Jose Quinones，高級(jí)應(yīng)用工程師 — 可編程電源管理
在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)，電動(dòng)工具得到了顯著發(fā)展。如今，已實(shí)現(xiàn)無(wú)線化、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(dǎo)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(zhàn)。我們還將了解，微處理器和無(wú)刷直流電機(jī)在改變當(dāng)今使用的電動(dòng)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(dòng)工具中采用無(wú)刷直流電機(jī)將如何為制造商帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
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(yùn)行。
• 無(wú)繩或無(wú)線電動(dòng)工具 — 依賴于存儲(chǔ)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(gè)組件就是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的執(zhí)行器或電機(jī)。該電機(jī)可以是通用的 AC/DC 有刷電機(jī)、有刷直流電機(jī)或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。當(dāng)今的許多工具已經(jīng)開始使用三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
最后，需要使用開關(guān)來(lái)控制電源至電機(jī)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(jì)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(jī)。
電動(dòng)工具挑戰(zhàn)
在電動(dòng)工具發(fā)展的前 100 年，設(shè)計(jì)和制造電鉆、打磨機(jī)、螺紋磨床、螺絲刀、鼓風(fēng)機(jī)、電鋸等只需要一個(gè)電源、一個(gè)電機(jī)和一個(gè)開關(guān)/電位計(jì)。然而，在 20 世紀(jì)，高能量密度電池的出現(xiàn)改變了這一狀況。此外，市場(chǎng)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(jì)中。
挑戰(zhàn)在于如何繼續(xù)使用電位計(jì)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(xiàn)，這是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的解決辦法。另一方面，事實(shí)證明，電機(jī)是一個(gè)更加重大的復(fù)雜挑戰(zhàn)。
在電動(dòng)工具發(fā)展早期，所采用的電機(jī)要么是適用于有繩工具的通用型有刷交流/直流電機(jī)，要么是適用于無(wú)繩工具的有刷直流電機(jī)（圖 1）。因?yàn)檫@兩種電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在本質(zhì)上都是有刷電機(jī)，通過(guò)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(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)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(gè)不斷相互作用并產(chǎn)生所需運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)。
遺憾的是，這會(huì)導(dǎo)致電刷和換向器之間出現(xiàn)非常大的摩擦。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，巨大摩擦最終會(huì)使電機(jī)毀壞。這種摩擦是以熱量形式浪費(fèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)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(jī)。
使用 BLDC 電機(jī)技術(shù)應(yīng)對(duì)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(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中已經(jīng)突出顯示了這一點(diǎn)（圖 2）。BLDC 電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同樣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且無(wú)需使用電刷或機(jī)械換向器。相反，我們通過(guò)電子方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)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(jī)在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用正在加速……
圖 2：在三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，必須更換或去除電刷和換向器。
三相 BLDC 電機(jī)的效率最高可達(dá) 96%。這意味著我們的電池只會(huì)以熱量的形式浪費(fèi) 4% 的能量。
與所有設(shè)計(jì)一樣，采用 BLDC 電機(jī)也會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機(jī)可以解決磁場(chǎng)對(duì)齊的固有問(wèn)題，以獲得最高效的運(yùn)動(dòng)曲線。如果換向器序列的設(shè)計(jì)和位置能夠使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終與永磁體的磁場(chǎng)保持協(xié)調(diào)，就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，由于 BLDC 電機(jī)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(duì)齊兩個(gè)磁場(chǎng)。
圖 3：BLDC 電機(jī)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(duì)齊兩個(gè)磁場(chǎng)。
這個(gè)復(fù)雜的電路會(huì)提取轉(zhuǎn)子的位置信息，以電子方式對(duì)齊兩個(gè)磁場(chǎng)。對(duì)于三相 BLDC 電機(jī)，該模塊通常由微控制器和三相逆變器功率級(jí)組成，采用傳感器（如霍爾傳感器）來(lái)提取轉(zhuǎn)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(dǎo)致成本增加。然而，制造商也看到了擺脫束縛的好處，消費(fèi)者也需要這些類型的電機(jī)解決方案。因此，越來(lái)越多的電動(dòng)工具開始使用三相 BLDC 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
復(fù)雜的電動(dòng)工具
現(xiàn)代電動(dòng)工具仍然包括電源、電機(jī)執(zhí)行器和控制能量流的組件，如電位計(jì)。然而，為了提供所有的能量?jī)?chǔ)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(dòng)。我們也可以監(jiān)控電位計(jì)的值，控制電機(jī)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(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這一操作中的能量消耗可以忽略不計(jì)。
然而，微處理器最重要的方面就是提供一個(gè)高效的機(jī)制來(lái)適當(dāng)?shù)貫槿?BLDC 電機(jī)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�(jí)可提供產(chǎn)生正確對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的所有工具，從而轉(zhuǎn)換成最優(yōu)運(yùn)動(dòng)曲線。
PAC5527 包含一個(gè) 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(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(qū)動(dòng)級(jí)。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(diào)捕獲多個(gè)模擬參數(shù)。它包含保護(hù)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(xiǎn)條件，同時(shí)使用戶遠(yuǎn)離火災(zāi)等傷害。提供多個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO)，用于監(jiān)控不同信號(hào)。我們甚至還可以通過(guò)用于提取轉(zhuǎn)子位置的電路產(chǎn)生完全對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而這構(gòu)成了單個(gè) PAC5527 設(shè)備中的工具庫(kù)的一部分。
PAC5527 可產(chǎn)生一種最小的三相逆變電源驅(qū)動(dòng)器。因此，圍繞該解決方案旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)工具可采用符合人體工程學(xué)的高效設(shè)計(jì)，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(yīng)用的成本結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。
電動(dòng)工具的下一波發(fā)展
BLDC 電機(jī)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(jī)將變得更加簡(jiǎn)單易用、更加有效、更加可靠。電控 BLDC 電機(jī)的出現(xiàn)，讓工具變得更加強(qiáng)大、高效、小巧、輕量化。Qorvo 將持續(xù)堅(jiān)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(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展。
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