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助力低碳(tan)出行(xing) | 基于ACM32 MCU的(de)電動滑板車方案
前言
隨著智能科技的(de)(de)快速發展(zhan)(zhan)，電(dian)(dian)動滑板車的(de)(de)驅(qu)(qu)動系統也(ye)得(de)到了長足的(de)(de)發展(zhan)(zhan)。國(guo)內外的(de)(de)電(dian)(dian)動滑板車用電(dian)(dian)機(ji)驅(qu)(qu)動系統分為傳統刷(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)和無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)兩種類型(xing)。其中，傳統的(de)(de)刷(shua)式(shi)電(dian)(dian)機(ji)已經逐漸被(bei)無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)所取代，無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)性能和壽命(ming)都更出色(se)，已成為電(dian)(dian)動滑板車驅(qu)(qu)動系統的(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(xi)列芯片規格介紹(shao)
? 采用M33內核，主(zhu)頻最(zui)高可達180MHz，處理性(xing)能最(zui)高可達248DMIPS（基于(yu)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位分辨率，2Msps
? 高級(ji)定時器(qi)(qi)1個，支持六步 PWM 輸(shu)出，32位通用(yong)計時器(qi)(qi)1個，16位通用(yong)計時器(qi)(qi)6個
? 通訊接(jie)口豐富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1
? 封裝類(lei)型豐富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100
? 車(che)規(gui)級工作范圍：-40℃~125℃
? 工業級ESD標(biao)準：4000V(HBM)
? 內建 AES、 CRC、 TRNG等算法(fa)模塊，支持(chi)數學硬件加速(su)
二、上海航芯電動滑板車驅動方案
上海航(hang)芯電(dian)動(dong)滑板車方(fang)案(an)采用ACM32F403作為(wei)主(zhu)控(kong)芯片，主(zhu)要電(dian)力來源為(wei)24V鋰(li)電(dian)池組，通(tong)過電(dian)源轉換，為(wei)控(kong)制(zhi)系統供電(dian)，同時也提供MOS的門(men)級驅動(dong)。通(tong)過HALL傳感器獲取輪轂(gu)電(dian)機的位置信息以及(ji)相位，通(tong)過高速ADC采樣相關電(dian)流。
三(san)、有(you)感FOC電(dian)機控(kong)制
系(xi) 統(tong) 采 用 磁 場 導(dao) 向 控 制 （Field-oriented Control，FOC） 算(suan)法(fa)，FOC算(suan)法(fa)的(de)(de)實質是運(yun)用坐(zuo)標變換將(jiang)三相靜止(zhi)坐(zuo)標系(xi)下的(de)(de)電(dian)(dian)機相電(dian)(dian)流轉(zhuan)換到相對于轉(zhuan)子磁極軸線(xian)靜止(zhi)的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標系(xi)上(shang)，通過控制旋(xuan)轉(zhuan)坐(zuo)標系(xi)下的(de)(de)矢量大小(xiao)和方向達到控制電(dian)(dian)機目的(de)(de)。
具(ju)體控制過(guo)程如(ru)下(xia)：
（1）設置iq_Ref的(de)值來控制電(dian)機轉(zhuan)矩輸出(chu)，將(jiang)iq_Ref設置為0
（2）測量(liang)三相定子(zi)電(dian)流ia、ib、ic。參照結合基爾霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，實(shi)際上只要測量(liang)A相和B相定子(zi)電(dian)流ia和ib，C相定子(zi)電(dian)流就能夠借助上面的公式計算出來(lai)
（3）將測得的三相定子電流借助Clarke變換(huan)變換(huan)到二相靜止坐(zuo)標系(xi)α-β坐(zuo)標系(xi)中(zhong)，得到iα和iβ
（4）借助(zhu)位置編碼器檢測轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子角(jiao)度，得(de)到電角(jiao)度θ。如下(xia)圖，d-q旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)坐標系(xi)相對(dui)于α-β靜態(tai)坐標系(xi)逆時針(zhen)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)度θ，得(de)到id，iq。在穩(wen)態(tai)條件下(xia)，Id和Iq是常(chang)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(zhu)新的電角(jiao)度，將PI控制器輸出的電壓(ya)矢(shi)量(liang)Vd和(he)Vq借助(zhu)Park逆變換到(dao)靜止參考系α-β，求出正交(jiao)電壓(ya)值Vα和(he)Vβ
（7）Vα和(he)Vβ經(jing)Clarke3逆變換得到三相定子應當(dang)需要施加的電(dian)壓值Va、Vb、Vc
（8）3相(xiang)電壓值(zhi)Va、Vb、Vc可用于計算新的(de)(de)PWM占空比(bi)值(zhi)，并借助SVM機制更新各相(xiang)PWM輸出，生成所需的(de)(de)電壓矢量。這(zhe)個(ge)過程也稱為SVPWM
（9）參照結(jie)合控制對象(xiang)當前(qian)狀態更新參考值iq_Ref，然后返回1）開始新一(yi)輪調整
結(jie)語
隨著社會(hui)環保意識的提(ti)高和城市(shi)交(jiao)(jiao)通擁(yong)堵問題的加劇，電(dian)動(dong)(dong)滑板車作為一種綠色(se)(se)、便攜、省錢的交(jiao)(jiao)通工具，將(jiang)會(hui)越(yue)來越(yue)受歡(huan)迎。各國向人們提(ti)供(gong)旅游補貼，提(ti)倡綠色(se)(se)旅游，中(zhong)國對歐洲的自行車和電(dian)動(dong)(dong)滑板車出口猛(meng)增。中(zhong)國有(you)一個完整(zheng)的產(chan)業(ye)鏈，從零部件(jian)到整(zheng)車裝配，電(dian)動(dong)(dong)滑板車的未(wei)來仍是一個不(bu)斷升溫(wen)的過程。
