你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

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

發(fā)布時(shí)間:2021-11-15 來源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在過去的一個(gè)世紀(jì)中,電動(dòng)工具有了長(zhǎng)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(dòng)且功能強(qiáng)大,分擔(dān)了我們的大量工作。那么,是什么推動(dòng)著電動(dòng)工具的發(fā)展?除了電動(dòng)工具愛好者外,很大程度上要?dú)w功于半導(dǎo)體技術(shù)的諸多進(jìn)步——尤其對(duì)于無繩電動(dòng)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(dòng)工具中發(fā)揮了重要作用。此外,文章還探討了電動(dòng)工具中無刷直流電機(jī)的引入,及為制造商帶來怎樣的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 


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: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(chǔ)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(gè)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(gè)開關(guān)來控制電源到電機(jī)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(fù)雜一點(diǎn)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(jì)等。


電動(dòng)工具的挑戰(zhàn)


在電動(dòng)工具發(fā)展的前100年,設(shè)計(jì)和制造鉆頭、打磨機(jī)、磨床、螺絲刀、吹風(fēng)機(jī)、鋸等工具時(shí),僅需一部電源、一臺(tái)電機(jī)和一個(gè)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(jì)形式中的趨勢(shì)。


我們所面臨的挑戰(zhàn)是如何繼續(xù)使用電位計(jì)來控制工具的運(yùn)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(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的修復(fù)性舉措。另一方面,事實(shí)證明電機(jī)是一個(gè)更具實(shí)質(zhì)性且復(fù)雜的挑戰(zhàn)。


在電動(dòng)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(chǎng)來獲得運(yùn)動(dòng)。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(gè)磁場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)我們所需要的運(yùn)動(dòng)。


1634559903342707.png


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(dāng)劇烈,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用,電機(jī)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(fèi)。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(jì),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(shí),耗費(fèi)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(duì)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(yùn)動(dòng);與之相對(duì),我們以電子方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通過電子電路,我們可以創(chuàng)建兩個(gè)相互作用的磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)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。


1634559886422723.png


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(huì)以熱量的形式浪費(fèi)1/20的電量。


如同所有設(shè)計(jì)一樣,在采用BLDC電機(jī)時(shí)也存在一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機(jī)解決了使兩個(gè)磁場(chǎng)對(duì)齊以獲得最有效運(yùn)動(dòng)曲線的固有問題。當(dāng)換向器序列的設(shè)計(jì)和放置方式使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終與永磁體的磁場(chǎng)保持一致時(shí),便能實(shí)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(dòng)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(duì)齊兩個(gè)磁場(chǎng)。


1634559870568066.png


此類復(fù)雜的電路可提取轉(zhuǎn)子的位置,以電子方式對(duì)齊兩個(gè)磁場(chǎng)。對(duì)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(jí)組成,功率級(jí)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(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的益處,而消費(fèi)者也正對(duì)這類電機(jī)解決方案產(chǎn)生需求。因此,越來越多的電動(dòng)工具設(shè)計(jì)基于三相BLDC電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


復(fù)雜的電動(dòng)工具


現(xiàn)代電動(dòng)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(jì))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(dòng)。我們還可以監(jiān)測(cè)電位計(jì)的值并控制電動(dòng)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),且該過程中的能量消耗可以忽略不計(jì)。


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(jí)提供了所有工具,可以成功生成正確對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),并轉(zhuǎn)化為最佳的運(yùn)動(dòng)曲線。


15.png


以下是實(shí)現(xiàn)大多數(shù)現(xiàn)代電動(dòng)工具所需的項(xiàng)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(gè)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)開關(guān)(場(chǎng)效應(yīng)晶體管——FET)電路,用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);

3. 一個(gè)提取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電路,以便我們能夠正確地對(duì)齊旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);

4. 一個(gè)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;

5. 保護(hù)電路,以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行,而不會(huì)危及用戶或工具;

6. 監(jiān)控不同信號(hào)的電路,如定義電機(jī)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(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(gè)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(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(jī)功能的所有優(yōu)勢(shì)。類似PAC5527的器件采用占板極小的單一封裝,集成了驅(qū)動(dòng)大多數(shù)電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具所需的電路。


1634559850152459.png


PAC5527包含一個(gè)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(dòng)一個(gè)非常強(qiáng)大三相逆變器(超過1 KW)所需的三個(gè)大電流預(yù)驅(qū)動(dòng)級(jí);其ADC具有可編程的定序器,來協(xié)調(diào)捕獲多個(gè)模擬參數(shù)而不會(huì)影響中央處理器(CPU)的實(shí)時(shí)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(xiǎn)狀況,同時(shí)使用戶遠(yuǎn)離火災(zāi)等傷害。產(chǎn)品還提供了多個(gè)通用輸入/輸出(GPIO)來監(jiān)測(cè)不同的信號(hào);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(duì)齊的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),由此構(gòu)成了封裝在單個(gè)PAC5527器件中工具庫(kù)的一部分。


PAC5527打造了最小的三相逆變器電源驅(qū)動(dòng)器之一?;谌绱诵∏傻慕鉀Q方案,可以根據(jù)人體工程學(xué)原理進(jìn)行電動(dòng)工具的設(shè)計(jì),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(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(shí)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(dòng)三相BLDC電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更進(jìn)一步。


來源:Qorvo



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:


USB Type-C接口EMC設(shè)計(jì)及過壓防護(hù)方案

高壓阻抗調(diào)諧快速指南

智能資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽:包裹追蹤的未來

抑制開關(guān)穩(wěn)壓器EMI:不用濾波電路,還有什么好方法?

UWB技術(shù)的工作原理探討

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉