電機控制在電動工具的應用

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”上的插座才能進行操作。
• 無繩工具——依靠存儲在不同化學物質(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)化為機械能的電機。這種電機可以是通用的 AC/DC 有刷電機、直流有刷電機或無刷直流（BLDC）電機。當今的許多工具已經(jīng)轉(zhuǎn)向三相 BLDC 電機拓撲結(jié)構(gòu)。

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

電動工具的挑戰(zhàn)

在電動工具發(fā)展的前 100 年，設計和制造鉆頭、打磨機、磨床、螺絲刀、吹風機、鋸等工具時，僅需一部電源、一臺電機和一個開關(guān)/電位器。然而，在 20 世紀，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，這是一個相當簡單的修復性舉措。另一方面，事實證明電機是一個更具實質(zhì)性且復雜的挑戰(zhàn)。

在電動工具發(fā)展初期，所采用的電機要么是用于有繩工具的有刷通用 AC/DC 電機，要么是用于無繩工具的有刷直流電機，如下圖所示。由于這兩種電機本質(zhì)的拓撲結(jié)構(gòu)均為有刷電機，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。摩擦力相當劇烈，經(jīng)過長時間的使用，電機會自行損壞；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，圍繞這種拓撲結(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 電機拓撲應對挑戰(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 電機拓撲結(jié)構(gòu)中更為突出。BLDC 電機無需使用電刷或機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。

三相無刷直流電機的效率可高達 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。

如同所有設計一樣，在采用 BLDC 電機時也存在一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機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。當換向器序列的設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。然而，由于 BLDC 電機不存在物理換向器，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，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解決方案產(chǎn)生需求。因此，越來越多的電動工具設計基于三相 BLDC 電機的拓撲結(jié)構(gòu)。

復雜的電動工具

現(xiàn)代電動工具仍由電源、電機執(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)。

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，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)建一種有效機制，適當?shù)貫槿?BLDC 電機供電，以改進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：

1. 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；
2. 一個驅(qū)動功率級開關(guān)（場效應晶體管—— FET）電路，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；
3. 一個提取電機轉(zhuǎn)子位置的電路，以便我們能夠正確地對齊旋轉(zhuǎn)磁場；
4. 一個 ADC，用于監(jiān)控電池電壓與電流、電機電流、電位器狀態(tài)，和系統(tǒng)溫度；
5. 保護電路，以確保系統(tǒng)可靠運行，而不會危及用戶或工具；
6. 監(jiān)控不同信號的電路，如定義電機旋轉(zhuǎn)方向的開關(guān)；
7. 不同的電壓調(diào)節(jié)器為上述電路供電；

從開關(guān)和電機到上面的清單，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，這也是電機制造商青睞 BLDC 拓撲結(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)動一個非常強大三相逆變器（超過 1 KW）所需的三個大電流預驅(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。它還包含保護塊，以確保系統(tǒng)電流保持在一定范圍內(nèi)，防止可能導致工具損壞的危險狀況，同時使用戶遠離火災等傷害。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?；谌绱诵∏傻慕鉀Q方案，可以根據(jù)人體工程學原理進行電動工具的設計，同時提高能效。此外，由于其占板面積小且集成度高，整個應用的成本結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。

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