助力低碳出行 | 基于ACM32 MCU的電動(dòng)滑板車(chē)方案

前言

隨著智能科技的快速發(fā)展，電動(dòng)滑板車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)滑板車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為傳統(tǒng)刷式電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩種類(lèi)型。其中，傳統(tǒng)的刷式電機(jī)已經(jīng)逐漸被無(wú)刷電機(jī)所取代，無(wú)刷電機(jī)的性能和壽命都更出色，已成為電動(dòng)滑板車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流。

根據(jù)QYRESEARCH數(shù)據(jù)顯示，2020年，全球電動(dòng)滑板車(chē)產(chǎn)量為425萬(wàn)輛。預(yù)計(jì)2027年產(chǎn)量達(dá)到1001萬(wàn)輛，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率12.35%。2020年全球總產(chǎn)值達(dá)12.1億美元。全國(guó)范圍內(nèi)，2020年中國(guó)的產(chǎn)量達(dá)364萬(wàn)輛，占全球電動(dòng)滑板車(chē)總產(chǎn)量的85.52%；其次北美產(chǎn)量達(dá)53萬(wàn)輛，占全球的12.5%，電動(dòng)滑板車(chē)行業(yè)總體繼續(xù)保持穩(wěn)健增長(zhǎng)，協(xié)調(diào)發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)，歐美日大部分從中國(guó)進(jìn)口電動(dòng)滑板車(chē)。

一、ACM32F403系列芯片規(guī)格介紹

?  采用M33內(nèi)核，主頻最高可達(dá)180MHz，處理性能最高可達(dá)248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測(cè)試）

?  工作電壓范圍：1.7V~3.6V

?  eFlash：256KB/512KB

?  SRAM：96KB/192KB

?  高速高精度ADC，12位分辨率，2Msps

?  高級(jí)定時(shí)器1個(gè)，支持六步 PWM 輸出，32位通用計(jì)時(shí)器1個(gè)，16位通用計(jì)時(shí)器6個(gè)

?  通訊接口豐富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1

?  封裝類(lèi)型豐富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

?  車(chē)規(guī)級(jí)工作范圍：-40℃~125℃

?  工業(yè)級(jí)ESD標(biāo)準(zhǔn)：4000V(HBM)

?  內(nèi)建 AES、 CRC、 TRNG等算法模塊，支持?jǐn)?shù)學(xué)硬件加速

二、上海航芯電動(dòng)滑板車(chē)驅(qū)動(dòng)方案

上海航芯電動(dòng)滑板車(chē)方案采用ACM32F403作為主控芯片，主要電力來(lái)源為24V鋰電池組，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換，為控制系統(tǒng)供電，同時(shí)也提供MOS的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)HALL傳感器獲取輪轂電機(jī)的位置信息以及相位，通過(guò)高速ADC采樣相關(guān)電流。

三、有感FOC電機(jī)控制

系 統(tǒng) 采 用 磁 場(chǎng) 導(dǎo) 向 控 制 （Field-oriented Control，F(xiàn)OC） 算法，F(xiàn)OC算法的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)相電流轉(zhuǎn)換到相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)靜止的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量大小和方向達(dá)到控制電機(jī)目的。

具體控制過(guò)程如下：

（1）設(shè)置iq_Ref的值來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，將iq_Ref設(shè)置為0

（2）測(cè)量三相定子電流ia、ib、ic。參照結(jié)合基爾霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，實(shí)際上只要測(cè)量A相和B相定子電流ia和ib，C相定子電流就能夠借助上面的公式計(jì)算出來(lái)

（3）將測(cè)得的三相定子電流借助Clarke變換變換到二相靜止坐標(biāo)系α-β坐標(biāo)系中，得到iα和iβ

（4）借助位置編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度，得到電角度θ。如下圖，d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對(duì)于α-β靜態(tài)坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ，得到id，iq。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常數(shù)

（5）將id和iq的實(shí)際值與各自信號(hào)的參考值id_Ref和iq_Ref進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)。將誤差信號(hào)輸入PI控制器，得到應(yīng)當(dāng)需要施加在電機(jī)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Vq借助Park逆變換到靜止參考系α-β，求出正交電壓值Vα和Vβ

（7）Vα和Vβ經(jīng)Clarke3逆變換得到三相定子應(yīng)當(dāng)需要施加的電壓值Va、Vb、Vc

（8）3相電壓值Va、Vb、Vc可用于計(jì)算新的PWM占空比值，并借助SVM機(jī)制更新各相PWM輸出，生成所需的電壓矢量。這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為SVPWM

（9）參照結(jié)合控制對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)更新參考值iq_Ref，然后返回1）開(kāi)始新一輪調(diào)整

結(jié)語(yǔ)  

隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高和城市交通擁堵問(wèn)題的加劇，電動(dòng)滑板車(chē)作為一種綠色、便攜、省錢(qián)的交通工具，將會(huì)越來(lái)越受歡迎。各國(guó)向人們提供旅游補(bǔ)貼，提倡綠色旅游，中國(guó)對(duì)歐洲的自行車(chē)和電動(dòng)滑板車(chē)出口猛增。中國(guó)有一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從零部件到整車(chē)裝配，電動(dòng)滑板車(chē)的未來(lái)仍是一個(gè)不斷升溫的過(guò)程。