【導讀】在過(guò)去的一個(gè)世紀中，電動(dòng)工具有了長(cháng)足進(jìn)步。今天，它們更具備了無(wú)繩、輕巧的特性，由電池驅動(dòng)且功能強大，分擔了我們的大量工作。那么，是什么推動(dòng)著(zhù)電動(dòng)工具的發(fā)展？除了電動(dòng)工具愛(ài)好者外，很大程度上要歸功于半導體技術(shù)的諸多進(jìn)步——尤其對于無(wú)繩電動(dòng)工具。
本篇博客涵蓋了無(wú)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；介紹了微處理器與無(wú)刷直流電機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(wú)刷直流電機的引入，及為制造商帶來(lái)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(lèi)：有繩和無(wú)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(wú)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以及保持電荷的彈性，而成為性能最為突出的電池類(lèi)型。
第二個(gè)部件為執行器，或者是將電能轉化為機械能的電機。這種電機可以是通用的AC/DC有刷電機、直流有刷電機或無(wú)刷直流（BLDC）電機。當今的許多工具已經(jīng)轉向三相BLDC電機拓撲結構。
最后，采用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源到電機的能量傳輸。這個(gè)組件可以是簡(jiǎn)單的中斷器，控制是否有電流流動(dòng)；或者稍微復雜一點(diǎn)的器件，如允許用戶(hù)指定多少能量從電源流向電機的電位計等。
電動(dòng)工具的挑戰
在電動(dòng)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(fēng)機、鋸等工具時(shí)，僅需一部電源、一臺電機和一個(gè)開(kāi)關(guān)/電位器。然而，在20世紀，高能量密度電池的出現改變了這一情況。此外，我們還看到了綠色能源解決方案的出現，以及將其融入所有設計形式中的趨勢。
我們所面臨的挑戰是如何繼續使用電位計來(lái)控制工具的運轉速度，而不必讓高電流通過(guò)其電阻組件。正如我們稍后將看到的，這是一個(gè)相當簡(jiǎn)單的修復性舉措。另一方面，事實(shí)證明電機是一個(gè)更具實(shí)質(zhì)性且復雜的挑戰。
在電動(dòng)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(wú)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)的拓撲結構均為有刷電機，因此均通過(guò)碳刷將電流傳遞到銅質(zhì)換向器，隨后產(chǎn)生內部旋轉磁場(chǎng)來(lái)獲得運動(dòng)。將電磁鐵繞組與換向器一起放置于轉子，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(chǎng)，從而實(shí)現我們所需要的運動(dòng)。
不幸的是，這以電刷和換向器間的大量摩擦為代價(jià)。摩擦力相當劇烈，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的使用，電機會(huì )自行損壞；摩擦所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被浪費。這部分能量的源頭來(lái)自電源，卻并沒(méi)有產(chǎn)生任何有用功。據統計，圍繞這種拓撲結構的系統效率低于80%（在最佳情況下）；這意味著(zhù)電池內部20%的能量被用來(lái)產(chǎn)生熱量。
當您嘗試用電池供電的電鉆打孔時(shí)，耗費1/5的電能來(lái)產(chǎn)生熱量，聽(tīng)起來(lái)并不很吸引人。
采用BLDC電機拓撲應對挑戰
鑒于以上所討論的各種挑戰，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電機拓撲結構中更為突出。BLDC電機無(wú)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運動(dòng)；與之相對，我們以電子方式產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。通過(guò)電子電路，我們可以創(chuàng )建兩個(gè)相互作用的磁場(chǎng)以驅動(dòng)電機運動(dòng)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是消除了轉子和定子組件間的摩擦，從而增加了可靠性與能效。
三相無(wú)刷直流電機的效率可高達96%。這意味著(zhù)我們的電池只會(huì )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(shí)也存在一些挑戰。有刷直流電機解決了使兩個(gè)磁場(chǎng)對齊以獲得最有效運動(dòng)曲線(xiàn)的固有問(wèn)題。當換向器序列的設計和放置方式使旋轉磁場(chǎng)始終與永磁體的磁場(chǎng)保持一致時(shí)，便能實(shí)現這一目標。然而，由于BLDC電機不存在物理?yè)Q向器，這一動(dòng)作則通過(guò)換向邏輯順序來(lái)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(gè)磁場(chǎng)。
此類(lèi)復雜的電路可提取轉子的位置，以電子方式對齊兩個(gè)磁場(chǎng)。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(lái)的益處，而消費者也正對這類(lèi)電機解決方案產(chǎn)生需求。因此，越來(lái)越多的電動(dòng)工具設計基于三相BLDC電機的拓撲結構。
復雜的電動(dòng)工具
現代電動(dòng)工具仍由電源、電機執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，我們現在可以監控電源并提供所需的驅動(dòng)。我們還可以監測電位計的值并控制電動(dòng)機的速度，而無(wú)需使電流流過(guò)其電阻元件。我們通過(guò)模數轉換器（ADC）來(lái)實(shí)現這一目標，且該過(guò)程中的能量消耗可以忽略不計。
無(wú)論怎樣，微處理器最重要的作用在于構建一種有效機制，適當地為三相BLDC電機供電，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磁場(chǎng)，并轉化為最佳的運動(dòng)曲線(xiàn)。
以下是實(shí)現大多數現代電動(dòng)工具所需的項目列表：
1. 一顆微處理器，為從電源到執行器這一能量轉移過(guò)程提供智能；
2. 一個(gè)驅動(dòng)功率級開(kāi)關(guān)（場(chǎng)效應晶體管——FET）電路，用于產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)；
3. 一個(gè)提取電機轉子位置的電路，以便我們能夠正確地對齊旋轉磁場(chǎng)；
4. 一個(gè)ADC，用于監控電池電壓與電流、電機電流、電位器狀態(tài)，和系統溫度；
5. 保護電路，以確保系統可靠運行，而不會(huì )危及用戶(hù)或工具；
6. 監控不同信號的電路，如定義電機旋轉方向的開(kāi)關(guān)；
7. 不同的電壓調節器為上述電路供電；
從開(kāi)關(guān)和電機到上面的清單，很明顯我們的電路規模已經(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，這也是電機制造商青睞BLDC拓撲結構的另一個(gè)關(guān)鍵因素。
PAC5xxx系列器件：?jiǎn)我环庋b、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(lèi)似PAC5527的器件采用占板極小的單一封裝，集成了驅動(dòng)大多數電池驅動(dòng)電動(dòng)工具所需的電路。
PAC5527包含一個(gè)DC/DC轉換器，該轉換器獲取電池電壓并將其降至不同電壓軌，為系統的不同模塊供電。該器件包括驅動(dòng)一個(gè)非常強大三相逆變器（超過(guò)1 KW）所需的三個(gè)大電流預驅動(dòng)級；其ADC具有可編程的定序器，來(lái)協(xié)調捕獲多個(gè)模擬參數而不會(huì )影響中央處理器（CPU）的實(shí)時(shí)性。它還包含保護塊，以確保系統電流保持在一定范圍內，防止可能導致工具損壞的危險狀況，同時(shí)使用戶(hù)遠離火災等傷害。產(chǎn)品還提供了多個(gè)通用輸入/輸出（GPIO）來(lái)監測不同的信號；用于提取轉子位置信息的電路使我們能夠產(chǎn)生完全對齊的旋轉磁場(chǎng)，由此構成了封裝在單個(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動(dòng)器之一?；谌绱诵∏傻慕鉀Q方案，可以根據人體工程學(xué)原理進(jìn)行電動(dòng)工具的設計，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)應用的成本結構也得到了優(yōu)化。
電動(dòng)工具的下一波浪潮
BLDC電機的制造和應用正加速發(fā)展，跟隨技術(shù)的不斷演進(jìn)，這些電機將變得更加人性化、高效和可靠。由于電控BLDC電機的出現，工具變得更強大、更高效、尺寸更小、重量更輕。隨著(zhù)時(shí)間的推移，Qorvo將持續推出類(lèi)似PAC5xxx系列器件的創(chuàng )新產(chǎn)品，推動(dòng)三相BLDC電機拓撲結構更進(jìn)一步。
來(lái)源：Qorvo
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