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