CN105347266B - 一种基于fpga的电动叉车货叉起升控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，控制器通过检测系统实时监测货叉起升控制信号，控制货叉升降的起升电机的温度，货叉所带负载的重量，货叉相对地面的高度以及货叉的升降速度；在FPGA内部建立随机存储器(RAM)，通过地址查找，将FPGA检测到的电机温度、货物重量、货叉高度及货叉升降速度实时保存到随机存储器中；所述控制器包括微处理器、电机驱动模块、DSP模、若干个传感器、AD转换器，以及显示模块等；本发明所提到的控制器成本低，响应速度快，集成度高，可以方便改进、升级以及增加新的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器技术领域，属于工程车辆电子技术领域。
背景技术
近年来，能源和环境问题已成为全球的关注热点，节能环保型车辆越来越受到人们的青睐。在物流搬运行业，由于电动叉车具有高性能、能量转化效率高、低噪音、无排放等优点，越来越多的电动叉车应用于仓库、食品、纺织等轻工业。目前在国外电动叉车的市场占有量超过50％，国内电动叉车市场占有量仅在15％左右，有广阔的市场前景。
现有电动叉车的举升控制装置主要通过电机，液压泵，油缸来控制叉车门架及货叉起降。但是在全电动叉车中，通常采用链条或电动滚珠丝杠来代替举升油缸和倾斜油缸，控制门架和货叉运动。由于永磁同步电机具有响应快，效率高，低速性能好，在电动叉车中控制链条或滚珠丝杠运动的电机通常选用永磁同步电机。电动叉车通常由80V的铅蓄电池供电，因此永磁同步电机工作在低电压大电流的环境中，非常容易产生转矩波动和电流波动，长时间工作会增加驾驶员的疲劳度。因此高性能的起升控制器需要保证电动叉车安全可靠的运行，同时能够提高叉车的工作效率以及驾驶舒适度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述需求设计一种高性能的电动叉车起升控制器，该控制器能够控制用于电动叉车起升的永磁同步电机，并且能够根据叉车的实际工作情况提供保护功能。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述控制器包括输入模块、以FPGA为核心的微控制器模块、电源模块、DSP模块、电源控制模块以及电机驱动模块。所述输入模块由检测控制货叉升降的踏板信号模块，电机温度检测模块，货叉带载重量、货叉高度、货叉起升速度检测模块组成，所述控制货叉升降的踏板选用电子式踏板，输出的电压信号通过8位串行A/D转换器TLC549与FPGA相连，所述电机温度传感器采用热敏电阻，通过8位串行A/D转换器TLC549与FPGA相连，所述货叉带载重量传感器采用XJC-Y04称重传感器，通过10位串行A/D转换器TLC1543与FPGA相连，所述货叉高度传感器采用超声波测距仪，通过10位串行A/D转换器TLC1543与FPGA相连，所述货叉起升速度传感器采用MPU6050，通过10位串行A/D转换器TLC1543与FPGA相连，所述FPGA微控制器为Altera公司Cyclone II系列EP2C5Q208C8型号的FPGA芯片，所述的电源模块为DC/DC转换器，可以将叉车上的80V的直流电源转换成适合FPGA以及DSP工作的5V电源以及适合叉车上灯具工作的12V电源，所述电源控制模块是由FPGA输出两路信号控制继电器开关，当电动叉车在出现故障时，继电器开关将打开，为控制器断电，起到保护作用。
本发明电动叉车起升电机由DSP28335产生的脉宽调制信号通过驱动电路进行控制，DSP中内嵌矢量控制方法。DSP的输入信号是由外部扩展接口读取FPGA中数字量的踏板信号值。
本发明的优点和积极效果是：
(1)数据传输速率高，数据处理速度快。FPGA具有模块并行运行的特点，各个数据采集模块能够同时运行，加快数据采集的速度。
(2)电机响应速度快，转矩波动小，电动叉车工作更加平稳。本发明所述的控制器含有DSP模块，DSP中设计了用于电机控制的矢量控制方法。利用DSP的高速数字信号处理特点及FPGA的高速信号采集模块，使起升电机的响应速度更快，更平稳，电动叉车的工作效率更高，同时提升了驾驶员的工作舒适度。
(3)丰富的I/O接口，便于功能扩展。FPGA具有丰富的IO端口，用户可以按照自己的需要定制IO端口功能，容易挂接不同的IO外设，以便扩展控制器的功能。
(4)安全性能高。本发明所述的控制器具有独立的安全控制模块，当控制器检测到电机的温度、电流或电压等出现异常，电源控制模块会迅速关闭电源，并触发叉车的紧急制动或货叉停止，防止货叉急速下落导致货物损坏甚至叉车翻车。
(5)成本低。根据电动叉车的实际工作情况，不同的输入信号需要使用不同精度的AD转换器，在满足电动叉车实际工作要求的情况下使得控制器的成本控制到最低。由于不同的AD转换器的工作频率、转换过程不同，在FPGA内部需要设计不同的AD转换控制模块，且不同的AD转换模块运行在对应AD转换的工作频率上，这充分发挥了FPGA的优势，利用一个FPGA微控制器即可控制多款AD转换器同时独立工作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的电动叉车控制器的整体结构框图；
图2是本发明电动叉车起升电机控制器工作的流程图；
图3是本发明速度选择模块的具体实施过程流程图；
图4是FPGA内部控制A/D转换器TLC549工作的控制模块。
图5是FPGA内部电源控制模块。
图6是FPGA内部控制A/D转换器TLC1543工作的控制模块。
图7是FPGA内部速度输出选择模块。
图8是FPGA内部控制显示器显示模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明电动叉车起升控制器中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，因此基于本发明的其它实施例以及本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述控制器包括输入模块、以FPGA为核心的微控制器模块、电源模块、电源控制模块以及电机驱动模块，所述FPGA微控制器为Altera公司Cyclone II系列EP2C5Q208C8型号的FPGA芯片，输入模块、FPGA为核心的微控制器模块、电机驱动模块以及显示模块的连接图如图1所示。
如图1所示，本发明所述控制器的输入模块包括以下几个部分，分别是：电流采样信号，电压采样信号，起升电机温度采样信号，牵引电机温度采样信号，负载重量采样信号，货叉相对地面高度采样信号，货叉起升速度采样信号，踏板输出电压采样信号。在FPGA内部根据不同的AD转换器的工作过程及工作时序设计对应的AD转换控制模块。本发明采用的传感器以及AD转换器的技术指标如下：
电流采样传感器：HNC-300LT霍尔电流传感器
AD转换器：MAXl224(12位串行AD转换器)
电压采样传感器：HS-V730U
AD转换器：MAXl224(12位串行AD转换器)
电机温度传感器：热敏电阻
AD转换器：TLC549(8位串行AD转换器)
负载重量传感器：XJC-Y04称重传感器
AD转换器：TLC1543(10位串行AD转换器)
高度传感器：超声波测距仪
AD转换器：TLC1543(10位串行AD转换器)
货叉升降速度传感器：MPU6050
AD转换器：TLC1543(10位串行AD转换器)
踏板输出电压AD转换器：TLC549(8位串行AD转换器)
如图1所示，FPGA为核心的微控制器内部主要包含以下几个部分，分别是不同AD转换器对应AD转换控制模块，显示控制模块，RAM，电源控制模块，DSP模块，速度输出选择模块。各模块的作用如下：
(1)AD转换控制模块：AD转换控制模块主要产生AD转换器正常工作所需的时序，并通过该模块接收AD转换后的结果；
(2)显示控制模块：显示控制模块主要用于产生显示屏显示所需的时钟电路，接收要显示的数据，并发送给显示屏显示；
(3)RAM模块：RAM模块主要用来存储AD转换器转换后的结果，需要使用这些结果的模块通过地址选择取出所需要的值；
(4)电源控制模块：电源控制模块主要起到保护的作用，具体实施方案为：电源控制模块对接收到的电流、电压采样模块的值进行判断，当产生电机堵转或短路时，电流将会超出规定的值，这时电源控制模块会迅速做出判断并输出相应的信号，打开继电器开关，关断电源，禁止控制脉冲信号输出，保护电机以及控制器。
(5)速度输出选择模块：速度输出选择模块主要是针对防止驾驶员误操作导致物料损坏而设计的。具体实施方案为：当驾驶员踩动踏板，使货叉升降时，速度输出选择模块会进行判断此时的门架状态，如果门架处于前倾或水平状态，驾驶员踩动踏板时不会控制货叉升降，速度输出选择模块输出信号为0；当门架处于向后倾斜时，驾驶员踩动踏板时，速度输出选择模块输出对应的速度值，并将其发送给DSP，DSP输出相应的脉宽调制信号，通过驱动模块控制电机转动。
图2是本发明电动叉车起升电机控制器工作的流程图；控制器上电后，检测控制器的状态，但检测到无异常，控制器检测是否有起升控制信号输入，同时控制器实时采集起升电机的温度、电流和电压信号并判断信号是否异常。全部信号正常情况下，FPGA接收驾驶员踩动踏板后产生的信号，FPGA通过速度输出选择模块判断电动叉车货叉及门架的状态决定是否输出给定的速度信号。速度选择模块的具体实施过程流程图如图3所示。速度选择模块的输出分成一下几种情况：
(1)当FPGA的速度输出选择模块检测货叉上没有带负载，并且货叉门架处于垂直状态或后倾状态，输出给定速度信号；
(2)当FPGA的速度输出选择模块检测货叉上没有带负载，并且货叉门架处于前倾状态，输出速度信号为0；
(3)当FPGA的速度输出选择模块检测货叉上带有负载，并且货叉门架处于后倾状态，则输出给定转速信号给DSP，通过DSP内部的矢量控制算法产生脉宽调制信号，并发送给驱动板驱动电机正或反转；
(4)当FPGA的速度输出选择模块检测货叉上带有负载，并且货叉门架处于垂直状态或前倾状态，输出速度信号为0。
图4、图5、图6、图7、图8是本发明电动叉车起升电机控制器中FPGA内部部分功能模块图，各模块均用Verilog HDL硬件描述语言构建而成，充分利用了FPGA的并行执行和抗干扰能力强的特点。整个FPGA内部采用模块化设计思想，功能划分清晰，具有很强的灵活性，同时为以后控制器的升级提供了便利条件。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，所述控制器包括输入模块、以FPGA为核心的微控制器及DSP处理模块、电源模块、电源控制模块以及电机驱动模块；其特征在于：所述输入模块包括但不限于检测控制货叉升降的踏板信号模块，电机温度检测模块，货叉带载重量、货叉高度、货叉起升速度检测模块，所述控制货叉升降的踏板选用电子式踏板，输出的电压信号，以串行方式输出到FPGA控制器，所述电机温度传感器采用热敏电阻，以8位串行方式输出到FPGA控制器，所述货叉带载重量传感器采用XJC-Y04称重传感器，以10位串行方式输出到FPGA控制器，所述货叉高度传感器采用超声波测距仪，以10位串行方式输出到FPGA控制器，所述货叉起升速度传感器采用MPU6050，以10位串行方式输出到FPGA控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述的电源模块为DC/DC转换器，可以将叉车上的80V的直流电源转换成适合FPGA工作的5V电源以及适合叉车上灯具工作的12V电源。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：利用FPGA输出的两路信号来控制继电器开关，当电动叉车在出现故障时，继电器开关将打开，为控制器断电，起到保护作用。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述FPGA控制器为Altera公司Cyclone II系列 EP2C5Q208C8型号的FPGA芯片，利用FPGA控制器自行定义设计电源控制模块、速度输出选择模块、RAM模块以及显示控制模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述电源控制模块主要起到保护的作用，具体实施方案为：电源控制模块对接收到的电流、电压采样模块的值进行判断，当产生电机异常时，电源控制模块会迅速做出判断并输出相应的信号，打开继电器开关，关断电源，禁止控制脉冲信号输出，保护电机以及控制器。
6.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述速度输出选择模块主要是针对防止驾驶员误操作导致物料损坏而设计的，具体实施方案为：当驾驶员踩动踏板，使货叉升降时，速度输出选择模块会进行判断此时的门架状态，如果门架处于前倾或水平状态，驾驶员踩动踏板时不会控制货叉升降，速度输出选择模块输出信号为0；当门架处于向后倾斜时，驾驶员踩动踏板时，速度输出选择模块输出对应的速度值。
7.根据权利要求4所述一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述RAM模块主要用来存储输入信号电平转换后的结果，同时通过地址选择取出所需要的值。
8.根据权利要求4所述一种基于FPGA的电动叉车货叉起升控制器，其特征在于：所述的显示控制模块主要用于提供显示屏系统时钟并产生需要的数据发送给显示屏显示。
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