Jose Quinones，高級應用工程師 — 可編程電源管理
在過去一個世紀，電動工具得到了顯著發展。如今，已實現無線化、輕量化和電池供電，為我們的生活帶來了諸多便利。那么，推動電動工具發展的因素有哪些？除了電動工具發燒友，電動工具的發展（特別是無繩電動工具）在很大程度上可以歸功于半導體技術的進步。
接下來，我們將介紹由電池供電的無繩電動工具的關鍵方面，包括此類電動工具發展的推動因素及其發展過程中所面臨的挑戰。我們還將了解，微處理器和無刷直流電機在改變當今使用的電動工具中發揮著怎樣的關鍵作用。此外，我們還將概述，在電動工具中采用無刷直流電機將如何為制造商帶來競爭優勢。
電動工具的主要組件
電動工具的第一個組件就是電源。所有電動工具都可以分為有繩和無繩。
• 有繩電動工具 — 電源為 AC，且需要插入電源才能運行。
• 無繩或無線電動工具 — 依賴于存儲在電池中的電能，這些電池包含不同的化學成分，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、有刷直流電機或無刷直流 (BLDC) 電機。當今的許多工具已經開始使用三相 BLDC 電機拓撲結構。
最后，需要使用開關來控制電源至電機的能量傳遞。該組件可以是簡單的斷流器，控制是否有電流流動。也可以是電位計等稍微復雜的組件，可供用戶指定有多少能量從電源流至電機。
電動工具挑戰
在電動工具發展的前 100 年，設計和制造電鉆、打磨機、螺紋磨床、螺絲刀、鼓風機、電鋸等只需要一個電源、一個電機和一個開關/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，而不讓高電流通過其電阻元件。稍后我們將發現，這是一個相對簡單的解決辦法。另一方面，事實證明，電機是一個更加重大的復雜挑戰。
在電動工具發展早期，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上都是有刷電機，通過使用碳刷將電流傳遞至銅換向器，從而產生內部旋轉磁場來實現電機運動。通過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不斷相互作用并產生所需運動的磁場。
遺憾的是，這會導致電刷和換向器之間出現非常大的摩擦。經過長期使用，巨大摩擦最終會使電機毀壞。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，不會產生任何有用功。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，電池內部 20% 的能量被用于產生熱量。
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突出顯示了這一點（圖 2）。BLDC 電機可以實現同樣的旋轉運動，且無需使用電刷或機械換向器。相反，我們通過電子方式產生旋轉磁場。利用電子電路，我們可以形成兩個相互作用的磁場來產生電機運動。其優點是轉子和定子組件之間沒有摩擦，從而提高了可靠性和能效。
BLDC 電機在制造領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%。這意味著我們的電池只會以熱量的形式浪費 4% 的能量。
與所有設計一樣，采用 BLDC 電機也會面臨一些挑戰。有刷直流電機可以解決磁場對齊的固有問題，以獲得最高效的運動曲線。如果換向器序列的設計和位置能夠使旋轉磁場始終與永磁體的磁場保持協調，就可以實現這一點。然而，由于 BLDC 電機沒有物理換向器，所以這一動作是使用換向邏輯時序來完成的。為了獲得我們所說的效率，必須使用控制電路（如圖 3 所示）盡可能完美地對齊兩個磁場。
圖 3：BLDC 電機沒有物理換向器，必須使用換向邏輯時序。
為提高效率，必須使用控制電路盡可能完美地對齊兩個磁場。
這個復雜的電路會提取轉子的位置信息，以電子方式對齊兩個磁場。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）來提取轉子的位置信息。增加這種電路確實會占用一些空間，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型的電機解決方案。因此，越來越多的電動工具開始使用三相 BLDC 電機拓撲結構進行設計。
復雜的電動工具
現代電動工具仍然包括電源、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儲備，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，我們可以監控電源并提供所需的驅動。我們也可以監控電位計的值，控制電機的速度，同時不必使電流通過其電阻元件。我們通過使用模數轉換器 (ADC) 來實現這一點。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高效的機制來適當地為三相 BLDC 電機通電，以獲得電池供電工具所需的效率改進。基于微控制器的功率級可提供產生正確對齊的旋轉磁場所需的所有工具，從而轉換成最優運動曲線。
PAC5527 包含一個 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。其中還包括驅動超高功率三相逆變器（超過 1kW）所需的三個高電流前置驅動級。帶可編程定序器的 ADC 支持在不影響中央處理器 (CPU) 的實時性情況下，協調捕獲多個模擬參數。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，同時使用戶遠離火災等傷害。提供多個通用輸入/輸出 (GPIO)，用于監控不同信號。我們甚至還可以通過用于提取轉子位置的電路產生完全對齊的旋轉磁場，而這構成了單個 PAC5527 設備中的工具庫的一部分。
PAC5527 可產生一種最小的三相逆變電源驅動器。因此，圍繞該解決方案旋轉的電動工具可采用符合人體工程學的高效設計，同時提高電動工具的能效。此外，由于其尺寸小巧、集成度高，整個應用的成本結構也得到了優化。
電動工具的下一波發展
BLDC 電機在制造領域的應用正在加速，隨著技術的不斷發展，這些電機將變得更加簡單易用、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 將持續堅持推出創新產品，如 PAC5xxx 系列零部件，以進一步推進三相 BLDC 電機拓撲結構的發展。
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