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    企業新聞
    芯??萍糃S32F103的新能源叉車控制器應用
    2022-12-06

    世界叉車的起源,最早可以追溯到1917年。

    歷經一百多年的發展,以叉車為主的機械化裝卸、堆垛和短距運輸,讓人們告別了繁重的原始人力搬運,廣泛應用到全球的工廠、倉庫、港口、場站等工業、物流等國民經濟部門。

    近年來,全球叉車市場規模呈上升態勢。2021年全球叉車銷量創紀錄達234萬輛,同比大增47.89%,其中中國叉車銷量高達110萬臺,同比增長37.4%,成為世界第一叉車生產大國和消費市場。

    與此同時,隨著新能源行業的持續火爆,以蓄電池為動力源的新能源叉車成為行業的未來發展方向。2021年,中國新能源叉車銷量為65.78萬臺,同比增長60.33%,未來仍保持著高速增長。

    與傳統內燃叉車相比,新能源叉車進一步優化了叉車性能,具有能量轉換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優點,還有體積小、靈活、易操作等特點,在車間、倉庫、自動倉儲系統、大型超市等對環境條件要求較高的場合更具優勢。

    新能源叉車的電機應用

    叉車需要保持高安全、高強度、低能耗的工作性能,因此新能源叉車為了實現高靈敏度的精準感知操控、適應各種高低溫應用場景及具備低功耗運行模式,對叉車驅動電機及控制系統上提出了很高的要求。

    目前,市場上新能源叉車的驅動電機及控制系統種類頗多,主要可分為直流電機、異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等。

    其中,永磁同步電機的綜合性能超過其它類型的電機,最大優點就是具有較高的功率密度與轉矩密度,相較其他種類的電機,在相同質量與體積下,永磁同步電機能夠為新能源汽車提供最大的動力輸出與加速度,是新能源叉車性能最佳的驅動電機。

    新能源叉車的各種驅動電機性能比較表

    永磁同步電機具備效率高、扭矩大、壽命長等特點,屬于自換流式電機,使用弦波矢量(FOC)控制方式,具備高效率、高性能、高可靠性的特點。由于控制方式較為復雜,需要了解電機進行整流轉向的轉子位置和機制。為了獲得轉子位置,常采用位置傳感器,例如霍爾、編碼器和旋變等。

    弦波矢量(FOC)控制原理框圖

    由于叉車電流管理,需要調整到在變化的負載下控制速度,因此必須采用反饋控制機制,這也是叉車電機驅動控制器的關鍵技術所在。為了獲得具有良好動態扭矩響應的良好速度控制,在正弦驅動中采用稱為矢量控制(也稱為磁場定向控制或FOC)的技術。


    CS32F103的應用優勢

    對此,為了方便電機客戶工程師快速、高效地設計出滿足需求的新能源叉車永磁同步電機產品,芯??萍纪瞥龌诟咝阅躆CU CS32F103系列芯片的新能源叉車永磁同步電機控制解決方案。

    永磁同步電機控制系統硬件框圖

    CS32F103內置高精度ADC采集永磁同步電機的相電流,然后通過運行clarke變換得到兩軸正交電流量Iα和Iβ,運行park變換后得到正交電流量 Id、Iq。將三相坐標變換為兩相坐標,此時控制Id和Iq即可控制電機扭矩和磁場。通常將Id設置為0。

    將Iq與Id進行PI運算,得到輸出量Vq和Vd,通過位置傳感器(例如霍爾,編碼器,旋變)得到電機的角度θ和轉速n。

    對Vq、Vd和θ進行park逆變換,得到二軸變量Vα和Vβ,再進行clarke逆變換得到目標三相電壓生成SVPWM來控制MOS電橋,來驅動永磁同步電機。

    矢量控制方案實現之后還需要調整PI控制器參數以匹配不同的電機和負載類型,參數設置不當,則會導致電機控制效率偏低,響應不達標。

    芯??萍夹履茉床孳囯姍C控制器DEMO

    CS32F103采用高性能32位RISC架構,最高工作頻率為72MHz,嵌入128K Byte flash和20K Byte SRAM,提供標準的通信接口(I2C、SPI、USART),2路12Bit ADC、3個通用16位定時器、1個PWM高級定時器、1個USB接口和1個CAN接口。提供包括涵蓋48引腳到100引腳的多種封裝,適用于電機控制、工業自動化、儀器儀表、醫療、消費電子、汽車電子等應用領域。

    芯??萍糃S32F103產品框圖

    CS32F103的供電電壓為2.0V至3.6V,工作溫度范圍涵蓋-40℃至+105℃,結溫達125℃,滿足苛刻的極端應用環境下,在規定范圍內電壓、電流、溫度及器件保護等方面,實現開機和工作狀態的全系統檢測,確保叉車正常運行。

    此外,CS32F103還具備支持睡眠模式、停機模式、待機模式等三種低功耗的節能模式,可以在低功耗要求、短啟動時間和多種喚醒事件之間達到最佳的平衡,保證新能源叉車的低功耗應用。


    CS32F103的開發生態

    CS32F103系列憑借高度集成特性,支持終端應用根據具體需求開發電機控制的定制算法,可以使電機驅動器更好地管理電機故障檢測等關鍵功能,同時實施保護機制,從而提高系統可靠性。

    EVB-32F103系列開發板

    在開發生態上,CS32F103支持KEIL等集成開發環境,提供EVB-32F103系列開發板和在線調試工具,提供芯??萍甲钚碌腃SWrite V3.x等最新燒錄工具軟件,具有燒錄速度快、良率高、操作簡單的特點,還支持數據統計、在線更新等增強功能,幫助客戶實現電機控制器的最終硬件配置。

    此外,CS32F103還支持第三方量產燒錄工具,用戶無需重復購買。芯??萍继峁┤娴漠a品SDK開發包,提供固件版本管理系統,方便用戶工程師可以安全分發固件,避免版本錯誤,實現快速移植開發。

    CS32F103系列的型號列表


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