电动工具设计101:加速您的无刷直流电动机的功能知识

在过去的一个世纪里，电动工具有了显著的发展。今天，它们是无线的，轻便的，电池供电的，而且工作很努力，所以我们就不用了。那么，是什么推动了电动工具的发展呢?除了电动工具的爱好者，许多可以归因于许多先进的半导体技术-特别是无绳电动工具。

这篇博客涵盖了无绳、电池驱动的变型的关键方面，包括推动其发展的因素以及在此过程中面临的挑战。它也涵盖了如何微处理器和无刷直流电机在改变电动工具，我们今天使用。此外，这个博客概述了在电动工具中的无刷直流电机是如何为制造商提供竞争优势的。

电动工具主要部件

电动工具的第一个部件是电源。所有电动工具可以细分为两类:有绳和无绳。

• 有绳工具-电源是交流电，需要插入“墙”才能运行。
• 无绳或无线电动工具——依靠储存在不同化学物质电池中的电能，如镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(LiIon)。

以锂离子为基础的电池因其增加的能量密度以及保持电荷的弹性而成为最突出的电池。

第二个组件是一种执行器，或将电能转换为机械能的马达。该电机可以是通用交流/直流刷电机，刷直流电机，或无刷直流(BLDC)电机。今天的许多工具已经转移到三相无刷直流电机拓扑。

最后，一个开关用来控制源到马达的能量传递。该组件可以是一样简单的断续器，控制是否有电流流动。或者，它可能是一些稍微复杂，如电位器，允许用户指定多少能量从源到流电机。

电动工具的挑战

对于第一个百年电动工具的发展，一个电源，电动机和开关/电位器的人认为，需要对但是设计和制造演习，砂光机，研磨机，螺丝刀，鼓风机，锯等，在20所有世纪，高能量密度电池的出现改变了这一点。此外，我们看到的绿色能源解决方案的出现和其纳入各种形式的设计。

挑战是继续使用电位器来控制工具的速度，而不需要让高电流通过它的电阻元件。我们稍后将看到，这是一个相当简单的修复。另一方面，发动机被证明是一个更加实质性和复杂的挑战。

在电动工具开发的早期，所使用的电机要么是拉丝的通用交流/直流电机的绳工具，或拉丝直流电机的无绳工具，如下所示。由于这两种电机的拓扑结构在本质上都是刷状的，所以通过碳刷将电流传递到铜换向器中，然后铜换向器产生一个内部旋转磁场，从而实现电机的运动。通过将电磁铁绕组和换向器一起放置在转子中，将永磁体放置在定子中，我们就得到了两个不断相互争斗的磁场，从而产生我们所需要的运动。

不幸的是，这是以电刷和换向器之间的大量摩擦为代价的。摩擦是相当大的，长时间使用后，电机最终会自我毁灭。这种摩擦是以热的形式浪费的能量。这就是从电源流出的能量，没有产生任何有用的功。据说，围绕此拓扑旋转的系统的效率不超过80%(在最佳情况下)。这意味着电池内部20%的能量被用来产生热量。

当你试图与电池供电的钻孔，使用电源的五分之一产生热量不很动听。

迎接挑战使用BLDC电机拓扑

鉴于上述讨论的挑战，很明显，更换或移除电刷和换向器是必要的。这在三相无刷直流电机拓扑中突出显示，如下所示。无刷直流电动机能够给我们完全相同的旋转运动没有使用刷子或机械换向器。相反，我们用电子产生旋转磁场。利用电子电路，我们可以创造两个相互斗争的磁场来产生运动。这样做的优点是转子和定子部件之间没有摩擦，增加了可靠性和能源效率。

三相BLDC电机可以达到效率高达96％。这意味着我们的电池只会浪费能源的第二十个以热的形式。

与所有的设计一样，在使用无刷直流电机时也有一些挑战。刷直流电机解决了校准两个磁场的固有问题，以获得最有效的运动轮廓。当换向器序列的设计和放置方式使旋转磁场始终与永磁体的磁场一致时，他们就能实现这一点。然而，因为无刷直流电动机没有一个物理换向器，这一行动是完成使用换向逻辑排序。为了获得我们前面提到的效率，我们必须使用如下所示的控制电路尽可能完美地对齐两个磁场。

这个复杂的电路提取转子的位置，以电子方式排列两个磁场。在一个三相BLDC电机的情况下，该块是最经常由微控制器和三相逆变器功率级采用传感器，如霍尔传感器，以提取转子的位置信息。添加此电路确实占用一定的空间，并增加了一些成本。然而，制造商们看到的是不受限制的利益和消费者创造了这些类型的电机解决方案的需求。因此，更多的电动工具被使用三相BLDC电机拓扑结构而设计。

精密的电动工具

现代电动工具仍然包括一个电源，马达致动器，并控制能量流的装置，例如电位计的。然而，为了提供所有的能量保存，我们需要增加智力。

智能由微处理器提供。有了微处理器，我们现在可以监控电源和提供所需的驱动。我们还可以监测电位器的值和控制电机的速度，而不必通过电流通过其电阻组件。我们通过使用模数转换器(ADC)来实现这一点。在这一行动中的能量消耗是微不足道的。

然而，微处理器最重要的方面是提供一个有效的机制，以适当地激励三相无刷直流电动机，以获得效率的提高，以电池供电的工具所需要的。基于微控制器的功率舞台提供了所有的工具，以成功地产生一个适当的旋转磁场，转化为最好的可能的运动轮廓。

以下是大多数现代power工具实现所需的项目列表:

1. 一种微处理器，提供从电源到执行器的能量传递背后的智能。
2. 的电路来驱动功率级开关（场效应晶体管 - 场效应管），将产生的旋转磁场。
3. 一个电路来提取电机转子的位置，这样我们就可以正确地对齐旋转磁场。
4. 用于监控电池电压和电流、电机电流、电位器状态和系统温度的ADC。
5. 保护电路，保证系统可靠的方式运行而不会危及用户或工具。
6. 监控不同信号的电路，如定义电机旋转方向的开关。
7. 不同的电压调节器，以动力上述电路。

从一个开关和马达，以上面的列表中移动，很明显我们的电路数量已大大增加。然而，新的技术已经取得了它，所以我们可以打包到所有这些小的外形，这是电机厂家采用BLDC拓扑结构的另一个关键因素。

pac5xxx系列零件:单一包装，小尺寸解决方案

Qorvo的解决方案，以实现所有的好处的电子马达的功能，同时占用最小的空间是pac5xxx系列设备系列。在一个单独的包中，占用的空间非常小，像这样的设备PAC5527集成电路需要驱动大多数电池为基础的电动工具。

PAC5527包含一个DC/DC转换器，它获取电池电压，并将其逐步下放到为系统不同模块供电所需的不同轨道上。三个高电流的前驱动阶段需要驱动一个非常强大的三相逆变器(超过1kw)包括在内。它的ADC，与可编程序列，允许协调捕获多个模拟参数，而不影响中央处理单元(CPU的)的实时。它包括保护块，以确保系统电流保持在一定范围内，防止可能导致工具损坏的危险条件，同时使用户远离危险的道路(例如，火灾)。提供多个通用输入输出(GPIOs)，用于监控不同的信号。即使是提取转子位置的电路也让我们能够产生完全对齐的旋转磁场，这是一个PAC5527设备所包含的工具库的一部分。

PAC5527产生一个最小的，可能的，三相逆变电源驱动器。如此小，电动工具围绕这个解决方案可以塑造为符合人体工程学的效率，同时提高电动工具的能源效率。此外，由于占用空间小和集成级别高，整个应用程序的成本结构也得到了优化。

下一波电动工具

无刷直流电机的使用正在加速，随着技术的不断发展，这些电机将变得更加用户友好、有效和可靠。由于采用了电子控制的无刷直流电动机，工具变得更强大、更高效、体积更小、重量更轻。随着时间的推移，Qorvo将不断推出PAC5xxx系列零件等创新产品，推动三相无刷直流电机拓扑结构的进一步发展。