談談無刷直流電機

在過去的一個世紀中，電動工具有了長足進步。今天，它們更具備了無繩、輕巧的特性，由電池驅動且功能強大，分擔了我們的大量工作。那么，是什么推動著電動工具的發展？除了電動工具愛好者外，很大程度上要歸功于半導體技術的諸多進步——尤其對于無繩電動工具。

本篇博客涵蓋了無繩、電池供電型產品的關鍵特性，包括促進其不斷演進的因素及發展路途中的眾多挑戰；介紹了微處理器與無刷直流電機如何在改變我們今天所使用的電動工具中發揮了重要作用。此外，文章還探討了電動工具中無刷直流電機的引入，及為制造商帶來怎樣的競爭優勢。

電動工具的第一個組件是電源。所有電動工具都可以分為兩大類：有繩和無繩。

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型。

第二個部件為執行器，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、直流有刷電機或無刷直流（BLDC）電機。當今的許多工具已經轉向三相 BLDC 電機拓撲結構。

最后，采用一個開關來控制電源到電機的能量傳輸。這個組件可以是簡單的中斷器，控制是否有電流流動；或者稍微復雜一點的器件，如允許用戶指定多少能量從電源流向電機的電位計等。

在電動工具發展的前 100 年，設計和制造鉆頭、打磨機、磨床、螺絲刀、吹風機、鋸等工具時，僅需一部電源、一臺電機和一個開關/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控制工具的運轉速度，而不必讓高電流通過其電阻組件。正如我們稍后將看到的，這是一個相當簡單的修復性舉措。另一方面，事實證明電機是一個更具實質性且復雜的挑戰。

在電動工具發展初期，所采用的電機要么是用于有繩工具的有刷通用 AC/DC 電機，要么是用于無繩工具的有刷直流電機，如下圖所示。由于這兩種電機本質的拓撲結構均為有刷電機，因此均通過碳刷將電流傳遞到銅質換向器，隨后產生內部旋轉磁場來獲得運動。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磁場，從而實現我們所需要的運動。

不幸的是，這以電刷和換向器間的大量摩擦為代價。摩擦力相當劇烈，經過長時間的使用，電機會自行損壞；摩擦所產生的能量最終以熱的形式被浪費。這部分能量的源頭來自電源，卻并沒有產生任何有用功。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）；這意味著電池內部 20% 的能量被用來產生熱量。

當您嘗試用電池供電的電鉆打孔時，耗費 1/5 的電能來產生熱量，聽起來并不很吸引人。

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；與之相對，我們以電子方式產生旋轉磁場。通過電子電路，我們可以創建兩個相互作用的磁場以驅動電機運動。這樣做的優點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。

三相無刷直流電機的效率可高達 96%。這意味著我們的電池只會以熱量的形式浪費 1/20 的電量。

如同所有設計一樣，在采用 BLDC 電機時也存在一些挑戰。有刷直流電機解決了使兩個磁場對齊以獲得最有效運動曲線的固有問題。當換向器序列的設計和放置方式使旋轉磁場始終與永磁體的磁場保持一致時，便能實現這一目標。然而，由于 BLDC 電機不存在物理換向器，這一動作則通過換向邏輯順序來完成。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磁場。

此類復雜的電路可提取轉子的位置，以電子方式對齊兩個磁場。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。添加此電路確實會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，而消費者也正對這類電機解決方案產生需求。因此，越來越多的電動工具設計基于三相 BLDC 電機的拓撲結構。

現代電動工具仍由電源、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。

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。我們還可以監測電位計的值并控制電動機的速度，而無需使電流流過其電阻元件。我們通過模數轉換器（ADC）來實現這一目標，且該過程中的能量消耗可以忽略不計。

無論怎樣，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，以改進電池供電工具所需的效率。基于微控制器的功率級提供了所有工具，可以成功生成正確對齊的旋轉磁場，并轉化為最佳的運動曲線。

以下是實現大多數現代電動工具所需的項目列表：

從開關和電機到上面的清單，很明顯我們的電路規模已經大大增加。然而，新技術讓我們可以將所有這些都裝入一個小尺寸外形的方案中，這也是電機制造商青睞 BLDC 拓撲結構的另一個關鍵因素。

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勢。類似 PAC5527 的器件采用占板極小的單一封裝，集成了驅動大多數電池驅動電動工具所需的電路。

PAC5527 包含一個 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。該器件包括驅動一個非常強大三相逆變器（超過 1 KW）所需的三個大電流預驅動級；其 ADC 具有可編程的定序器，來協調捕獲多個模擬參數而不會影響中央處理器（CPU）的實時性。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，同時使用戶遠離火災等傷害。產品還提供了多個通用輸入/輸出（GPIO）來監測不同的信號；用于提取轉子位置信息的電路使我們能夠產生完全對齊的旋轉磁場，由此構成了封裝在單個 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器之一。基于如此小巧的解決方案，可以根據人體工程學原理進行電動工具的設計，同時提高能效。此外，由于其占板面積小且集成度高，整個應用的成本結構也得到了優化。

BLDC 電機的制造和應用正加速發展，跟隨技術的不斷演進，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。隨著時間的推移，Qorvo 將持續推出類似 PAC5xxx 系列器件的創新產品，推動三相 BLDC 電機拓撲結構更進一步。

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