電動工具設(shè)計101：增進(jìn)您對無刷直流電機(jī)功能的理解

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

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工具中發(fā)揮了重要作用。此外，文章還探討了電動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。

電動工具主要組件

電動工具的第一個組件是電源。所有電動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，采用一個開關(guān)來控制電源到電機(jī)的能量傳輸。這個組件可以是簡單的中斷器，控制是否有電流流動；或者稍微復(fù)雜一點的器件，如允許用戶指定多少能量從電源流向電機(jī)的電位計等。

電動工具的挑戰(zhàn)

在電動工具發(fā)展的前100年，設(shè)計和制造鉆頭、打磨機(jī)、磨床、螺絲刀、吹風(fēng)機(jī)、鋸等工具時，僅需一部電源、一臺電機(jī)和一個開關(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)使用電位計來控制工具的運轉(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，這是一個相當(dāng)簡單的修復(fù)性舉措。另一方面，事實證明電機(jī)是一個更具實質(zhì)性且復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

在電動工具發(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)磁場來獲得運動。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磁場，從而實現(xiàn)我們所需要的運動。

不幸的是，這以電刷和換向器間的大量摩擦為代價。摩擦力相當(dāng)劇烈，經(jīng)過長時間的使用，電機(jī)會自行損壞；摩擦所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被浪費。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，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，耗費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)運動；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)建兩個相互作用的磁場以驅(qū)動電機(jī)運動。這樣做的優(yōu)點是消除了轉(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以熱量的形式浪費1/20的電量。

如同所有設(shè)計一樣，在采用BLDC電機(jī)時也存在一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機(jī)解決了使兩個磁場對齊以獲得最有效運動曲線的固有問題。當(dāng)換向器序列的設(shè)計和放置方式使旋轉(zhuǎn)磁場始終與永磁體的磁場保持一致時，便能實現(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。添加此電路確實會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，越來越多的電動工具設(shè)計基于三相BLDC電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

復(fù)雜的電動工具

現(xiàn)代電動工具仍由電源、電機(jī)執(zhí)行器和控制能量流的裝置（如電位計）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。我們還可以監(jiān)測電位計的值并控制電動機(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）來實現(xiàn)這一目標(biāo)，且該過程中的能量消耗可以忽略不計。

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郆LDC電機(jī)供電，以改進(jìn)電池供電工具所需的效率。基于微控制器的功率級提供了所有工具，可以成功生成正確對齊的旋轉(zhuǎn)磁場，并轉(zhuǎn)化為最佳的運動曲線。

以下是實現(xiàn)大多數(shù)現(xiàn)代電動工具所需的項目列表：

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；

一個驅(qū)動功率級開關(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)可靠運行，而不會危及用戶或工具；

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)動大多數(shù)電池驅(qū)動電動工具所需的電路。

PAC5527包含一個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)動一個非常強(qiáng)大三相逆變器（超過1 KW）所需的三個大電流預(yù)驅(qū)動級；其ADC具有可編程的定序器，來協(xié)調(diào)捕獲多個模擬參數(shù)而不會影響中央處理器（CPU）的實時性。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)致工具損壞的危險狀況，同時使用戶遠(yuǎn)離火災(zāi)等傷害。產(chǎn)品還提供了多個通用輸入/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)行電動工具的設(shè)計，同時提高能效。此外，由于其占板面積小且集成度高，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，推動三相BLDC電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更進(jìn)一步。

審核編輯黃昊宇