Jose Quinones，高級應用工程師 — 可編程電源管理
在過(guò)去一個(gè)世紀，電動(dòng)工具得到了顯著(zhù)發(fā)展。如今，已實(shí)現無(wú)線(xiàn)化、輕量化和電池供電，為我們的生活帶來(lái)了諸多便利。那么，推動(dòng)電動(dòng)工具發(fā)展的因素有哪些？除了電動(dòng)工具發(fā)燒友，電動(dòng)工具的發(fā)展（特別是無(wú)繩電動(dòng)工具）在很大程度上可以歸功于半導體技術(shù)的進(jìn)步。
接下來(lái)，我們將介紹由電池供電的無(wú)繩電動(dòng)工具的關(guān)鍵方面，包括此類(lèi)電動(dòng)工具發(fā)展的推動(dòng)因素及其發(fā)展過(guò)程中所面臨的挑戰。我們還將了解，微處理器和無(wú)刷直流電機在改變當今使用的電動(dòng)工具中發(fā)揮著(zhù)怎樣的關(guān)鍵作用。此外，我們還將概述，在電動(dòng)工具中采用無(wú)刷直流電機將如何為制造商帶來(lái)競爭優(yōu)勢。
電動(dòng)工具的主要組件
電動(dòng)工具的第一個(gè)組件就是電源。所有電動(dòng)工具都可以分為有繩和無(wú)繩。
• 有繩電動(dòng)工具 — 電源為 AC，且需要插入電源才能運行。
• 無(wú)繩或無(wú)線(xiàn)電動(dòng)工具 — 依賴(lài)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力，成為了最主要的電池。
第二個(gè)組件就是將電能轉化為機械能的執行器或電機。該電機可以是通用的 AC/DC 有刷電機、有刷直流電機或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機。當今的許多工具已經(jīng)開(kāi)始使用三相 BLDC 電機拓撲結構。
最后，需要使用開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源至電機的能量傳遞。該組件可以是簡(jiǎn)單的斷流器，控制是否有電流流動(dòng)。也可以是電位計等稍微復雜的組件，可供用戶(hù)指定有多少能量從電源流至電機。
電動(dòng)工具挑戰
在電動(dòng)工具發(fā)展的前 100 年，設計和制造電鉆、打磨機、螺紋磨床、螺絲刀、鼓風(fēng)機、電鋸等只需要一個(gè)電源、一個(gè)電機和一個(gè)開(kāi)關(guān)/電位計。然而，在 20 世紀，高能量密度電池的出現改變了這一狀況。此外，市場(chǎng)上還出現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計中。
挑戰在于如何繼續使用電位計控制工具的速度，而不讓高電流通過(guò)其電阻元件。稍后我們將發(fā)現，這是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的解決辦法。另一方面，事實(shí)證明，電機是一個(gè)更加重大的復雜挑戰。
在電動(dòng)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(wú)繩工具的有刷直流電機（圖 1）。因為這兩種電機拓撲結構在本質(zhì)上都是有刷電機，通過(guò)使用碳刷將電流傳遞至銅換向器，從而產(chǎn)生內部旋轉磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現電機運動(dòng)。通過(guò)將電磁鐵繞組和換向器一起置于轉子中，將永磁體置于定子中，我們就可以獲得兩個(gè)不斷相互作用并產(chǎn)生所需運動(dòng)的磁場(chǎng)。
遺憾的是，這會(huì )導致電刷和換向器之間出現非常大的摩擦。經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用，巨大摩擦最終會(huì )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(huì )產(chǎn)生任何有用功。圍繞這種拓撲結構運行的系統效率不高于 80%（在最佳情況下）。這意味著(zhù)，電池內部 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)應對挑戰
鑒于上文所述的挑戰，顯然，更換或去除電刷和換向器必不可少。三相 BLDC 電機拓撲結構中已經(jīng)突出顯示了這一點(diǎn)（圖 2）。BLDC 電機可以實(shí)現同樣的旋轉運動(dòng)，且無(wú)需使用電刷或機械換向器。相反，我們通過(guò)電子方式產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。利用電子電路，我們可以形成兩個(gè)相互作用的磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電機運動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是轉子和定子組件之間沒(méi)有摩擦，從而提高了可靠性和能效。
BLDC 電機在制造領(lǐng)域中的應用正在加速……
圖 2：在三相 BLDC 電機拓撲結構中，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(zhù)我們的電池只會(huì )以熱量的形式浪費 4% 的能量。
與所有設計一樣，采用 BLDC 電機也會(huì )面臨一些挑戰。有刷直流電機可以解決磁場(chǎng)對齊的固有問(wèn)題，以獲得最高效的運動(dòng)曲線(xiàn)。如果換向器序列的設計和位置能夠使旋轉磁場(chǎng)始終與永磁體的磁場(chǎng)保持協(xié)調，就可以實(shí)現這一點(diǎn)。然而，由于 BLDC 電機沒(méi)有物理?yè)Q向器，所以這一動(dòng)作是使用換向邏輯時(shí)序來(lái)完成的。為了獲得我們所說(shuō)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(gè)磁場(chǎng)。
圖 3：BLDC 電機沒(méi)有物理?yè)Q向器，必須使用換向邏輯時(shí)序。
為提高效率，必須使用控制電路盡可能完美地對齊兩個(gè)磁場(chǎng)。
這個(gè)復雜的電路會(huì )提取轉子的位置信息，以電子方式對齊兩個(gè)磁場(chǎng)。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(lái)提取轉子的位置信息。增加這種電路確實(shí)會(huì )占用一些空間，并導致成本增加。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(lèi)型的電機解決方案。因此，越來(lái)越多的電動(dòng)工具開(kāi)始使用三相 BLDC 電機拓撲結構進(jìn)行設計。
復雜的電動(dòng)工具
現代電動(dòng)工具仍然包括電源、電機執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?jì)�，我們需要添加智能�?/span>
微處理器就可以提供這種智能。如今，有了微處理器，我們可以監控電源并提供所需的驅動(dòng)。我們也可以監控電位計的值，控制電機的速度，同時(shí)不必使電流通過(guò)其電阻元件。我們通過(guò)使用模數轉換器 (ADC) 來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。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(gè)高效的機制來(lái)適當地為三相 BLDC 電機通電，以獲得電池供電工具所需的效率改進(jìn)�；谖⒖刂破鞯墓β始壙商峁┊a(chǎn)生正確對齊的旋轉磁場(chǎng)所需的所有工具，從而轉換成最優(yōu)運動(dòng)曲線(xiàn)。
PAC5527 包含一個(gè) DC/DC 轉換器，可以吸收電池電壓，并將其降低到為系統不同模塊供電所需的不同電軌。其中還包括驅動(dòng)超高功率三相逆變器（超過(guò) 1kW）所需的三個(gè)高電流前置驅動(dòng)級。帶可編程定序器的 ADC 支持在不影響中央處理器 (CPU) 的實(shí)時(shí)性情況下，協(xié)調捕獲多個(gè)模擬參數。它包含保護模塊，用于確保系統電流保持在一定范圍內，防范可能導致工具損壞的危險條件，同時(shí)使用戶(hù)遠離火災等傷害。提供多個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO)，用于監控不同信號。我們甚至還可以通過(guò)用于提取轉子位置的電路產(chǎn)生完全對齊的旋轉磁場(chǎng)，而這構成了單個(gè) PAC5527 設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動(dòng)器。因此，圍繞該解決方案旋轉的電動(dòng)工具可采用符合人體工程學(xué)的高效設計，同時(shí)提高電動(dòng)工具的能效。此外，由于其尺寸小巧、集成度高，整個(gè)應用的成本結構也得到了優(yōu)化。
電動(dòng)工具的下一波發(fā)展
BLDC 電機在制造領(lǐng)域的應用正在加速，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些電機將變得更加簡(jiǎn)單易用、更加有效、更加可靠。電控 BLDC 電機的出現，讓工具變得更加強大、高效、小巧、輕量化。Qorvo 將持續堅持推出創(chuàng )新產(chǎn)品，如 PAC5xxx 系列零部件，以進(jìn)一步推進(jìn)三相 BLDC 電機拓撲結構的發(fā)展。
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