)(shua)(shua)電(dian)(dian)機(ji)(ji)的性能(neng)和(he)壽(shou)命都更出色，已成為電(dian)(dian)動(dong)(dong)滑(hua)(hua)板(ban)(ban)車(che)驅(qu)動(dong)(dong)系(xi)統(tong)(tong)的主(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(xin)片規格介紹
? 采用M33內(nei)核，主頻(pin)最高(gao)可達180MHz，處理(li)性(xing)能最高(gao)可達248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測試）
? 工(gong)作電壓范圍：1.7V~3.6V
? eFlash：256KB/512KB
? SRAM：96KB/192KB
? 高速高精度ADC，12位分辨率(lv)，2Msps
? 高級定時(shi)器(qi)(qi)1個(ge)，支持六步 PWM 輸出，32位(wei)通用(yong)計(ji)時(shi)器(qi)(qi)1個(ge)，16位(wei)通用(yong)計(ji)時(shi)器(qi)(qi)6個(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(zuo)范圍：-40℃~125℃
? 工業(ye)級ESD標準：4000V(HBM)
? 內建 AES、 CRC、 TRNG等算法(fa)模塊，支持數(shu)學硬件加速
二、上海航芯電動滑板(ban)車驅動方案
上海航芯電(dian)動滑板車方案采用ACM32F403作為(wei)主控(kong)芯片(pian)，主要電(dian)力來源(yuan)為(wei)24V鋰電(dian)池組，通(tong)過(guo)(guo)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換，為(wei)控(kong)制系統供電(dian)，同時也提供MOS的門級(ji)驅(qu)動。通(tong)過(guo)(guo)HALL傳感(gan)器獲取輪轂電(dian)機的位置信息以及相(xiang)位，通(tong)過(guo)(guo)高速ADC采樣相(xiang)關(guan)電(dian)流。
三、有(you)感(gan)FOC電機(ji)控制
系(xi) 統 采 用 磁 場 導 向(xiang) 控 制(zhi) （Field-oriented Control，FOC） 算法(fa)，FOC算法(fa)的(de)(de)實(shi)質是(shi)運用坐(zuo)(zuo)(zuo)標變換將三相靜止坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)下的(de)(de)電機相電流(liu)轉(zhuan)換到相對于轉(zhuan)子磁極軸線靜止的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)上(shang)，通過控制(zhi)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)(zuo)(zuo)標系(xi)下的(de)(de)矢量大小和方(fang)向(xiang)達到控制(zhi)電機目的(de)(de)。
具體控制過(guo)程(cheng)如下：
（1）設(she)置(zhi)iq_Ref的值來控制電機轉矩(ju)輸出，將iq_Ref設(she)置(zhi)為0
（2）測(ce)量三相定(ding)(ding)子電(dian)流ia、ib、ic。參照結合基爾霍夫定(ding)(ding)律：ia+ib+ic=0因(yin)此，實(shi)際上只要測(ce)量A相和(he)(he)B相定(ding)(ding)子電(dian)流ia和(he)(he)ib，C相定(ding)(ding)子電(dian)流就能夠借助上面的公式計算出來
（3）將測得的三相定子電流借(jie)助Clarke變(bian)換(huan)變(bian)換(huan)到二相靜止坐(zuo)標系(xi)α-β坐(zuo)標系(xi)中，得到iα和iβ
（4）借助位置(zhi)編碼器檢(jian)測轉子角度(du)，得到電角度(du)θ。如下圖，d-q旋轉坐標系(xi)相對于(yu)α-β靜態坐標系(xi)逆時(shi)針旋轉角度(du)θ，得到id，iq。在(zai)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）借助新的電角度，將PI控制器輸出的電壓矢量Vd和(he)Vq借助Park逆(ni)變換到(dao)靜止參考系α-β，求出正交(jiao)電壓值(zhi)Vα和(he)Vβ
（7）Vα和Vβ經Clarke3逆變換得到三相定子應當(dang)需要(yao)施加(jia)的電壓值Va、Vb、Vc
（8）3相電壓(ya)值Va、Vb、Vc可用于計(ji)算新的PWM占空比值，并(bing)借(jie)助SVM機制更新各相PWM輸出(chu)，生成所需的電壓(ya)矢量。這個過(guo)程(cheng)也稱為(wei)SVPWM
（9）參照結合控(kong)制對象當前狀態更新參考值(zhi)iq_Ref，然后返回1）開始(shi)新一輪調整(zheng)
結語
隨著社會環保意識的提(ti)高(gao)和城市(shi)交通擁(yong)堵問題的加劇，電(dian)(dian)動滑(hua)(hua)板車(che)作為一種綠色、便(bian)攜、省(sheng)錢的交通工具，將會越(yue)(yue)來越(yue)(yue)受歡迎。各國向人們提(ti)供旅(lv)游補貼，提(ti)倡綠色旅(lv)游，中(zhong)國對歐洲的自行(xing)車(che)和電(dian)(dian)動滑(hua)(hua)板車(che)出口猛增。中(zhong)國有一個(ge)(ge)完整(zheng)的產業(ye)鏈，從(cong)零部件到整(zheng)車(che)裝配，電(dian)(dian)動滑(hua)(hua)板車(che)的未來仍是(shi)一個(ge)(ge)不斷(duan)升溫的過程。
