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帶你了解無刷直流電機

發(fā)布時間:2022-06-07 來源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在過去一個世紀(jì),電動工具得到了顯著發(fā)展。如今,已實現(xiàn)無線化、輕量化和電池供電,為我們的生活帶來了諸多便利。那么,推動電動工具發(fā)展的因素有哪些?除了電動工具發(fā)燒友,電動工具的發(fā)展(特別是無繩電動工具)在很大程度上可以歸功于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。


接下來,我們將介紹由電池供電的無繩電動工具的關(guān)鍵方面,包括此類電動工具發(fā)展的推動因素及其發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)。我們還將了解,微處理器和無刷直流電機在改變當(dāng)今使用的電動工具中發(fā)揮著怎樣的關(guān)鍵作用。此外,我們還將概述,在電動工具中采用無刷直流電機將如何為制造商帶來競爭優(yōu)勢。


電動工具的主要組件


●    電動工具的第一個組件就是電源。所有電動工具都可以分為有繩和無繩。


●    有繩電動工具 — 電源為 AC,且需要插入電源才能運行。


無繩或無線電動工具 — 依賴于存儲在電池中的電能,這些電池包含不同的化學(xué)成分,如鎳鎘 (NiCd)、鎳氫 (NiMH) 和鋰離子 (Li-Ion)。


鋰離子電池因具有更高的能量密度和保持電荷的適應(yīng)力,成為了最主要的電池。


第二個組件就是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的執(zhí)行器或電機。該電機可以是通用的 AC/DC 有刷電機、有刷直流電機或無刷直流 (BLDC) 電機。當(dāng)今的許多工具已經(jīng)開始使用三相 BLDC 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


最后,需要使用開關(guān)來控制電源至電機的能量傳遞。該組件可以是簡單的斷流器,控制是否有電流流動。也可以是電位計等稍微復(fù)雜的組件,可供用戶指定有多少能量從電源流至電機。


電動工具挑戰(zhàn)


在電動工具發(fā)展的前 100 年,設(shè)計和制造電鉆、打磨機、螺紋磨床、螺絲刀、鼓風(fēng)機、電鋸等只需要一個電源、一個電機和一個開關(guān)/電位計。然而,在 20 世紀(jì),高能量密度電池的出現(xiàn)改變了這一狀況。此外,市場上還出現(xiàn)了綠色能源解決方案,且這些解決方案被集成到各種形式的設(shè)計中。


挑戰(zhàn)在于如何繼續(xù)使用電位計控制工具的速度,而不讓高電流通過其電阻元件。稍后我們將發(fā)現(xiàn),這是一個相對簡單的解決辦法。另一方面,事實證明,電機是一個更加重大的復(fù)雜挑戰(zhàn)。


在電動工具發(fā)展早期,所采用的電機要么是適用于有繩工具的通用型有刷交流/直流電機,要么是適用于無繩工具的有刷直流電機(圖 1)。因為這兩種電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在本質(zhì)上都是有刷電機,通過使用碳刷將電流傳遞至銅換向器,從而產(chǎn)生內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場來實現(xiàn)電機運動。通過將電磁鐵繞組和換向器一起置于轉(zhuǎn)子中,將永磁體置于定子中,我們就可以獲得兩個不斷相互作用并產(chǎn)生所需運動的磁場。


遺憾的是,這會導(dǎo)致電刷和換向器之間出現(xiàn)非常大的摩擦。經(jīng)過長期使用,巨大摩擦最終會使電機毀壞。這種摩擦是以熱量形式浪費的能量。這是從電源中流出的能量,不會產(chǎn)生任何有用功。圍繞這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運行的系統(tǒng)效率不高于 80%(在最佳情況下)。這意味著,電池內(nèi)部 20% 的能量被用于產(chǎn)生熱量。


如果用電池供電型電鉆打孔,則五分之一的電源將用于產(chǎn)生熱量,這似乎不太高效。


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圖 1:有刷直流電機。


使用 BLDC 電機技術(shù)應(yīng)對挑戰(zhàn)


鑒于上文所述的挑戰(zhàn),顯然,更換或去除電刷和換向器必不可少。三相 BLDC 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中已經(jīng)突出顯示了這一點(圖 2)。BLDC 電機可以實現(xiàn)同樣的旋轉(zhuǎn)運動,且無需使用電刷或機械換向器。相反,我們通過電子方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。利用電子電路,我們可以形成兩個相互作用的磁場來產(chǎn)生電機運動。其優(yōu)點是轉(zhuǎn)子和定子組件之間沒有摩擦,從而提高了可靠性和能效。


BLDC 電機在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用正在加速……


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圖 2:在三相 BLDC 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,必須更換或去除電刷和換向器。


三相 BLDC 電機的效率最高可達(dá) 96%。這意味著我們的電池只會以熱量的形式浪費 4% 的能量。


與所有設(shè)計一樣,采用 BLDC 電機也會面臨一些挑戰(zhàn)。有刷直流電機可以解決磁場對齊的固有問題,以獲得最高效的運動曲線。如果換向器序列的設(shè)計和位置能夠使旋轉(zhuǎn)磁場始終與永磁體的磁場保持協(xié)調(diào),就可以實現(xiàn)這一點。然而,由于 BLDC 電機沒有物理換向器,所以這一動作是使用換向邏輯時序來完成的。為了獲得我們所說的效率,必須使用控制電路(如圖 3 所示)盡可能完美地對齊兩個磁場。


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圖 3:BLDC 電機沒有物理換向器,必須使用換向邏輯時序。為提高效率,必須使用控制電路盡可能完美地對齊兩個磁場。


這個復(fù)雜的電路會提取轉(zhuǎn)子的位置信息,以電子方式對齊兩個磁場。對于三相 BLDC 電機,該模塊通常由微控制器和三相逆變器功率級組成,采用傳感器(如霍爾傳感器)來提取轉(zhuǎn)子的位置信息。增加這種電路確實會占用一些空間,并導(dǎo)致成本增加。然而,制造商也看到了擺脫束縛的好處,消費者也需要這些類型的電機解決方案。因此,越來越多的電動工具開始使用三相 BLDC 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。


復(fù)雜的電動工具


現(xiàn)代電動工具仍然包括電源、電機執(zhí)行器和控制能量流的組件,如電位計。然而,為了提供所有的能量儲備,我們需要添加智能。


微處理器就可以提供這種智能。如今,有了微處理器,我們可以監(jiān)控電源并提供所需的驅(qū)動。我們也可以監(jiān)控電位計的值,控制電機的速度,同時不必使電流通過其電阻元件。我們通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來實現(xiàn)這一點。這一操作中的能量消耗可以忽略不計。


然而,微處理器最重要的方面就是提供一個高效的機制來適當(dāng)?shù)貫槿?BLDC 電機通電,以獲得電池供電工具所需的效率改進(jìn)?;谖⒖刂破鞯墓β始壙商峁┊a(chǎn)生正確對齊的旋轉(zhuǎn)磁場所需的所有工具,從而轉(zhuǎn)換成最優(yōu)運動曲線。


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PAC5527 包含一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,可以吸收電池電壓,并將其降低到為系統(tǒng)不同模塊供電所需的不同電軌。其中還包括驅(qū)動超高功率三相逆變器(超過 1kW)所需的三個高電流前置驅(qū)動級。帶可編程定序器的 ADC 支持在不影響中央處理器 (CPU) 的實時性情況下,協(xié)調(diào)捕獲多個模擬參數(shù)。它包含保護模塊,用于確保系統(tǒng)電流保持在一定范圍內(nèi),防范可能導(dǎo)致工具損壞的危險條件,同時使用戶遠(yuǎn)離火災(zāi)等傷害。提供多個通用輸入/輸出 (GPIO),用于監(jiān)控不同信號。我們甚至還可以通過用于提取轉(zhuǎn)子位置的電路產(chǎn)生完全對齊的旋轉(zhuǎn)磁場,而這構(gòu)成了單個 PAC5527 設(shè)備中的工具庫的一部分。


PAC5527 可產(chǎn)生一種最小的三相逆變電源驅(qū)動器。因此,圍繞該解決方案旋轉(zhuǎn)的電動工具可采用符合人體工程學(xué)的高效設(shè)計,同時提高電動工具的能效。此外,由于其尺寸小巧、集成度高,整個應(yīng)用的成本結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。


電動工具的下一波發(fā)展


BLDC 電機在制造領(lǐng)域的應(yīng)用正在加速,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,這些電機將變得更加簡單易用、更加有效、更加可靠。電控 BLDC 電機的出現(xiàn),讓工具變得更加強大、高效、小巧、輕量化。Qorvo 將持續(xù)堅持推出創(chuàng)新產(chǎn)品,如 PAC5xxx 系列零部件,以進(jìn)一步推進(jìn)三相 BLDC 電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展。



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