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企業(yè)新聞
芯??萍糃S32F103的新能源叉車(chē)控制器應用
2022-12-06

世界叉車(chē)的起源,最早可以追溯到1917年。

歷經(jīng)一百多年的發(fā)展,以叉車(chē)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(chǎng)、倉庫、港口、場(chǎng)站等工業(yè)、物流等國民經(jīng)濟部門(mén)。

近年來(lái),全球叉車(chē)市場(chǎng)規模呈上升態(tài)勢。2021年全球叉車(chē)銷(xiāo)量創(chuàng )紀錄達234萬(wàn)輛,同比大增47.89%,其中中國叉車(chē)銷(xiāo)量高達110萬(wàn)臺,同比增長(cháng)37.4%,成為世界第一叉車(chē)生產(chǎn)大國和消費市場(chǎng)。

與此同時(shí),隨著(zhù)新能源行業(yè)的持續火爆,以蓄電池為動(dòng)力源的新能源叉車(chē)成為行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向。2021年,中國新能源叉車(chē)銷(xiāo)量為65.78萬(wàn)臺,同比增長(cháng)60.33%,未來(lái)仍保持著(zhù)高速增長(cháng)。

與傳統內燃叉車(chē)相比,新能源叉車(chē)進(jìn)一步優(yōu)化了叉車(chē)性能,具有能量轉換效率高、噪聲小、無(wú)廢氣排放、控制方便等優(yōu)點(diǎn),還有體積小、靈活、易操作等特點(diǎn),在車(chē)間、倉庫、自動(dòng)倉儲系統、大型超市等對環(huán)境條件要求較高的場(chǎng)合更具優(yōu)勢。

新能源叉車(chē)的電機應用

叉車(chē)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(chē)為了實(shí)現高靈敏度的精準感知操控、適應各種高低溫應用場(chǎng)景及具備低功耗運行模式,對叉車(chē)驅動(dòng)電機及控制系統上提出了很高的要求。

目前,市場(chǎng)上新能源叉車(chē)的驅動(dòng)電機及控制系統種類(lèi)頗多,主要可分為直流電機、異步電機、永磁同步電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機等。

其中,永磁同步電機的綜合性能超過(guò)其它類(lèi)型的電機,最大優(yōu)點(diǎn)就是具有較高的功率密度與轉矩密度,相較其他種類(lèi)的電機,在相同質(zhì)量與體積下,永磁同步電機能夠為新能源汽車(chē)提供最大的動(dòng)力輸出與加速度,是新能源叉車(chē)性能最佳的驅動(dòng)電機。

新能源叉車(chē)的各種驅動(dòng)電機性能比較表

永磁同步電機具備效率高、扭矩大、壽命長(cháng)等特點(diǎn),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(diǎn)。由于控制方式較為復雜,需要了解電機進(jìn)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(chē)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(chē)電機驅動(dòng)控制器的關(guān)鍵技術(shù)所在。為了獲得具有良好動(dòng)態(tài)扭矩響應的良好速度控制,在正弦驅動(dòng)中采用稱(chēng)為矢量控制(也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制或FOC)的技術(shù)。


CS32F103的應用優(yōu)勢

對此,為了方便電機客戶(hù)工程師快速、高效地設計出滿(mǎn)足需求的新能源叉車(chē)永磁同步電機產(chǎn)品,芯??萍纪瞥龌诟咝阅躆CU CS32F103系列芯片的新能源叉車(chē)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(guò)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(shí)控制Id和Iq即可控制電機扭矩和磁場(chǎng)。通常將Id設置為0。

將Iq與Id進(jìn)行PI運算,得到輸出量Vq和Vd,通過(guò)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(jìn)行park逆變換,得到二軸變量Vα和Vβ,再進(jìn)行clarke逆變換得到目標三相電壓生成SVPWM來(lái)控制MOS電橋,來(lái)驅動(dòng)永磁同步電機。

矢量控制方案實(shí)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(lèi)型,參數設置不當,則會(huì )導致電機控制效率偏低,響應不達標。

芯??萍夹履茉床孳?chē)電機控制器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(gè)通用16位定時(shí)器、1個(gè)PWM高級定時(shí)器、1個(gè)USB接口和1個(gè)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(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、醫療、消費電子、汽車(chē)電子等應用領(lǐng)域。

芯??萍糃S32F103產(chǎn)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(mǎn)足苛刻的極端應用環(huán)境下,在規定范圍內電壓、電流、溫度及器件保護等方面,實(shí)現開(kāi)機和工作狀態(tài)的全系統檢測,確保叉車(chē)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(dòng)時(shí)間和多種喚醒事件之間達到最佳的平衡,保證新能源叉車(chē)的低功耗應用。


CS32F103的開(kāi)發(fā)生態(tài)

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

EVB-32F103系列開(kāi)發(fā)板

在開(kāi)發(fā)生態(tài)上,CS32F103支持KEIL等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,提供EVB-32F103系列開(kāi)發(fā)板和在線(xiàn)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(jiǎn)單的特點(diǎn),還支持數據統計、在線(xiàn)更新等增強功能,幫助客戶(hù)實(shí)現電機控制器的最終硬件配置。

此外,CS32F103還支持第三方量產(chǎn)燒錄工具,用戶(hù)無(wú)需重復購買(mǎi)。芯??萍继峁┤娴漠a(chǎn)品SDK開(kāi)發(fā)包,提供固件版本管理系統,方便用戶(hù)工程師可以安全分發(fā)固件,避免版本錯誤,實(shí)現快速移植開(kāi)發(fā)。

CS32F103系列的型號列表


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