世(shi)界叉(cha)車(che)的起源，最早(zao)可以追溯到1917年。
歷(li)經(jing)(jing)一百(bai)多年的(de)發展，以(yi)叉(cha)車為主的(de)機(ji)械化裝卸(xie)、堆(dui)垛和短距(ju)運輸，讓人們告別(bie)了繁重的(de)原(yuan)始人力搬(ban)運，廣泛應用到全球的(de)工廠、倉庫(ku)、港口(kou)、場站等工業、物流等國民(min)經(jing)(jing)濟部(bu)門。
近年(nian)來(lai)，全(quan)球(qiu)叉(cha)車(che)(che)市場(chang)規模呈上升態勢。2021年(nian)全(quan)球(qiu)叉(cha)車(che)(che)銷(xiao)量創紀錄達234萬輛，同(tong)比(bi)大增47.89%，其中(zhong)中(zhong)國(guo)叉(cha)車(che)(che)銷(xiao)量高達110萬臺，同(tong)比(bi)增長37.4%，成為世界(jie)第(di)一叉(cha)車(che)(che)生產大國(guo)和(he)消費(fei)市場(chang)。
與此同時，隨著新能源(yuan)行業(ye)的持(chi)續(xu)火爆，以蓄電池為動力源(yuan)的新能源(yuan)叉車成為行業(ye)的未(wei)來發展方(fang)向。2021年(nian)，中(zhong)國新能源(yuan)叉車銷量為65.78萬臺(tai)，同比增(zeng)長(chang)60.33%，未(wei)來仍保持(chi)著高速增(zeng)長(chang)。
與傳統內(nei)燃叉車相比(bi)，新能源(yuan)叉車進一(yi)步優化(hua)了叉車性能，具有(you)能量轉換效(xiao)率高、噪聲小、無廢氣排(pai)放、控制(zhi)方便等優點，還有(you)體(ti)積(ji)小、靈活、易操作(zuo)等特點，在車間、倉(cang)(cang)庫、自動倉(cang)(cang)儲系統、大型超(chao)市(shi)等對環境條件要求較高的場合更(geng)具優勢。
新(xin)能源(yuan)叉車的電機應用(yong)
叉(cha)車(che)需要保持高(gao)安全、高(gao)強度、低能(neng)耗的工作性能(neng)，因此新能(neng)源叉(cha)車(che)為了實現高(gao)靈敏度的精準(zhun)感知(zhi)操控、適應(ying)各種高(gao)低溫應(ying)用場景及(ji)具備低功耗運行(xing)模式，對叉(cha)車(che)驅動電機及(ji)控制系統上提出了很(hen)高(gao)的要求。
目前，市場上新能源叉車的驅動電(dian)機及控制系統種類(lei)頗多，主要可分(fen)為直(zhi)流(liu)電(dian)機、異(yi)步電(dian)機、永磁同步電(dian)機、開關(guan)磁阻電(dian)機等。
其(qi)中，永磁同步電(dian)(dian)(dian)機的綜合性能(neng)超(chao)過其(qi)它(ta)類型的電(dian)(dian)(dian)機，最大優點就是具有(you)較高的功率(lv)密度與(yu)(yu)轉(zhuan)矩(ju)密度，相較其(qi)他種類的電(dian)(dian)(dian)機，在相同質(zhi)量與(yu)(yu)體積下，永磁同步電(dian)(dian)(dian)機能(neng)夠為新能(neng)源(yuan)汽車(che)提供(gong)最大的動力輸出與(yu)(yu)加速度，是新能(neng)源(yuan)叉車(che)性能(neng)最佳的驅動電(dian)(dian)(dian)機。
新能源叉車的各種驅動電機性能比較表
永磁同步(bu)電(dian)機具(ju)備效率(lv)高(gao)(gao)、扭矩大(da)、壽命長等特點(dian)(dian)，屬于自換流(liu)式(shi)電(dian)機，使(shi)用(yong)弦波矢量（FOC）控制(zhi)方式(shi)，具(ju)備高(gao)(gao)效率(lv)、高(gao)(gao)性(xing)能、高(gao)(gao)可靠(kao)性(xing)的特點(dian)(dian)。由于控制(zhi)方式(shi)較(jiao)為(wei)復雜，需要了解電(dian)機進(jin)行整(zheng)流(liu)轉(zhuan)向的轉(zhuan)子位(wei)置和機制(zhi)。為(wei)了獲得轉(zhuan)子位(wei)置，常采用(yong)位(wei)置傳感器(qi)，例如(ru)霍爾、編(bian)碼(ma)器(qi)和旋變(bian)等。
弦波矢量（FOC）控(kong)制原理框圖
由于(yu)叉車(che)(che)電(dian)流管(guan)理，需要調整到在變化的(de)負載下控(kong)(kong)制(zhi)速度，因此必(bi)須采用(yong)(yong)反饋控(kong)(kong)制(zhi)機制(zhi)，這也(ye)是叉車(che)(che)電(dian)機驅動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)的(de)關鍵技術所(suo)在。為了獲得(de)具有良(liang)好(hao)動(dong)態(tai)扭矩響應(ying)的(de)良(liang)好(hao)速度控(kong)(kong)制(zhi)，在正弦驅動(dong)中采用(yong)(yong)稱(cheng)為矢(shi)量控(kong)(kong)制(zhi)（也(ye)稱(cheng)為磁場定(ding)向控(kong)(kong)制(zhi)或FOC）的(de)技術。
CS32F103的應用優(you)勢
對此，為了方(fang)(fang)便電機(ji)客戶(hu)工程師快速、高效地設計(ji)出滿足需求的(de)新能(neng)源叉車永磁同步(bu)電機(ji)產品，芯海科技推出基(ji)于高性能(neng)MCU CS32F103系(xi)列芯片(pian)的(de)新能(neng)源叉車永磁同步(bu)電機(ji)控制解決方(fang)(fang)案。
永磁同步電機控制系統硬件框圖(tu)
CS32F103內置高(gao)精度ADC采(cai)集永磁(ci)同(tong)步(bu)電機(ji)的相(xiang)電流，然(ran)后通過運(yun)(yun)行(xing)clarke變換(huan)(huan)得(de)到(dao)(dao)兩軸正交電流量(liang)Iα和Iβ，運(yun)(yun)行(xing)park變換(huan)(huan)后得(de)到(dao)(dao)正交電流量(liang) Id、Iq。將(jiang)三相(xiang)坐(zuo)標變換(huan)(huan)為兩相(xiang)坐(zuo)標，此(ci)時控(kong)制Id和Iq即(ji)可控(kong)制電機(ji)扭矩和磁(ci)場。通常將(jiang)Id設(she)置為０。
將(jiang)Iq與(yu)Id進行(xing)PI運算，得到(dao)輸(shu)出(chu)量Vq和Ｖd，通過位置傳感器（例如霍爾，編碼器，旋變）得到(dao)電機的角度θ和轉速n。
對(dui)Vq、Ｖd和θ進(jin)行park逆(ni)變換(huan)，得到(dao)(dao)二軸變量Vα和Vβ，再(zai)進(jin)行clarke逆(ni)變換(huan)得到(dao)(dao)目標三相電壓生成SVPWM來控制MOS電橋，來驅動永磁同步電機。
矢量控制(zhi)(zhi)方案(an)實現之后還需(xu)要調(diao)整PI控制(zhi)(zhi)器參(can)數以匹配(pei)不同的電機和負載類型，參(can)數設置不當，則會導致電機控制(zhi)(zhi)效率偏低，響應(ying)不達標。
芯海(hai)科技新能源叉車電機控制器DEMO
CS32F103采用(yong)(yong)高性能32位RISC架構(gou)，最高工(gong)作頻(pin)率為72MHz，嵌入128K Byte flash和(he)20K Byte SRAM，提供標準的通(tong)(tong)信接口（I2C、SPI、USART），2路12Bit ADC、3個通(tong)(tong)用(yong)(yong)16位定(ding)時器、1個PWM高級定(ding)時器、1個USB接口和(he)1個CAN接口。提供包括涵蓋48引(yin)腳到100引(yin)腳的多種封裝，適用(yong)(yong)于電(dian)機控(kong)制、工(gong)業自動化(hua)、儀器儀表(biao)、醫療、消費電(dian)子、汽車電(dian)子等(deng)應用(yong)(yong)領域。
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芯海科技CS32F103產品框圖
CS32F103的(de)供電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)為2.0V至(zhi)3.6V，工(gong)作(zuo)溫度(du)范(fan)圍涵蓋(gai)-40℃至(zhi)+105℃，結溫達125℃，滿(man)足苛(ke)刻的(de)極(ji)端應用環境(jing)下，在規定(ding)范(fan)圍內電(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)流、溫度(du)及器件保護等(deng)方面，實現開機和工(gong)作(zuo)狀態的(de)全系統(tong)檢(jian)測，確保叉車正(zheng)常運行。
此外，CS32F103還具(ju)備支持睡(shui)眠模(mo)式(shi)(shi)、停機(ji)模(mo)式(shi)(shi)、待機(ji)模(mo)式(shi)(shi)等三種(zhong)低(di)功(gong)(gong)耗(hao)的節能模(mo)式(shi)(shi)，可(ke)以在低(di)功(gong)(gong)耗(hao)要求、短啟動時間(jian)和多種(zhong)喚醒事件之間(jian)達到最(zui)佳的平(ping)衡，保證(zheng)新能源叉車的低(di)功(gong)(gong)耗(hao)應(ying)用。
CS32F103的開發生態
CS32F103系(xi)(xi)列憑(ping)借(jie)高(gao)度集(ji)成(cheng)特性，支持終端應用根據具體(ti)需求開發電機控(kong)制(zhi)的定制(zhi)算法，可以使電機驅(qu)動器(qi)更好地(di)管理電機故障檢測等關(guan)鍵(jian)功能(neng)，同時實施保(bao)護機制(zhi)，從(cong)而(er)提高(gao)系(xi)(xi)統(tong)可靠性。
EVB-32F103系(xi)列(lie)開發(fa)板
在(zai)(zai)開發生態上，CS32F103支持KEIL等集成開發環(huan)境，提(ti)供EVB-32F103系列開發板和在(zai)(zai)線調試工具(ju)，提(ti)供芯(xin)海科(ke)技最新的(de)CSWrite V3.x等最新燒錄工具(ju)軟件，具(ju)有燒錄速度快、良(liang)率高、操作簡單的(de)特(te)點，還支持數據(ju)統(tong)計、在(zai)(zai)線更新等增強功能(neng)，幫助客(ke)戶實現電機(ji)控制(zhi)器的(de)最終硬件配置(zhi)。
此外，CS32F103還支持第三方量產(chan)燒錄工具，用(yong)戶無需(xu)重復購買。芯海科技提(ti)供全面的產(chan)品SDK開(kai)發(fa)包，提(ti)供固(gu)件版(ban)本管(guan)理系統，方便用(yong)戶工程師可以安全分(fen)發(fa)固(gu)件，避免(mian)版(ban)本錯(cuo)誤，實(shi)現(xian)快速移植開(kai)發(fa)。
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CS32F103系列的型(xing)號(hao)列表