芯?？萍糃S32F103的新能源叉車控制器應(yīng)用

世界叉車的起源，最早可以追溯到1917年。

歷經(jīng)一百多年的發(fā)展，以叉車為主的機(jī)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(yīng)用到全球的工廠、倉庫、港口、場站等工業(yè)、物流等國民經(jīng)濟(jì)部門。

近年來，全球叉車市場規(guī)模呈上升態(tài)勢。2021年全球叉車銷量創(chuàng)紀(jì)錄達(dá)234萬輛，同比大增47.89%，其中中國叉車銷量高達(dá)110萬臺，同比增長37.4%，成為世界第一叉車生產(chǎn)大國和消費市場。

與此同時，隨著新能源行業(yè)的持續(xù)火爆，以蓄電池為動力源的新能源叉車成為行業(yè)的未來發(fā)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(tǒng)內(nèi)燃叉車相比，新能源叉車進(jìn)一步優(yōu)化了叉車性能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優(yōu)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(tǒng)、大型超市等對環(huán)境條件要求較高的場合更具優(yōu)勢。

新能源叉車的電機(jī)應(yīng)用

叉車需要保持高安全、高強(qiáng)度、低能耗的工作性能，因此新能源叉車為了實現(xiàn)高靈敏度的精準(zhǔn)感知操控、適應(yīng)各種高低溫應(yīng)用場景及具備低功耗運行模式，對叉車驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)上提出了很高的要求。

目前，市場上新能源叉車的驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)種類頗多，主要可分為直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。

其中，永磁同步電機(jī)的綜合性能超過其它類型的電機(jī)，最大優(yōu)點就是具有較高的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度，相較其他種類的電機(jī)，在相同質(zhì)量與體積下，永磁同步電機(jī)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(qū)動電機(jī)。

新能源叉車的各種驅(qū)動電機(jī)性能比較表

永磁同步電機(jī)具備效率高、扭矩大、壽命長等特點，屬于自換流式電機(jī)，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(fù)雜，需要了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。為了獲得轉(zhuǎn)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(diào)整到在變化的負(fù)載下控制速度，因此必須采用反饋控制機(jī)制，這也是叉車電機(jī)驅(qū)動控制器的關(guān)鍵技術(shù)所在。為了獲得具有良好動態(tài)扭矩響應(yīng)的良好速度控制，在正弦驅(qū)動中采用稱為矢量控制（也稱為磁場定向控制或FOC）的技術(shù)。

CS32F103的應(yīng)用優(yōu)勢

對此，為了方便電機(jī)客戶工程師快速、高效地設(shè)計出滿足需求的新能源叉車永磁同步電機(jī)產(chǎn)品，芯?？萍?/u>推出基于高性能MCU CS32F103系列芯片的新能源叉車永磁同步電機(jī)控制解決方案。

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖

CS32F103內(nèi)置高精度 ADC采集永磁同步電機(jī)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(biāo)變換為兩相坐標(biāo)，此時控制Id和Iq即可控制電機(jī)扭矩和磁場。通常將Id設(shè)置為０。

將Iq與Id進(jìn)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(jī)的角度θ和轉(zhuǎn)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(biāo)三相電壓生成SVPWM來控制MOS電橋，來驅(qū)動永磁同步電機(jī)。

矢量控制方案實現(xiàn)之后還需要調(diào)整PI控制器參數(shù)以匹配不同的電機(jī)和負(fù)載類型，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，則會導(dǎo)致電機(jī)控制效率偏低，響應(yīng)不達(dá)標(biāo)。

芯?？萍夹履茉床孳囯姍C(jī)控制器DEMO

CS32F103采用高性能32位RISC架構(gòu)，最高工作頻率為72MHz，嵌入128K Byte flash和20K Byte SRAM，提供標(biāo)準(zhǔn)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(jī)控制、工業(yè)自動化、儀器儀表、醫(yī)療、消費電子、汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域。

芯海科技CS32F103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(jié)溫達(dá)125℃，滿足苛刻的極端應(yīng)用環(huán)境下，在規(guī)定范圍內(nèi)電壓、電流、溫度及器件保護(hù)等方面，實現(xiàn)開機(jī)和工作狀態(tài)的全系統(tǒng)檢測，確保叉車正常運行。

此外，CS32F103還具備支持睡眠模式、停機(jī)模式、待機(jī)模式等三種低功耗的節(jié)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(dá)到最佳的平衡，保證新能源叉車的低功耗應(yīng)用。

CS32F103的開發(fā)生態(tài)

CS32F103系列憑借高度集成特性，支持終端應(yīng)用根據(jù)具體需求開發(fā)電機(jī)控制的定制算法，可以使電機(jī)驅(qū)動器更好地管理電機(jī)故障檢測等關(guān)鍵功能，同時實施保護(hù)機(jī)制，從而提高系統(tǒng)可靠性。

EVB-32F103系列開發(fā)板

在開發(fā)生態(tài)上，CS32F103支持KEIL等集成開發(fā)環(huán)境，提供EVB-32F103系列開發(fā)板和在線調(diào)試工具，提供芯海科技最新的CSWrite 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?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計、在線更新等增強(qiáng)功能，幫助客戶實現(xiàn)電機(jī)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，用戶無需重復(fù)購買。芯?？萍继峁┤娴漠a(chǎn)品SDK開發(fā)包，提供固件版本管理系統(tǒng)，方便用戶工程師可以安全分發(fā)固件，避免版本錯誤，實現(xiàn)快速移植開發(fā)。