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。
新能源叉車的電機應(yīng)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(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)動電機及控制系統(tǒng)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(guān)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(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,在相同質(zhì)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(qū)動電機。
新能源叉車的各種驅(qū)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(fù)雜,需要了解電機進行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機制。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制,這也是叉車電機驅(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產(chǎn)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(tǒng)硬件框圖
CS32F103內(nèi)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(biāo)變換為兩相坐標(biāo),此時控制Id和Iq即可控制電機扭矩和磁場。通常將Id設(shè)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(zhuǎn)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(biāo)三相電壓生成SVPWM來控制MOS電橋,來驅(qū)動永磁同步電機。
矢量控制方案實現(xiàn)之后還需要調(diào)整PI控制器參數(shù)以匹配不同的電機和負(fù)載類型,參數(shù)設(shè)置不當(dāng),則會導(dǎo)致電機控制效率偏低,響應(yīng)不達(dá)標(biāo)。
芯海科技新能源叉車電機控制器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、溫度及器件保護等方面,實現(xiàn)開機和工作狀態(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、停機模式、待機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)電機控制的定制算法,可以使電機驅(qū)動器更好地管理電機故障檢測等關(guān)鍵功能,同時實施保護機制,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??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?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計、在線更新等增強功能,幫助客戶實現(xiàn)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)。
CS32F103系列的型號列表