电动滑板车电机驱动系统方案

前言

疫情爆发后，出行成为日常生活的关键，随着时间的推移，疫情向世界蔓延以及逐步得到控制，现在出现了令人瞩目的产业。为了减少公共交通所造成的感染风险，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。中国出口的自行车占世界市场份额的70%以上。

Precedence research数据显示，2021年全球电动自行车市场规模为175.6亿美元，预计到2030年将超过409.8亿美元，预计从2021年到2030年将以9.6%的复合年增长率 (CAGR) 增长。

电动自行车兴盛，但相比之下，电动滑板车的结构更简单，骑行姿势更适合着装更正式的欧美通勤族，站上就能走的电滑板车显然比两腿蹬轮方便得多。

GlobeNewswire预测，在各国政府节能减排的支持性政策推动下，到2028年，全球电动滑板车市场总额预计将达到299亿美元。而2021年其全球市场价值为196亿美元；预计市场将以7.3%的复合年增长率增长。

这两轮市场的供求情况稳定，一些品牌已飙升逾300%。与国外政府补贴引发的自行车热潮不同，自2021年4月份以来，国内两轮汽车市场一直在缓慢升温，儿童滑板车与自行车的销量最高，几乎是爆发前的两倍。

电动滑板车电机驱动系统方案

目前，90%以上的电动滑板车都是采用的轮毂电机，如何低噪音，高效率地驱动轮毂电机成为电动滑板车驱动器的关键。

采用正弦波FOC控制，基于GD32E230C8T6主控芯片和GD30DR8306KU驱动芯片是24V滑板车系统性价比极高的方案，其中GD32E230C8T6提供电机驱动的MCU平台，而GD30DR8306驱动芯片，集成了电机驱动，保护，LDO以及BUCK等多种功能，二者合一后，只需要增加极少的外围电路，便可以实现滑板车轮毂电机的驱动。

电动滑板车系统方案框图

本系统采用24V锂电池供电，通过GD30DR8306自带的DC-DC电源转换芯片，提供5V的电压信号为系统供电，同时GD30DR8306提供mos的门级驱动。本系统通过HALL传感器采集到的信号获得轮毂电机的相位和位置信息，以及通过低侧电流采样获得电流大小，在GD32E230C8T6上进行有感FOC电流+速度双闭环控制，使得系统噪音更小，效率更好，系统平滑性更好。

GD32E230系列MCU主要规格介绍

∎  Arm Cortex-M23@72MHz, 处理性能可达55DMIPS

∎  Flash：64KB/32KB/16KB

∎  SRAM：8KB/6KB/4KB

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

∎  高级定时器x1，可产生6路死区可调的互补PWM输出

∎  通用定时器x5

∎  Flash带硬件加密保护

∎  多种串行通讯方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2

∎  丰富的封装类型：TSSOP20/LGA20/QFN28/ QFN32/LQFP32/LQFP48

∎  供电电压：1.8V~3.6V

∎  工业级的工作温度范围：-40℃~+85℃

∎  工业级的ESD特性：6000 V

GD30DR8306系列驱动芯片介绍

∎  三相无刷电机驱动

∎  4.5V-30V供电电压

∎  可编程驱动电流，最大1A的拉电流和1.2A的灌电流

∎  200kHz PWM 输入控制

∎  2种PWM 模式 (6x 和 3x)

∎  内置 5V/2A DC-DC 降压控制器

∎  集成 5V LDO

核心控制原理介绍

本系统方案采用有感FOC控制理论

有感FOC控制算法框图

FOC控制理论最初于上世纪70年代由西门子的工程师提出。可以把定子所产生的磁场虚拟成一个绕转子高速旋转磁铁。定子磁势可分解为d轴磁势和q轴磁势，d轴磁势与转子磁势同轴，不能产生切向的力矩，但会影响永磁同步电机转子永磁体所产生的磁场；q轴与转子磁势相差90度，因而产生切向的力矩（类似两根垂直的条形磁铁所产生的相互作用力）。

FOC的控制的基本思路就是将三相静止ABC坐标系下的相关变量转换到旋转坐标系下（d，q）进行数学运算，controller改变d轴和q轴的电压达到控制d轴和q轴电流的目的。然而最终给电机三相的只能是静止坐标系下的电压，因此在控制算法中需要再次把dq轴的电压转换成ABC三相电压给驱动桥。

过程如下：

1、测量3相定子电流。这些测量可得到ia和ib的值，可以通过以下公式计算出ic：

ia+ib+ic=0

2、将3相电流变换至2轴系统。该变换将得到变量iα和iβ，它们是由测得的ia和ib以及计算出的ic值变换而来的。从定子角度来看，iα和iβ是相互正交的时变电流值。

3、按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转2轴系统使之与转子磁通对齐。iα和iβ变量经过该变换可得到Id和Iq。Id和Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq是常量。

4、误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得。

Id的参考值控制转子磁通

Iq的参考值控制电机的转矩输出

误差信号是到PI控制器的输入

控制器的输出为Vd和Vq，即要施加到电机上的电压矢量

5、估算出新的变换角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是输入参数。新的角度可告知FOC算法下一个电压矢量在何处。

6、通过使用新的角度，可将PI控制器的Vd和Vq输出值逆变到静止参考坐标系。该计算将产生下一个正交电压值Vα和Vβ。

7、Vα和Vβ值经过逆变换得到3相值Va、Vb和Vc。该3相电压值可用来计算新的PWM占空比值，以生成所期望的电压矢量。

方案展示

 

审核编辑 ：李倩