芯海科技CS32F103的新能源叉车控制器应用

来源:MCU开发加油站发布时间:2022-12-072105浏览

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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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芯海科技（深圳）股份有限公司（股票代码：688595）成立于2003年9月，是一家集感知、计算、控制、连接于一体的全信号链集成电路设计企业，专注于高精度ADC、高可靠性MCU、测量算法以及AIoT一站式解决方案的研发设计。产品和方案广泛应用于工业测量与工业控制、通信与计算机、锂电管理、消费电子、汽车电子、智慧家居、智能仪表、智慧健康等领域。芯海科技作为同时拥有模拟信号链和MCU双平台驱动的集成电路设计企业，也是少数拥有物联网整体解决方案的集成电路设计企业之一，与客户A、荣耀、vivo、OPPO、小米、华米、紫米、麦克韦尔、飞科、汇川、汉威、四方光电、南方电网、德朔、美的、香山衡器、乐心医疗、锂电某龙头公司等知名企业持续保持紧密合作，成为鸿蒙智联（HarmonyOS Connect）生态合作伙伴。芯海科技总部位于深圳，在合肥、西安、成都、上海设立子公司，是国家级高新技术企业，被广东省科技厅认定为“广东省物联网芯片开发与应用工程技术研究中心”，获得国家级专精特新“小巨人”称号。公司获批设立了市级博士后创新实践基地，建有可靠性检测中心、健康测量实验室、感知实验室、MCU实验室。截止到2022年上半年，芯海科技累计拥有全球专利申请近800件，累计拥有已授权专利近350件（含美国专利），拥有专利数量在科创板芯片设计上市公司中名列前茅。