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带你了解无刷直流电机

在过去一个世纪,电动工具得到了显著发展。如今,已实现无线化、轻量化和电池供电,为我们的生活带来了诸多便利。那么,推动电动工具发展的因素有哪些?除了电动工具发烧友,电动工具的发展(特别是无绳电动工具)在很大程度上可以归功于半导体技术的进步。

【导读】在过去一个世纪,电动工具得到了显著发展。如今,已实现无线化、轻量化和电池供电,为我们的生活带来了诸多便利。那么,推动电动工具发展的因素有哪些?除了电动工具发烧友,电动工具的发展(特别是无绳电动工具)在很大程度上可以归功于半导体技术的进步。


接下来,我们将介绍由电池供电的无绳电动工具的关键方面,包括此类电动工具发展的推动因素及其发展过程中所面临的挑战。我们还将了解,微处理器和无刷直流电机在改变当今使用的电动工具中发挥着怎样的关键作用。此外,我们还将概述,在电动工具中采用无刷直流电机将如何为制造商带来竞争优势。


电动工具的主要组件


● 电动工具的第一个组件就是电源。所有电动工具都可以分为有绳和无绳。


● 有绳电动工具 — 电源为 AC,且需要插入电源才能运行。


无绳或无线电动工具 — 依赖于存储在电池中的电能,这些电池包含不同的化学成分,如镍镉 (NiCd)、镍氢 (NiMH) 和锂离子 (Li-Ion)。


锂离子电池因具有更高的能量密度和保持电荷的适应力,成为了最主要的电池。


第二个组件就是将电能转化为机械能的执行器或电机。该电机可以是通用的 AC/DC 有刷电机、有刷直流电机或无刷直流 (BLDC) 电机。当今的许多工具已经开始使用三相 BLDC 电机拓扑结构。


最后,需要使用开关来控制电源至电机的能量传递。该组件可以是简单的断流器,控制是否有电流流动。也可以是电位计等稍微复杂的组件,可供用户指定有多少能量从电源流至电机。


电动工具挑战


在电动工具发展的前 100 年,设计和制造电钻、打磨机、螺纹磨床、螺丝刀、鼓风机、电锯等只需要一个电源、一个电机和一个开关/电位计。然而,在 20 世纪,高能量密度电池的出现改变了这一状况。此外,市场上还出现了绿色能源解决方案,且这些解决方案被集成到各种形式的设计中。


挑战在于如何继续使用电位计控制工具的速度,而不让高电流通过其电阻元件。稍后我们将发现,这是一个相对简单的解决办法。另一方面,事实证明,电机是一个更加重大的复杂挑战。


在电动工具发展早期,所采用的电机要么是适用于有绳工具的通用型有刷交流/直流电机,要么是适用于无绳工具的有刷直流电机(图 1)。因为这两种电机拓扑结构在本质上都是有刷电机,通过使用碳刷将电流传递至铜换向器,从而产生内部旋转磁场来实现电机运动。通过将电磁铁绕组和换向器一起置于转子中,将永磁体置于定子中,我们就可以获得两个不断相互作用并产生所需运动的磁场。


遗憾的是,这会导致电刷和换向器之间出现非常大的摩擦。经过长期使用,巨大摩擦最终会使电机毁坏。这种摩擦是以热量形式浪费的能量。这是从电源中流出的能量,不会产生任何有用功。围绕这种拓扑结构运行的系统效率不高于 80%(在最佳情况下)。这意味着,电池内部 20% 的能量被用于产生热量。


如果用电池供电型电钻打孔,则五分之一的电源将用于产生热量,这似乎不太高效。


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图 1:有刷直流电机。


使用 BLDC 电机技术应对挑战


鉴于上文所述的挑战,显然,更换或去除电刷和换向器必不可少。三相 BLDC 电机拓扑结构中已经突出显示了这一点(图 2)。BLDC 电机可以实现同样的旋转运动,且无需使用电刷或机械换向器。相反,我们通过电子方式产生旋转磁场。利用电子电路,我们可以形成两个相互作用的磁场来产生电机运动。其优点是转子和定子组件之间没有摩擦,从而提高了可靠性和能效。


BLDC 电机在制造领域中的应用正在加速……


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图 2:在三相 BLDC 电机拓扑结构中,必须更换或去除电刷和换向器。


三相 BLDC 电机的效率最高可达 96%。这意味着我们的电池只会以热量的形式浪费 4% 的能量。


与所有设计一样,采用 BLDC 电机也会面临一些挑战。有刷直流电机可以解决磁场对齐的固有问题,以获得最高效的运动曲线。如果换向器序列的设计和位置能够使旋转磁场始终与永磁体的磁场保持协调,就可以实现这一点。然而,由于 BLDC 电机没有物理换向器,所以这一动作是使用换向逻辑时序来完成的。为了获得我们所说的效率,必须使用控制电路(如图 3 所示)尽可能完美地对齐两个磁场。


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图 3:BLDC 电机没有物理换向器,必须使用换向逻辑时序。为提高效率,必须使用控制电路尽可能完美地对齐两个磁场。


这个复杂的电路会提取转子的位置信息,以电子方式对齐两个磁场。对于三相 BLDC 电机,该模块通常由微控制器和三相逆变器功率级组成,采用传感器(如霍尔传感器)来提取转子的位置信息。增加这种电路确实会占用一些空间,并导致成本增加。然而,制造商也看到了摆脱束缚的好处,消费者也需要这些类型的电机解决方案。因此,越来越多的电动工具开始使用三相 BLDC 电机拓扑结构进行设计。


复杂的电动工具


现代电动工具仍然包括电源、电机执行器和控制能量流的组件,如电位计。然而,为了提供所有的能量储备,我们需要添加智能。


微处理器就可以提供这种智能。如今,有了微处理器,我们可以监控电源并提供所需的驱动。我们也可以监控电位计的值,控制电机的速度,同时不必使电流通过其电阻元件。我们通过使用模数转换器 (ADC) 来实现这一点。这一操作中的能量消耗可以忽略不计。


然而,微处理器最重要的方面就是提供一个高效的机制来适当地为三相 BLDC 电机通电,以获得电池供电工具所需的效率改进。基于微控制器的功率级可提供产生正确对齐的旋转磁场所需的所有工具,从而转换成最优运动曲线。


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PAC5527 包含一个 DC/DC 转换器,可以吸收电池电压,并将其降低到为系统不同模块供电所需的不同电轨。其中还包括驱动超高功率三相逆变器(超过 1kW)所需的三个高电流前置驱动级。带可编程定序器的 ADC 支持在不影响中央处理器 (CPU) 的实时性情况下,协调捕获多个模拟参数。它包含保护模块,用于确保系统电流保持在一定范围内,防范可能导致工具损坏的危险条件,同时使用户远离火灾等伤害。提供多个通用输入/输出 (GPIO),用于监控不同信号。我们甚至还可以通过用于提取转子位置的电路产生完全对齐的旋转磁场,而这构成了单个 PAC5527 设备中的工具库的一部分。


PAC5527 可产生一种最小的三相逆变电源驱动器。因此,围绕该解决方案旋转的电动工具可采用符合人体工程学的高效设计,同时提高电动工具的能效。此外,由于其尺寸小巧、集成度高,整个应用的成本结构也得到了优化。


电动工具的下一波发展


BLDC 电机在制造领域的应用正在加速,随着技术的不断发展,这些电机将变得更加简单易用、更加有效、更加可靠。电控 BLDC 电机的出现,让工具变得更加强大、高效、小巧、轻量化。Qorvo 将持续坚持推出创新产品,如 PAC5xxx 系列零部件,以进一步推进三相 BLDC 电机拓扑结构的发展。




THE END
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