谈谈无刷直流电机

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本文来自Qorvo半导体
 
在过去的一个世纪中,电动工具有了长足进步。今天,它们更具备了无绳、轻巧的特性,由电池驱动且功能强大,分担了我们的大量工作。那么,是什么推动着电动工具的发展?除了电动工具爱好者外,很大程度上要归功于半导体技术的诸多进步——尤其对于无绳电动工具。
 
本篇博客涵盖了无绳、电池供电型产品的关键特性,包括促进其不断演进的因素及发展路途中的众多挑战;介绍了微处理器与无刷直流电机如何在改变我们今天所使用的电动工具中发挥了重要作用。此外,文章还探讨了电动工具中无刷直流电机的引入,及为制造商带来怎样的竞争优势。
 
电动工具主要组件
 
电动工具的第一个组件是电源。所有电动工具都可以分为两大类:有绳和无绳。
 
有绳工具——电源为交流电,需要插入“墙壁”上的插座才能进行操作。
无绳工具——依靠存储在不同化学物质电池中的电能,例如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和锂离子(Li-Ion)。
 
锂离子电池由于其能量密度的增强以及保持电荷的弹性,而成为性能最为突出的电池类型。
 
第二个部件为执行器,或者是将电能转化为机械能的电机。这种电机可以是通用的 AC/DC 有刷电机、直流有刷电机或无刷直流(BLDC)电机。当今的许多工具已经转向三相 BLDC 电机拓扑结构。
 
最后,采用一个开关来控制电源到电机的能量传输。这个组件可以是简单的中断器,控制是否有电流流动;或者稍微复杂一点的器件,如允许用户指定多少能量从电源流向电机的电位计等。
 
电动工具的挑战
 
在电动工具发展的前 100 年,设计和制造钻头、打磨机、磨床、螺丝刀、吹风机、锯等工具时,仅需一部电源、一台电机和一个开关/电位器。然而,在 20 世纪,高能量密度电池的出现改变了这一情况。此外,我们还看到了绿色能源解决方案的出现,以及将其融入所有设计形式中的趋势。
 
我们所面临的挑战是如何继续使用电位计来控制工具的运转速度,而不必让高电流通过其电阻组件。正如我们稍后将看到的,这是一个相当简单的修复性举措。另一方面,事实证明电机是一个更具实质性且复杂的挑战。
 
在电动工具发展初期,所采用的电机要么是用于有绳工具的有刷通用 AC/DC 电机,要么是用于无绳工具的有刷直流电机,如下图所示。由于这两种电机本质的拓扑结构均为有刷电机,因此均通过碳刷将电流传递到铜质换向器,随后产生内部旋转磁场来获得运动。将电磁铁绕组与换向器一起放置于转子,永磁体放置在定子上,可以得到不断相互作用的两个磁场,从而实现我们所需要的运动。
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不幸的是,这以电刷和换向器间的大量摩擦为代价。摩擦力相当剧烈,经过长时间的使用,电机会自行损坏;摩擦所产生的能量最终以热的形式被浪费。这部分能量的源头来自电源,却并没有产生任何有用功。据统计,围绕这种拓扑结构的系统效率低于 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。
 
当您尝试用电池供电的电钻打孔时,耗费 1/5 的电能来产生热量,听起来并不很吸引人。
 
采用 BLDC 电机拓扑应对挑战
 
鉴于以上所讨论的各种挑战,很明显,更换或拆卸电刷和换向器至关重要。如下图所示,这在三相 BLDC 电机拓扑结构中更为突出。BLDC 电机无需使用电刷或机械换向器就能为我们提供完全相同的旋转运动;与之相对,我们以电子方式产生旋转磁场。通过电子电路,我们可以创建两个相互作用的磁场以驱动电机运动。这样做的优点是消除了转子和定子组件间的摩擦,从而增加了可靠性与能效。
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三相无刷直流电机的效率可高达 96%。这意味着我们的电池只会以热量的形式浪费 1/20 的电量。
 
如同所有设计一样,在采用 BLDC 电机时也存在一些挑战。有刷直流电机解决了使两个磁场对齐以获得最有效运动曲线的固有问题。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保持一致时,便能实现这一目标。然而,由于 BLDC 电机不存在物理换向器,这一动作则通过换向逻辑顺序来完成。为达到前文提到的效率,我们必须使用如下图所示的控制电路,尽可能完美地对齐两个磁场。
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此类复杂的电路可提取转子的位置,以电子方式对齐两个磁场。对于三相 BLDC 电机,此模块通常由微控制器和三相逆变器功率级组成,功率级采用霍尔传感器等传感器器件获取转子位置信息。添加此电路确实会占用一些空间并增加一定成本。但是,制造商注意到了摆脱束缚所带来的益处,而消费者也正对这类电机解决方案产生需求。因此,越来越多的电动工具设计基于三相 BLDC 电机的拓扑结构。
 
复杂的电动工具
 
现代电动工具仍由电源、电机执行器和控制能量流的装置(如电位计)组成。然而,为了提供所有的能量保存功能,我们需要为其添加智能技术。
 
这一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并提供所需的驱动。我们还可以监测电位计的值并控制电动机的速度,而无需使电流流过其电阻元件。我们通过模数转换器(ADC)来实现这一目标,且该过程中的能量消耗可以忽略不计。
 
无论怎样,微处理器最重要的作用在于构建一种有效机制,适当地为三相 BLDC 电机供电,以改进电池供电工具所需的效率。基于微控制器的功率级提供了所有工具,可以成功生成正确对齐的旋转磁场,并转化为最佳的运动曲线。
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以下是实现大多数现代电动工具所需的项目列表:
 
一颗微处理器,为从电源到执行器这一能量转移过程提供智能;
一个驱动功率级开关(场效应晶体管—— FET)电路,用于产生旋转磁场;
一个提取电机转子位置的电路,以便我们能够正确地对齐旋转磁场;
一个 ADC,用于监控电池电压与电流、电机电流、电位器状态,和系统温度;
保护电路,以确保系统可靠运行,而不会危及用户或工具;
监控不同信号的电路,如定义电机旋转方向的开关;
不同的电压调节器为上述电路供电;
 
从开关和电机到上面的清单,很明显我们的电路规模已经大大增加。然而,新技术让我们可以将所有这些都装入一个小尺寸外形的方案中,这也是电机制造商青睐 BLDC 拓扑结构的另一个关键因素。
 
PAC5xxx 系列器件:单一封装、小尺寸解决方案
 
Qorvo 的解决方案为 PAC5xxx 系列器件,该解决方案可在占用最小空间的情况下获得电机功能的所有优势。类似 PAC5527 的器件采用占板极小的单一封装,集成了驱动大多数电池驱动电动工具所需的电路。
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PAC5527 包含一个 DC/DC 转换器,该转换器获取电池电压并将其降至不同电压轨,为系统的不同模块供电。该器件包括驱动一个非常强大三相逆变器(超过 1 KW)所需的三个大电流预驱动级;其 ADC 具有可编程的定序器,来协调捕获多个模拟参数而不会影响中央处理器(CPU)的实时性。它还包含保护块,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状况,同时使用户远离火灾等伤害。产品还提供了多个通用输入/输出(GPIO)来监测不同的信号;用于提取转子位置信息的电路使我们能够产生完全对齐的旋转磁场,由此构成了封装在单个 PAC5527 器件中工具库的一部分。
 
PAC5527 打造了最小的三相逆变器电源驱动器之一。基于如此小巧的解决方案,可以根据人体工程学原理进行电动工具的设计,同时提高能效。此外,由于其占板面积小且集成度高,整个应用的成本结构也得到了优化。
 
PAC5xxx 系列器件
https://www.qorvo.com/products/power-management/intelligent-motor-controllers
PAC5527
https://www.qorvo.com/products/p/PAC5527
 
电动工具的下一波浪潮
 
BLDC 电机的制造和应用正加速发展,跟随技术的不断演进,这些电机将变得更加人性化、高效和可靠。由于电控 BLDC 电机的出现,工具变得更强大、更高效、尺寸更小、重量更轻。随着时间的推移,Qorvo 将持续推出类似 PAC5xxx 系列器件的创新产品,推动三相 BLDC 电机拓扑结构更进一步。
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