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  出行成為日常生活的關(guān)鍵，隨著時(shí)間的推移，疫情向世界蔓延以及逐步得到控制，現(xiàn)在出現(xiàn)了令人矚目的產(chǎn)業(yè)。為了減少公共交通所造成的感染風(fēng)險(xiǎn)，各國(guó)向人們提供旅游補(bǔ)貼，提倡綠色旅游，中國(guó)對(duì)歐洲的自行車和電動(dòng)滑板車出口猛增。中國(guó)有一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從零部件到整車裝配。中國(guó)出口的自行車占世界市場(chǎng)份額的70%以上。

  Precedence research數(shù)據(jù)顯示，2021年全球電動(dòng)自行車市場(chǎng)規(guī)模為175.6億美元，預(yù)計(jì)到2030年將超過409.8億美元，預(yù)計(jì)從2021年到2030年將以9.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)。

  電動(dòng)自行車興盛，但相比之下，電動(dòng)滑板車的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，騎行姿勢(shì)更適合著裝更正式的歐美通勤族，站上就能走的電滑板車顯然比兩腿蹬輪方便得多。

  GlobeNewswire預(yù)測(cè)，在各國(guó)政府節(jié)能減排的支持性政策推動(dòng)下，到2028年，全球電動(dòng)滑板車市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)將達(dá)到299億美元。而2021年其全球市場(chǎng)價(jià)值為196億美元;預(yù)計(jì)市場(chǎng)將以7.3%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

  這兩輪市場(chǎng)的供求情況穩(wěn)定，一些品牌已飆升逾300%。與國(guó)外政府補(bǔ)貼引發(fā)的自行車熱潮不同，自2021年4月份以來，國(guó)內(nèi)兩輪汽車市場(chǎng)一直在緩慢升溫，兒童滑板車與自行車的銷量最高，幾乎是爆發(fā)前的兩倍。

  電動(dòng)滑板車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

  目前，90%以上的電動(dòng)滑板車都是采用的輪轂電機(jī)，如何低噪音，高效率地驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)成為電動(dòng)滑板車驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵。

  采用正弦波FOC控制，基于GD32E230C8T6主控芯片和GD30DR8306KU驅(qū)動(dòng)芯片是24V滑板車系統(tǒng)性價(jià)比極高的方案，其中GD32E230C8T6提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MCU平臺(tái)，而GD30DR8306驅(qū)動(dòng)芯片，集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保護(hù)，LDO以及BUCK等多種功能，二者合一后，只需要增加極少的外圍電路，便可以實(shí)現(xiàn)滑板車輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

  電動(dòng)滑板車系統(tǒng)方案框圖

  本系統(tǒng)采用24V鋰電池供電，通過GD30DR8306自帶的DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，提供5V的電壓信號(hào)為系統(tǒng)供電，同時(shí)GD30DR8306提供mos的門級(jí)驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)通過HALL傳感器采集到的信號(hào)獲得輪轂電機(jī)的相位和位置信息，以及通過低側(cè)電流采樣獲得電流大小，在GD32E230C8T6上進(jìn)行有感FOC電流+速度雙閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)噪音更小，效率更好，系統(tǒng)平滑性更好。

  GD32E230系列MCU主要規(guī)格介紹

  ? Arm Cortex-M23@72MHz, 處理性能可達(dá)55DMIPS

  ? Flash：64KB/32KB/16KB

  ? SRAM：8KB/6KB/4KB

  ? 高速高精度ADC, 12Bits ADCx1@2.6Msps，10通道

  ? 高級(jí)定時(shí)器x1，可產(chǎn)生6路死區(qū)可調(diào)的互補(bǔ)PWM輸出

  ? 通用定時(shí)器x5

  ? Flash帶硬件加密保護(hù)

  ? 多種串行通訊方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2

  ? 豐富的封裝類型：TSSOP20/LGA20/QFN28/ QFN32/LQFP32/LQFP48

  ? 供電電壓：1.8V~3.6V

  ? 工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍：-40℃~+85℃

  ? 工業(yè)級(jí)的ESD特性：6000 V

  GD30DR8306系列驅(qū)動(dòng)芯片介紹

  ? 三相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)

  ? 4.5V-30V供電電壓

  ? 可編程驅(qū)動(dòng)電流，最大1A的拉電流和1.2A的灌電流

  ? 200kHz PWM 輸入控制

  ? 2種PWM 模式 (6x 和 3x)

  ? 內(nèi)置 5V/2A DC-DC 降壓控制器

  ? 集成 5V LDO

  核心控制原理介紹

  本系統(tǒng)方案采用有感FOC控制理論

  有感FOC控制算法框圖

  FOC控制理論最初于上世紀(jì)70年代由西門子的工程師提出。可以把定子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)虛擬成一個(gè)繞轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)磁鐵。定子磁勢(shì)可分解為d軸磁勢(shì)和q軸磁勢(shì)，d軸磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會(huì)影響永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng);q軸與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差90度，因而產(chǎn)生切向的力矩(類似兩根垂直的條形磁鐵所產(chǎn)生的相互作用力)。

  FOC的控制的基本思路就是將三相靜止ABC坐標(biāo)系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下(d，q)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，controller改變d軸和q軸的電壓達(dá)到控制d軸和q軸電流的目的。然而最終給電機(jī)三相的只能是靜止坐標(biāo)系下的電壓，因此在控制算法中需要再次把dq軸的電壓轉(zhuǎn)換成ABC三相電壓給驅(qū)動(dòng)橋。

  過程如下：

  1、測(cè)量3相定子電流。這些測(cè)量可得到ia和ib的值，可以通過以下公式計(jì)算出ic：

  ia+ib+ic=0

  2、將3相電流變換至2軸系統(tǒng)。該變換將得到變量iα和iβ，它們是由測(cè)得的ia和ib以及計(jì)算出的ic值變換而來的。從定子角度來看，iα和iβ是相互正交的時(shí)變電流值。

  3、按照控制環(huán)上一次迭代計(jì)算出的變換角，來旋轉(zhuǎn)2軸系統(tǒng)使之與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊。iα和iβ變量經(jīng)過該變換可得到Id和Iq。Id和Iq為變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正交電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常量。

  4、誤差信號(hào)由Id、Iq的實(shí)際值和各自的參考值進(jìn)行比較而獲得。

  ? Id的參考值控制轉(zhuǎn)子磁通

  ? Iq的參考值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出

  ? 誤差信號(hào)是到PI控制器的輸入

  ? 控制器的輸出為Vd和Vq，即要施加到電機(jī)上的電壓矢量

  5、估算出新的變換角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是輸入?yún)?shù)。新的角度可告知FOC算法下一個(gè)電壓矢量在何處。

  6、通過使用新的角度，可將PI控制器的Vd和Vq輸出值逆變到靜止參考坐標(biāo)系。該計(jì)算將產(chǎn)生下一個(gè)正交電壓值Vα和Vβ。

  7、Vα和Vβ值經(jīng)過逆變換得到3相值Va、Vb和Vc。該3相電壓值可用來計(jì)算新的PWM占空比值，以生成所期望的電壓矢量。

  方案展示