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助力低碳出行 | 基于ACM32 MCU的电动滑板车方案


前言


随着智能科技的快速发展，电动滑板车的驱动系统也得到了长足的发展。国内外的电动滑板车用电机驱动系统分为传统刷式电机和无刷电机两种类型。其中，传统的刷式电机已经逐渐被无刷电机所取代，无刷电机的性能和寿命都更出色，已成为电动滑板车驱动系统的主流。




根据QYRESEARCH数据显示，2020年，全球电动滑板车产量为425万辆。预计2027年产量达到1001万辆，2021-2027年复合增长率12.35%。2020年全球总产值达12.1亿美元。全国范围内，2020年中国的产量达364万辆，占全球电动滑板车总产量的85.52%；其次北美产量达53万辆，占全球的12.5%，电动滑板车行业总体继续保持稳健增长，协调发展的良好态势，欧美日大部分从中国进口电动滑板车。




一、ACM32F403系列芯片规格介绍


•  采用M33内核，主频最高可达180MHz，处理性能最高可达248DMIPS（基于Dhrystone 2.1测试）


•  工作电压范围：1.7V~3.6V


•  eFlash：256KB/512KB


•  SRAM：96KB/192KB


•  高速高精度ADC，12位分辨率，2Msps


•  高级定时器1个，支持六步 PWM 输出，32位通用计时器1个，16位通用计时器6个


•  通讯接口丰富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1


•  封装类型丰富：QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100


•  车规级工作范围：-40℃~125℃


•  工业级ESD标准：4000V(HBM)


•  内建 AES、 CRC、 TRNG等算法模块，支持数学硬件加速


二、上海航芯电动滑板车驱动方案




上海航芯电动滑板车方案采用ACM32F403作为主控芯片，主要电力来源为24V锂电池组，通过电源转换，为控制系统供电，同时也提供MOS的门级驱动。通过HALL传感器获取轮毂电机的位置信息以及相位，通过高速ADC采样相关电流。


三、有感FOC电机控制


系 统 采 用 磁 场 导 向 控 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的实质是运用坐标变换将三相静止坐标系下的电机相电流转换到相对于转子磁极轴线静止的旋转坐标系上，通过控制旋转坐标系下的矢量大小和方向达到控制电机目的。




具体控制过程如下：


（1）设置iq_Ref的值来控制电机转矩输出，将iq_Ref设置为0


（2）测量三相定子电流ia、ib、ic。参照结合基尔霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，实际上只要测量A相和B相定子电流ia和ib，C相定子电流就能够借助上面的公式计算出来


（3）将测得的三相定子电流借助Clarke变换变换到二相静止坐标系α-β坐标系中，得到iα和iβ


（4）借助位置编码器检测转子角度，得到电角度θ。如下图，d-q旋转坐标系相对于α-β静态坐标系逆时针旋转角度θ，得到id，iq。在稳态条件下，Id和Iq是常数




（5）将id和iq的实际值与各自信号的参考值id_Ref和iq_Ref进行比较得到误差信号。将误差信号输入PI控制器，得到应当需要施加在电机上的电压矢量Vd和Vq


（6）借助新的电角度，将PI控制器输出的电压矢量Vd和Vq借助Park逆变换到静止参考系α-β，求出正交电压值Vα和Vβ


（7）Vα和Vβ经Clarke3逆变换得到三相定子应当需要施加的电压值Va、Vb、Vc


（8）3相电压值Va、Vb、Vc可用于计算新的PWM占空比值，并借助SVM机制更新各相PWM输出，生成所需的电压矢量。这个过程也称为SVPWM


（9）参照结合控制对象当前状态更新参考值iq_Ref，然后返回1）开始新一轮调整


结语  


随着社会环保意识的提高和城市交通拥堵问题的加剧，电动滑板车作为一种绿色、便携、省钱的交通工具，将会越来越受欢迎。各国向人们提供旅游补贴，提倡绿色旅游，中国对欧洲的自行车和电动滑板车出口猛增。中国有一个完整的产业链，从零部件到整车装配，电动滑板车的未来仍是一个不断升温的过程。