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
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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。
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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。
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∎ arm cortex-m23@72mhz, 处理性能可达55dmips
∎ flash：64kb/32kb/16kb
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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。
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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。
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