Jose Quinones，高級應(yīng)用工程師 — 可編程電源管理
在過去一個世紀，電動工具得到了顯著發(fā)展。如今，已實現(xiàn)無線化、輕量化和電池供電，為我們的生活帶來了諸多便利。那么，推動電動工具發(fā)展的因素有哪些？除了電動工具發(fā)燒友，電動工具的發(fā)展（特別是無繩電動工具）在很大程度上可以歸功于半導(dǎo)體技術(shù)的進步。
接下來，我們將介紹由電池供電的無繩電動工具的關(guān)鍵方面，包括此類電動工具發(fā)展的推動因素及其發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)。我們還將了解，微處理器和無刷直流電機在改變當(dāng)今使用的電動工具中發(fā)揮著怎樣的關(guān)鍵作用。此外，我們還將概述，在電動工具中采用無刷直流電機將如何為制造商帶來競爭優(yōu)勢。
電動工具的主要組件
電動工具的第一個組件就是電源。所有電動工具都可以分為有繩和無繩。
• 有繩電動工具 — 電源為 AC，且需要插入電源才能運行。
• 無繩或無線電動工具 — 依賴于存儲在電池中的電能，這些電池包含不同的化學(xué)成分，如鎳鎘 (NiCd)、鎳氫 (NiMH) 和鋰離子 (Li-Ion)。
鋰離子電池因具有更高的能量密度和保持電荷的適應(yīng)力，成為了最主要的電池。
第二個組件就是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的執(zhí)行器或電機。該電機可以是通用的 AC/DC 有刷電機、有刷直流電機或無刷直流 (BLDC) 電機。當(dāng)今的許多工具已經(jīng)開始使用三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)。
最后，需要使用開關(guān)來控制電源至電機的能量傳遞。該組件可以是簡單的斷流器，控制是否有電流流動。也可以是電位計等稍微復(fù)雜的組件，可供用戶指定有多少能量從電源流至電機。
電動工具挑戰(zhàn)
在電動工具發(fā)展的前 100 年，設(shè)計和制造電鉆、打磨機、螺紋磨床、螺絲刀、鼓風(fēng)機、電鋸等只需要一個電源、一個電機和一個開關(guān)/電位計。然而，在 20 世紀，高能量密度電池的出現(xiàn)改變了這一狀況。此外，市場上還出現(xiàn)了綠色能源解決方案，且這些解決方案被集成到各種形式的設(shè)計中。
挑戰(zhàn)在于如何繼續(xù)使用電位計控制工具的速度，而不讓高電流通過其電阻元件。稍后我們將發(fā)現(xiàn)，這是一個相對簡單的解決辦法。另一方面，事實證明，電機是一個更加重大的復(fù)雜挑戰(zhàn)。
在電動工具發(fā)展早期，所采用的電機要么是適用于有繩工具的通用型有刷交流/直流電機，要么是適用于無繩工具的有刷直流電機（圖 1）。因為這兩種電機拓撲結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上都是有刷電機，通過使用碳刷將電流傳遞至銅換向器，從而產(chǎn)生內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場來實現(xiàn)電機運動。通過將電磁鐵繞組和換向器一起置于轉(zhuǎn)子中，將永磁體置于定子中，我們就可以獲得兩個不斷相互作用并產(chǎn)生所需運動的磁場。
遺憾的是，這會導(dǎo)致電刷和換向器之間出現(xiàn)非常大的摩擦。經(jīng)過長期使用，巨大摩擦最終會使電機毀壞。這種摩擦是以熱量形式浪費的能量。這是從電源中流出的能量，不會產(chǎn)生任何有用功。圍繞這種拓撲結(jié)構(gòu)運行的系統(tǒng)效率不高于 80%（在最佳情況下）。這意味著，電池內(nèi)部 20% 的能量被用于產(chǎn)生熱量。
如果用電池供電型電鉆打孔，則五分之一的電源將用于產(chǎn)生熱量，這似乎不太高效。
圖 1：有刷直流電機。
使用 BLDC 電機技術(shù)應(yīng)對挑戰(zhàn)
鑒于上文所述的挑戰(zhàn)，顯然，更換或去除電刷和換向器必不可少。三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)中已經(jīng)突出顯示了這一點（圖 2）。BLDC 電機可以實現(xiàn)同樣的旋轉(zhuǎn)運動，且無需使用電刷或機械換向器。相反，我們通過電子方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。利用電子電路，我們可以形成兩個相互作用的磁場來產(chǎn)生電機運動。其優(yōu)點是轉(zhuǎn)子和定子組件之間沒有摩擦，從而提高了可靠性和能效。
BLDC 電機在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用正在加速……
圖 2：在三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)中，必須更換或去除電刷和換向器。
三相 BLDC 電機的效率最高可達 96%。這意味著我們的電池只會以熱量的形式浪費 4% 的能量。
與所有設(shè)計一樣，采用 BLDC 電機也會面臨一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機可以解決磁場對齊的固有問題，以獲得最高效的運動曲線。如果換向器序列的設(shè)計和位置能夠使旋轉(zhuǎn)磁場始終與永磁體的磁場保持協(xié)調(diào)，就可以實現(xiàn)這一點。然而，由于 BLDC 電機沒有物理換向器，所以這一動作是使用換向邏輯時序來完成的。為了獲得我們所說的效率，必須使用控制電路（如圖 3 所示）盡可能完美地對齊兩個磁場。
圖 3：BLDC 電機沒有物理換向器，必須使用換向邏輯時序。
為提高效率，必須使用控制電路盡可能完美地對齊兩個磁場。
這個復(fù)雜的電路會提取轉(zhuǎn)子的位置信息，以電子方式對齊兩個磁場。對于三相 BLDC 電機，該模塊通常由微控制器和三相逆變器功率級組成，采用傳感器（如霍爾傳感器）來提取轉(zhuǎn)子的位置信息。增加這種電路確實會占用一些空間，并導(dǎo)致成本增加。然而，制造商也看到了擺脫束縛的好處，消費者也需要這些類型的電機解決方案。因此，越來越多的電動工具開始使用三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
復(fù)雜的電動工具
現(xiàn)代電動工具仍然包括電源、電機執(zhí)行器和控制能量流的組件，如電位計。然而，為了提供所有的能量儲備，我們需要添加智能。
微處理器就可以提供這種智能。如今，有了微處理器，我們可以監(jiān)控電源并提供所需的驅(qū)動。我們也可以監(jiān)控電位計的值，控制電機的速度，同時不必使電流通過其電阻元件。我們通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來實現(xiàn)這一點。這一操作中的能量消耗可以忽略不計。
然而，微處理器最重要的方面就是提供一個高效的機制來適當(dāng)?shù)貫槿?BLDC 電機通電，以獲得電池供電工具所需的效率改進。基于微控制器的功率級可提供產(chǎn)生正確對齊的旋轉(zhuǎn)磁場所需的所有工具，從而轉(zhuǎn)換成最優(yōu)運動曲線。
PAC5527 包含一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以吸收電池電壓，并將其降低到為系統(tǒng)不同模塊供電所需的不同電軌。其中還包括驅(qū)動超高功率三相逆變器（超過 1kW）所需的三個高電流前置驅(qū)動級。帶可編程定序器的 ADC 支持在不影響中央處理器 (CPU) 的實時性情況下，協(xié)調(diào)捕獲多個模擬參數(shù)。它包含保護模塊，用于確保系統(tǒng)電流保持在一定范圍內(nèi)，防范可能導(dǎo)致工具損壞的危險條件，同時使用戶遠離火災(zāi)等傷害。提供多個通用輸入/輸出 (GPIO)，用于監(jiān)控不同信號。我們甚至還可以通過用于提取轉(zhuǎn)子位置的電路產(chǎn)生完全對齊的旋轉(zhuǎn)磁場，而這構(gòu)成了單個 PAC5527 設(shè)備中的工具庫的一部分。
PAC5527 可產(chǎn)生一種最小的三相逆變電源驅(qū)動器。因此，圍繞該解決方案旋轉(zhuǎn)的電動工具可采用符合人體工程學(xué)的高效設(shè)計，同時提高電動工具的能效。此外，由于其尺寸小巧、集成度高，整個應(yīng)用的成本結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。
電動工具的下一波發(fā)展
BLDC 電機在制造領(lǐng)域的應(yīng)用正在加速，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些電機將變得更加簡單易用、更加有效、更加可靠。電控 BLDC 電機的出現(xiàn)，讓工具變得更加強大、高效、小巧、輕量化。Qorvo 將持續(xù)堅持推出創(chuàng)新產(chǎn)品，如 PAC5xxx 系列零部件，以進一步推進三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
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