【应用】芯海推出基于高性能MCU CS32F103的新能源叉车永磁同步电机控制解决方案,工作频率达72MHz
世界叉车的起源,最早可以追溯到1917年。历经一百多年的发展,以叉车为主的机械化装卸、堆垛和短距运输,让人们告别了繁重的原始人力搬运,广泛应用到全球的工厂、仓库、港口、场站等工业、物流等国民经济部门。
近年来,全球叉车市场规模呈上升态势。2021年全球叉车销量创纪录达234万辆,同比大增47.89%,其中中国叉车销量高达110万台,同比增长37.4%,成为世界第一叉车生产大国和消费市场。
与此同时,随着新能源行业的持续火爆,以蓄电池为动力源的新能源叉车成为行业的未来发展方向。2021年,中国新能源叉车销量为65.78万台,同比增长60.33%,未来仍保持着高速增长。
与传统内燃叉车相比,新能源叉车进一步优化了叉车性能,具有能量转换效率高、噪声小、无废气排放、控制方便等优点,还有体积小、灵活、易操作等特点,在车间、仓库、自动仓储系统、大型超市等对环境条件要求较高的场合更具优势。
新能源叉车的电机应用
叉车需要保持高安全、高强度、低能耗的工作性能,因此新能源叉车为了实现高灵敏度的精准感知操控、适应各种高低温应用场景及具备低功耗运行模式,对叉车驱动电机及控制系统上提出了很高的要求。
目前,市场上新能源叉车的驱动电机及控制系统种类颇多,主要可分为直流电机、异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。
其中,永磁同步电机的综合性能超过其它类型的电机,最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度,相较其他种类的电机,在相同质量与体积下,永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度,是新能源叉车性能最佳的驱动电机。
新能源叉车的各种驱动电机性能比较表
永磁同步电机具备效率高、扭矩大、寿命长等特点,属于自换流式电机,使用弦波矢量(FOC)控制方式,具备高效率、高性能、高可靠性的特点。由于控制方式较为复杂,需要了解电机进行整流转向的转子位置和机制。为了获得转子位置,常采用位置传感器,例如霍尔、编码器和旋变等。
弦波矢量(FOC)控制原理框图
由于叉车电流管理,需要调整到在变化的负载下控制速度,因此必须采用反馈控制机制,这也是叉车电机驱动控制器的关键技术所在。为了获得具有良好动态扭矩响应的良好速度控制,在正弦驱动中采用称为矢量控制(也称为磁场定向控制或FOC)的技术。
CS32F103的应用优势
对此,为了方便电机客户工程师快速、高效地设计出满足需求的新能源叉车永磁同步电机产品,芯海科技推出基于高性能MCU CS32F103系列芯片的新能源叉车永磁同步电机控制解决方案。
永磁同步电机控制系统硬件框图
CS32F103内置高精度ADC采集永磁同步电机的相电流,然后通过运行clarke变换得到两轴正交电流量Iα和Iβ,运行park变换后得到正交电流量Id、Iq。将三相坐标变换为两相坐标,此时控制Id和Iq即可控制电机扭矩和磁场。通常将Id设置为0。
将Iq与Id进行PI运算,得到输出量Vq和Vd,通过位置传感器(例如霍尔,编码器,旋变)得到电机的角度θ和转速n。
对Vq、Vd和θ进行park逆变换,得到二轴变量Vα和Vβ,再进行clarke逆变换得到目标三相电压生成SVPWM来控制MOS电桥,来驱动永磁同步电机。
矢量控制方案实现之后还需要调整PI控制器参数以匹配不同的电机和负载类型,参数设置不当,则会导致电机控制效率偏低,响应不达标。
芯海科技新能源叉车电机控制器DEMO
CS32F103采用高性能32位RISC架构,最高工作频率为72MHz,嵌入128K Byte flash和20K Byte SRAM,提供标准的通信接口(I2C、SPI、USART),2路12Bit ADC、3个通用16位定时器、1个PWM高级定时器、1个USB接口和1个CAN接口。提供包括涵盖48引脚到100引脚的多种封装,适用于电机控制、工业自动化、仪器仪表、医疗、消费电子、汽车电子等应用领域。
芯海科技CS32F103产品框图
CS32F103的供电电压为2.0V至3.6V,工作温度范围涵盖-40℃至+105℃,结温达125℃,满足苛刻的极端应用环境下,在规定范围内电压、电流、温度及器件保护等方面,实现开机和工作状态的全系统检测,确保叉车正常运行。
此外,CS32F103还具备支持睡眠模式、停机模式、待机模式等三种低功耗的节能模式,可以在低功耗要求、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡,保证新能源叉车的低功耗应用。
CS32F103的开发生态
CS32F103系列凭借高度集成特性,支持终端应用根据具体需求开发电机控制的定制算法,可以使电机驱动器更好地管理电机故障检测等关键功能,同时实施保护机制,从而提高系统可靠性。
EVB-32F103系列开发板
在开发生态上,CS32F103支持KEIL等集成开发环境,提供EVB-32F103系列开发板和在线调试工具,提供芯海科技最新的CSWrite V3.x等最新烧录工具软件,具有烧录速度快、良率高、操作简单的特点,还支持数据统计、在线更新等增强功能,帮助客户实现电机控制器的最终硬件配置。
此外,CS32F103还支持第三方量产烧录工具,用户无需重复购买。芯海科技提供全面的产品SDK开发包,提供固件版本管理系统,方便用户工程师可以安全分发固件,避免版本错误,实现快速移植开发。
CS32F103系列的型号列表
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