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  出行成為日常生活的關(guān)鍵，隨著時間的推移，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，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(chǎn)業(yè)鏈，從零部件到整車裝配。中國出口的自行車占世界市場份額的70%以上。

  Precedence research數(shù)據(jù)顯示，2021年全球電動自行車市場規(guī)模為175.6億美元，預(yù)計到2030年將超過409.8億美元，預(yù)計從2021年到2030年將以9.6%的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長。

  電動自行車興盛，但相比之下，電動滑板車的結(jié)構(gòu)更簡單，騎行姿勢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，在各國政府節(jié)能減排的支持性政策推動下，到2028年，全球電動滑板車市場總額預(yù)計將達到299億美元。而2021年其全球市場價值為196億美元;預(yù)計市場將以7.3%的復(fù)合年增長率增長。

  這兩輪市場的供求情況穩(wěn)定，一些品牌已飆升逾300%。與國外政府補貼引發(fā)的自行車熱潮不同，自2021年4月份以來，國內(nèi)兩輪汽車市場一直在緩慢升溫，兒童滑板車與自行車的銷量最高，幾乎是爆發(fā)前的兩倍。

  電動滑板車電機驅(qū)動系統(tǒng)方案

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

  采用正弦波FOC控制，基于GD32E230C8T6主控芯片和GD30DR8306KU驅(qū)動芯片是24V滑板車系統(tǒng)性價比極高的方案，其中GD32E230C8T6提供電機驅(qū)動的MCU平臺，而GD30DR8306驅(qū)動芯片，集成了電機驅(qū)動，保護，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，便可以實現(xiàn)滑板車輪轂電機的驅(qū)動。

  電動滑板車系統(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的電壓信號為系統(tǒng)供電，同時GD30DR8306提供mos的門級驅(qū)動。本系統(tǒng)通過HALL傳感器采集到的信號獲得輪轂電機的相位和位置信息，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55DMIPS

  ? Flash：64KB/32KB/16KB

  ? SRAM：8KB/6KB/4KB

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

  ? 高級定時器x1，可產(chǎn)生6路死區(qū)可調(diào)的互補PWM輸出

  ? 通用定時器x5

  ? Flash帶硬件加密保護

  ? 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)級的工作溫度范圍：-40℃~+85℃

  ? 工業(yè)級的ESD特性：6000 V

  GD30DR8306系列驅(qū)動芯片介紹

  ? 三相無刷電機驅(qū)動

  ? 4.5V-30V供電電壓

  ? 可編程驅(qū)動電流，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70年代由西門子的工程師提出?？梢园讯ㄗ铀a(chǎn)生的磁場虛擬成一個繞轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)磁鐵。定子磁勢可分解為d軸磁勢和q軸磁勢，d軸磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會影響永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場;q軸與轉(zhuǎn)子磁勢相差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坐標系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系下(d，q)進行數(shù)學(xué)運算，controller改變d軸和q軸的電壓達到控制d軸和q軸電流的目的。然而最終給電機三相的只能是靜止坐標系下的電壓，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)動橋。

  過程如下：

  1、測量3相定子電流。這些測量可得到ia和ib的值，可以通過以下公式計算出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，它們是由測得的ia和ib以及計算出的ic值變換而來的。從定子角度來看，iα和iβ是相互正交的時變電流值。

  3、按照控制環(huán)上一次迭代計算出的變換角，來旋轉(zhuǎn)2軸系統(tǒng)使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。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、誤差信號由Id、Iq的實際值和各自的參考值進行比較而獲得。

  ? Id的參考值控制轉(zhuǎn)子磁通

  ? Iq的參考值控制電機的轉(zhuǎn)矩輸出

  ? 誤差信號是到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系。該計算將產(chǎn)生下一個正交電壓值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相電壓值可用來計算新的PWM占空比值，以生成所期望的電壓矢量。

  方案展示