微處理器與無刷直流電機(jī)如何改變我們今天所使用的電動(dòng)工具

在過去的一個(gè)世紀(jì)中，電動(dòng)工具有了長足進(jìn)步。今天，它們更具備了無繩、輕巧的特性，由電池驅(qū)動(dòng)且功能強(qiáng)大，分擔(dān)了我們的大量工作。那么，是什么推動(dòng)著電動(dòng)工具的發(fā)展？除了電動(dòng)工具愛好者外，很大程度上要?dú)w功于半導(dǎo)體技術(shù)的諸多進(jìn)步——尤其對于無繩電動(dòng)工具。

本篇博客涵蓋了無繩、電池供電型產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，包括促進(jìn)其不斷演進(jìn)的因素及發(fā)展路途中的眾多挑戰(zhàn)；介紹了微處理器與無刷直流電機(jī)如何在改變我們今天所使用的電動(dòng)工具中發(fā)揮了重要作用。此外，文章還探討了電動(dòng)工具中無刷直流電機(jī)的引入，及為制造商帶來怎樣的競爭優(yōu)勢。

電動(dòng)工具主要組件

電動(dòng)工具的第一個(gè)組件是電源。所有電動(dòng)工具都可以分為兩大類：有繩和無繩。

有繩工具——電源為交流電，需要插入“墻壁”上的插座才能進(jìn)行操作。

無繩工具——依靠存儲在不同化學(xué)物質(zhì)電池中的電能，例如鎳鎘（NiCd）、鎳金屬氫化物（NiMH）和鋰離子（Li-Ion）。

鋰離子電池由于其能量密度的增強(qiáng)以及保持電荷的彈性，而成為性能最為突出的電池類型。

第二個(gè)部件為執(zhí)行器，或者是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電機(jī)。這種電機(jī)可以是通用的 AC/DC 有刷電機(jī)、直流有刷電機(jī)或無刷直流（BLDC）電機(jī)。當(dāng)今的許多工具已經(jīng)轉(zhuǎn)向三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

最后，采用一個(gè)開關(guān)來控制電源到電機(jī)的能量傳輸。這個(gè)組件可以是簡單的中斷器，控制是否有電流流動(dòng)；或者稍微復(fù)雜一點(diǎn)的器件，如允許用戶指定多少能量從電源流向電機(jī)的電位計(jì)等。

電動(dòng)工具的挑戰(zhàn)

在電動(dòng)工具發(fā)展的前 100 年，設(shè)計(jì)和制造鉆頭、打磨機(jī)、磨床、螺絲刀、吹風(fēng)機(jī)、鋸等工具時(shí)，僅需一部電源、一臺電機(jī)和一個(gè)開關(guān)/電位器。然而，在 20 世紀(jì)，高能量密度電池的出現(xiàn)改變了這一情況。此外，我們還看到了綠色能源解決方案的出現(xiàn)，以及將其融入所有設(shè)計(jì)形式中的趨勢。

我們所面臨的挑戰(zhàn)是如何繼續(xù)使用電位計(jì)來控制工具的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，而不必讓高電流通過其電阻組件。正如我們稍后將看到的，這是一個(gè)相當(dāng)簡單的修復(fù)性舉措。另一方面，事實(shí)證明電機(jī)是一個(gè)更具實(shí)質(zhì)性且復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

在電動(dòng)工具發(fā)展初期，所采用的電機(jī)要么是用于有繩工具的有刷通用 AC/DC 電機(jī)，要么是用于無繩工具的有刷直流電機(jī)，如下圖所示。由于這兩種電機(jī)本質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為有刷電機(jī)，因此均通過碳刷將電流傳遞到銅質(zhì)換向器，隨后產(chǎn)生內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場來獲得運(yùn)動(dòng)。將電磁鐵繞組與換向器一起放置于轉(zhuǎn)子，永磁體放置在定子上，可以得到不斷相互作用的兩個(gè)磁場，從而實(shí)現(xiàn)我們所需要的運(yùn)動(dòng)。

不幸的是，這以電刷和換向器間的大量摩擦為代價(jià)。摩擦力相當(dāng)劇烈，經(jīng)過長時(shí)間的使用，電機(jī)會(huì)自行損壞；摩擦所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被浪費(fèi)。這部分能量的源頭來自電源，卻并沒有產(chǎn)生任何有用功。據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍繞這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)效率低于 80%（在最佳情況下）；這意味著電池內(nèi)部 20% 的能量被用來產(chǎn)生熱量。

當(dāng)您嘗試用電池供電的電鉆打孔時(shí)，耗費(fèi) 1/5 的電能來產(chǎn)生熱量，聽起來并不很吸引人。

采用 BLDC 電機(jī)拓?fù)鋺?yīng)對挑戰(zhàn)

鑒于以上所討論的各種挑戰(zhàn)，很明顯，更換或拆卸電刷和換向器至關(guān)重要。如下圖所示，這在三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中更為突出。BLDC 電機(jī)無需使用電刷或機(jī)械換向器就能為我們提供完全相同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；與之相對，我們以電子方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。通過電子電路，我們可以創(chuàng)建兩個(gè)相互作用的磁場以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是消除了轉(zhuǎn)子和定子組件間的摩擦，從而增加了可靠性與能效。

三相無刷直流電機(jī)的效率可高達(dá) 96%。這意味著我們的電池只會(huì)以熱量的形式浪費(fèi) 1/20 的電量。

如同所有設(shè)計(jì)一樣，在采用 BLDC 電機(jī)時(shí)也存在一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機(jī)解決了使兩個(gè)磁場對齊以獲得最有效運(yùn)動(dòng)曲線的固有問題。當(dāng)換向器序列的設(shè)計(jì)和放置方式使旋轉(zhuǎn)磁場始終與永磁體的磁場保持一致時(shí)，便能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然而，由于 BLDC 電機(jī)不存在物理換向器，這一動(dòng)作則通過換向邏輯順序來完成。為達(dá)到前文提到的效率，我們必須使用如下圖所示的控制電路，盡可能完美地對齊兩個(gè)磁場。

此類復(fù)雜的電路可提取轉(zhuǎn)子的位置，以電子方式對齊兩個(gè)磁場。對于三相 BLDC 電機(jī)，此模塊通常由微控制器和三相逆變器功率級組成，功率級采用霍爾傳感器等傳感器器件獲取轉(zhuǎn)子位置信息。添加此電路確實(shí)會(huì)占用一些空間并增加一定成本。但是，制造商注意到了擺脫束縛所帶來的益處，而消費(fèi)者也正對這類電機(jī)解決方案產(chǎn)生需求。因此，越來越多的電動(dòng)工具設(shè)計(jì)基于三相 BLDC 電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

復(fù)雜的電動(dòng)工具

現(xiàn)代電動(dòng)工具仍由電源、電機(jī)執(zhí)行器和控制能量流的裝置（如電位計(jì)）組成。然而，為了提供所有的能量保存功能，我們需要為其添加智能技術(shù)。

這一智能由微處理器提供。有了微處理器，我們現(xiàn)在可以監(jiān)控電源并提供所需的驅(qū)動(dòng)。我們還可以監(jiān)測電位計(jì)的值并控制電動(dòng)機(jī)的速度，而無需使電流流過其電阻元件。我們通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，且該過程中的能量消耗可以忽略不計(jì)。

無論怎樣，微處理器最重要的作用在于構(gòu)建一種有效機(jī)制，適當(dāng)?shù)貫槿?BLDC 電機(jī)供電，以改進(jìn)電池供電工具所需的效率?；谖⒖刂破鞯墓β始壧峁┝怂泄ぞ?，可以成功生成正確對齊的旋轉(zhuǎn)磁場，并轉(zhuǎn)化為最佳的運(yùn)動(dòng)曲線。

以下是實(shí)現(xiàn)大多數(shù)現(xiàn)代電動(dòng)工具所需的項(xiàng)目列表：

一顆微處理器，為從電源到執(zhí)行器這一能量轉(zhuǎn)移過程提供智能；

一個(gè)驅(qū)動(dòng)功率級開關(guān)（場效應(yīng)晶體管—— FET）電路，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；

一個(gè)提取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電路，以便我們能夠正確地對齊旋轉(zhuǎn)磁場；

一個(gè) ADC，用于監(jiān)控電池電壓與電流、電機(jī)電流、電位器狀態(tài)，和系統(tǒng)溫度；

保護(hù)電路，以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，而不會(huì)危及用戶或工具；

監(jiān)控不同信號的電路，如定義電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的開關(guān)；

不同的電壓調(diào)節(jié)器為上述電路供電；

從開關(guān)和電機(jī)到上面的清單，很明顯我們的電路規(guī)模已經(jīng)大大增加。然而，新技術(shù)讓我們可以將所有這些都裝入一個(gè)小尺寸外形的方案中，這也是電機(jī)制造商青睞 BLDC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

PAC5xxx 系列器件：單一封裝、小尺寸解決方案

Qorvo 的解決方案為PAC5xxx 系列器件，該解決方案可在占用最小空間的情況下獲得電機(jī)功能的所有優(yōu)勢。類似PAC5527的器件采用占板極小的單一封裝，集成了驅(qū)動(dòng)大多數(shù)電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具所需的電路。

PAC5527 包含一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器獲取電池電壓并將其降至不同電壓軌，為系統(tǒng)的不同模塊供電。該器件包括驅(qū)動(dòng)一個(gè)非常強(qiáng)大三相逆變器（超過 1 KW）所需的三個(gè)大電流預(yù)驅(qū)動(dòng)級；其 ADC 具有可編程的定序器，來協(xié)調(diào)捕獲多個(gè)模擬參數(shù)而不會(huì)影響中央處理器（CPU）的實(shí)時(shí)性。它還包含保護(hù)塊，以確保系統(tǒng)電流保持在一定范圍內(nèi)，防止可能導(dǎo)致工具損壞的危險(xiǎn)狀況，同時(shí)使用戶遠(yuǎn)離火災(zāi)等傷害。產(chǎn)品還提供了多個(gè)通用輸入/輸出（GPIO）來監(jiān)測不同的信號；用于提取轉(zhuǎn)子位置信息的電路使我們能夠產(chǎn)生完全對齊的旋轉(zhuǎn)磁場，由此構(gòu)成了封裝在單個(gè) PAC5527 器件中工具庫的一部分。

PAC5527 打造了最小的三相逆變器電源驅(qū)動(dòng)器之一。基于如此小巧的解決方案，可以根據(jù)人體工程學(xué)原理進(jìn)行電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高能效。此外，由于其占板面積小且集成度高，整個(gè)應(yīng)用的成本結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。

PAC5xxx 系列器件

https://www.qorvo.com/products/power-management/intelligent-motor-controllers

PAC5527

https://www.qorvo.com/products/p/PAC5527

電動(dòng)工具的下一波浪潮

BLDC 電機(jī)的制造和應(yīng)用正加速發(fā)展，跟隨技術(shù)的不斷演進(jìn)，這些電機(jī)將變得更加人性化、高效和可靠。由于電控 BLDC 電機(jī)的出現(xiàn)，工具變得更強(qiáng)大、更高效、尺寸更小、重量更輕。隨著時(shí)間的推移，Qorvo 將持續(xù)推出類似 PAC5xxx 系列器件的創(chuàng)新產(chǎn)品，推動(dòng)三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更進(jìn)一步。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：談?wù)劅o刷直流電機(jī)

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