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助力低碳出行 | 基于ACM32 MCU的電動滑板車方案


前言


隨著智能科技的快速發展，電動滑板車的驅動系統也得到了長足的發展。國內外的電動滑板車用電機驅動系統分為傳統刷式電機和無刷電機兩種類型。其中，傳統的刷式電機已經逐漸被無刷電機所取代，無刷電機的性能和壽命都更出色，已成為電動滑板車驅動系統的主流。




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，主頻最高可達180MHz，處理性能最高可達248DMIPS（基于Dhrystone 2.1測試）


?  工作電壓范圍：1.7V~3.6V


?  eFlash：256KB/512KB


?  SRAM：96KB/192KB


?  高速高精度ADC，12位分辨率，2Msps


?  高級定時器1個，支持六步 PWM 輸出，32位通用計時器1個，16位通用計時器6個


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


?  封裝類型豐富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100


?  車規級工作范圍：-40℃~125℃


?  工業級ESD標準：4000V(HBM)


?  內建 AES、 CRC、 TRNG等算法模塊，支持數學硬件加速


二、上海航芯電動滑板車驅動方案




上海航芯電動滑板車方案采用ACM32F403作為主控芯片，主要電力來源為24V鋰電池組，通過電源轉換，為控制系統供電，同時也提供MOS的門級驅動。通過HALL傳感器獲取輪轂電機的位置信息以及相位，通過高速ADC采樣相關電流。


三、有感FOC電機控制


系 統 采 用 磁 場 導 向 控 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的實質是運用坐標變換將三相靜止坐標系下的電機相電流轉換到相對于轉子磁極軸線靜止的旋轉坐標系上，通過控制旋轉坐標系下的矢量大小和方向達到控制電機目的。




具體控制過程如下：


（1）設置iq_Ref的值來控制電機轉矩輸出，將iq_Ref設置為0


（2）測量三相定子電流ia、ib、ic。參照結合基爾霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，實際上只要測量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算出來


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


（4）借助位置編碼器檢測轉子角度，得到電角度θ。如下圖，d-q旋轉坐標系相對于α-β靜態坐標系逆時針旋轉角度θ，得到id，iq。在穩態條件下，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Clarke3逆變換得到三相定子應當需要施加的電壓值Va、Vb、Vc


（8）3相電壓值Va、Vb、Vc可用于計算新的PWM占空比值，并借助SVM機制更新各相PWM輸出，生成所需的電壓矢量。這個過程也稱為SVPWM


（9）參照結合控制對象當前狀態更新參考值iq_Ref，然后返回1）開始新一輪調整


結語  


隨著社會環保意識的提高和城市交通擁堵問題的加劇，電動滑板車作為一種綠色、便攜、省錢的交通工具，將會越來越受歡迎。各國向人們提供旅游補貼，提倡綠色旅游，中國對歐洲的自行車和電動滑板車出口猛增。中國有一個完整的產業鏈，從零部件到整車裝配，電動滑板車的未來仍是一個不斷升溫的過程。