【導讀】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qing巧qiao的de特te性xing，由you電dian池chi驅qu動dong且qie功gong能neng強qiang大da，分fen擔dan了le我wo們men的de大da量liang工gong作zuo。那na麼me，是shi什shen麼me推tui動dong著zhe電dian動dong工gong具ju的de發fa展zhan
？除chu了le電dian動dong工gong具ju愛ai好hao者zhe外wai
，很hen大da程cheng度du上shang要yao歸gui功gong於yu半ban導dao體ti技ji術shu的de諸zhu多duo進jin步bu——尤其對於無繩電動工具。

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jie紹shao了le微wei處chu理li器qi與yu無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji如ru何he在zai改gai變bian我wo們men今jin天tian所suo使shi用yong的de電dian動dong工gong具ju中zhong發fa揮hui了le重zhong要yao作zuo用yong。此ci外wai，文wen章zhang還hai探tan討tao了le電dian動dong工gong具ju中zhong無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji的de引yin入ru
，及ji為wei製zhi造zao商shang帶dai來lai怎zen樣yang的de競jing爭zheng優you勢shi。 

電動工具主要組件

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。

●    有繩工具——電源為交流電，需要插入“牆壁”上的插座才能進行操作。

●    無繩工具——依靠存儲在不同化學物質電池中的電能，例如鎳鎘（NiCd）、鎳金屬氫化物（NiMH）和鋰離子（Li-Ion）。

鋰離子電池由於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。

最後，采用一個開關來控製電源到電機的能量傳輸。這個組件可以是簡單的中斷器

，控製是否有電流流動
；或者稍微複雜一點的器件，如允許用戶指定多少能量從電源流向電機的電位計等。

電動工具的挑戰

在電動工具發展的前100年，設計和製造鑽頭、打磨機、磨床
、螺絲刀、吹風機

、鋸等工具時
，僅需一部電源、一台電機和一個開關/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。

womensuomianlindetiaozhanshiruhejixushiyongdianweijilaikongzhigongjudeyunzhuansudu，erbubiranggaodianliutongguoqidianzuzujian。zhengruwomenshaohoujiangkandaode，zheshiyigexiangdangjiandandexiufuxingjucuo。lingyifangmian，shishizhengmingdianjishiyigegengjushizhixingqiefuzadetiaozhan。

在電動工具發展初期

，所采用的電機要麼是用於有繩工具的有刷通用AC/DC電(dian)機(ji)
，要(yao)麼(me)是(shi)用(yong)於(yu)無(wu)繩(sheng)工(gong)具(ju)的(de)有(you)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)，如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。由(you)於(yu)這(zhe)兩(liang)種(zhong)電(dian)機(ji)本(ben)質(zhi)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)均(jun)為(wei)有(you)刷(shua)電(dian)機(ji)，因(yin)此(ci)均(jun)通(tong)過(guo)碳(tan)刷(shua)將(jiang)電(dian)流(liu)傳(chuan)遞(di)到(dao)銅(tong)質(zhi)換(huan)向(xiang)器(qi)，隨(sui)後(hou)產(chan)生(sheng)內(nei)部(bu)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)來(lai)獲(huo)得(de)運(yun)動(dong)。將(jiang)電(dian)磁(ci)鐵(tie)繞(rao)組(zu)與(yu)換(huan)向(xiang)器(qi)一(yi)起(qi)放(fang)置(zhi)於(yu)轉(zhuan)子(zi)
，永(yong)磁(ci)體(ti)放(fang)置(zhi)在(zai)定(ding)子(zi)上(shang)，可(ke)以(yi)得(de)到(dao)不(bu)斷(duan)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)的(de)兩(liang)個(ge)磁(ci)場(chang)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)我(wo)們(men)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)運(yun)動(dong)。

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mo擦ca所suo產chan生sheng的de能neng量liang最zui終zhong以yi熱re的de形xing式shi被bei浪lang費fei。這zhe部bu分fen能neng量liang的de源yuan頭tou來lai自zi電dian源yuan，卻que並bing沒mei有you產chan生sheng任ren何he有you用yong功gong。據ju統tong計ji
，圍wei繞rao這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou的de係xi統tong效xiao率lv低di於yu80%（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。

當您嚐試用電池供電的電鑽打孔時，耗費1/5的電能來產生熱量，聽起來並不很吸引人。

采用BLDC電機拓撲應對挑戰

鑒於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yu之zhi相xiang對dui
，我wo們men以yi電dian子zi方fang式shi產chan生sheng旋xuan轉zhuan磁ci場chang。通tong過guo電dian子zi電dian路lu，我wo們men可ke以yi創chuang建jian兩liang個ge相xiang互hu作zuo用yong的de磁ci場chang以yi驅qu動dong電dian機ji運yun動dong。這zhe樣yang做zuo的de優you點dian是shi消xiao除chu了le轉zhuan子zi和he定ding子zi組zu件jian間jian的de摩mo擦ca，從cong而er增zeng加jia了le可ke靠kao性xing與yu能neng效xiao。

三相無刷直流電機的效率可高達96%。這意味著我們的電池隻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BLDCdianjishiyecunzaiyixietiaozhan。youshuazhiliudianjijiejueleshilianggecichangduiqiyihuodezuiyouxiaoyundongquxiandeguyouwenti。danghuanxiangqixuliedeshejihefangzhifangshishixuanzhuancichangshizhongyuyongcitidecichangbaochiyizhishi，biannengshixianzheyimubiao。raner，youyuBLDC電(dian)機(ji)不(bu)存(cun)在(zai)物(wu)理(li)換(huan)向(xiang)器(qi)，這(zhe)一(yi)動(dong)作(zuo)則(ze)通(tong)過(guo)換(huan)向(xiang)邏(luo)輯(ji)順(shun)序(xu)來(lai)完(wan)成(cheng)。為(wei)達(da)到(dao)前(qian)文(wen)提(ti)到(dao)的(de)效(xiao)率(lv)，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)，盡(jin)可(ke)能(neng)完(wan)美(mei)地(di)對(dui)齊(qi)兩(liang)個(ge)磁(ci)場(chang)。

此類複雜的電路可提取轉子的位置
，以電子方式對齊兩個磁場。對於三相BLDC電(dian)機(ji)，此(ci)模(mo)塊(kuai)通(tong)常(chang)由(you)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)三(san)相(xiang)逆(ni)變(bian)器(qi)功(gong)率(lv)級(ji)組(zu)成(cheng)，功(gong)率(lv)級(ji)采(cai)用(yong)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)傳(chuan)感(gan)器(qi)器(qi)件(jian)獲(huo)取(qu)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)。添(tian)加(jia)此(ci)電(dian)路(lu)確(que)實(shi)會(hui)占(zhan)用(yong)一(yi)些(xie)空(kong)間(jian)並(bing)增(zeng)加(jia)一(yi)定(ding)成(cheng)本(ben)。但(dan)是(shi)
，製(zhi)造(zao)商(shang)注(zhu)意(yi)到(dao)了(le)擺(bai)脫(tuo)束(shu)縛(fu)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)益(yi)處(chu)
，而(er)消(xiao)費(fei)者(zhe)也(ye)正(zheng)對(dui)這(zhe)類(lei)電(dian)機(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)產(chan)生(sheng)需(xu)求(qiu)。因(yin)此(ci)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)電(dian)動(dong)工(gong)具(ju)設(she)計(ji)基(ji)於(yu)三(san)相(xiang)BLDC電機的拓撲結構。

複雜的電動工具

現代電動工具仍由電源
、電機執行器和控製能量流的裝置（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。

zheyizhinengyouweichuliqitigong。youleweichuliqi

，womenxianzaikeyijiankongdianyuanbingtigongsuoxudequdong。womenhaikeyijiancedianweijidezhibingkongzhidiandongjidesudu，erwuxushidianliuliuguoqidianzuyuanjian。womentongguomoshuzhuanhuanqi（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於構建一種有效機製，適當地為三相BLDC電(dian)機(ji)供(gong)電(dian)，以(yi)改(gai)進(jin)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)工(gong)具(ju)所(suo)需(xu)的(de)效(xiao)率(lv)。基(ji)於(yu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)功(gong)率(lv)級(ji)提(ti)供(gong)了(le)所(suo)有(you)工(gong)具(ju)，可(ke)以(yi)成(cheng)功(gong)生(sheng)成(cheng)正(zheng)確(que)對(dui)齊(qi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)，並(bing)轉(zhuan)化(hua)為(wei)最(zui)佳(jia)的(de)運(yun)動(dong)曲(qu)線(xian)。

以下是實現大多數現代電動工具所需的項目列表：

1. 一顆微處理器，為從電源到執行器這一能量轉移過程提供智能；

2. 一個驅動功率級開關（場效應晶體管——FET）電路
，用於產生旋轉磁場
；

3. 一個提取電機轉子位置的電路，以便我們能夠正確地對齊旋轉磁場
；

4. 一個ADC
，用於監控電池電壓與電流
、電機電流

、電位器狀態，和係統溫度
；

5. 保護電路，以確保係統可靠運行，而不會危及用戶或工具；

6. 監控不同信號的電路，如定義電機旋轉方向的開關；

7. 不同的電壓調節器為上述電路供電
；

congkaiguanhedianjidaoshangmiandeqingdan，henmingxianwomendedianluguimoyijingdadazengjia。raner，xinjishurangwomenkeyijiangsuoyouzhexiedouzhuangruyigexiaochicunwaixingdefanganzhong，zheyeshidianjizhizaoshangqinglaiBLDC拓撲結構的另一個關鍵因素。

PAC5xxx係列器件：單一封裝、小尺寸解決方案

Qorvo的解決方案為PAC5xxx係列器件，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並將其降至不同電壓軌，為係統的不同模塊供電。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(de)實(shi)時(shi)性(xing)。它(ta)還(hai)包(bao)含(han)保(bao)護(hu)塊(kuai)
，以(yi)確(que)保(bao)係(xi)統(tong)電(dian)流(liu)保(bao)持(chi)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)，防(fang)止(zhi)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)工(gong)具(ju)損(sun)壞(huai)的(de)危(wei)險(xian)狀(zhuang)況(kuang)，同(tong)時(shi)使(shi)用(yong)戶(hu)遠(yuan)離(li)火(huo)災(zai)等(deng)傷(shang)害(hai)。產(chan)品(pin)還(hai)提(ti)供(gong)了(le)多(duo)個(ge)通(tong)用(yong)輸(shu)入(ru)/輸出（GPIO）來監測不同的信號
；用於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。

PAC5527dazaolezuixiaodesanxiangnibianqidianyuanqudongqizhiyi。jiyurucixiaoqiaodejiejuefangan
，keyigenjurentigongchengxueyuanlijinxingdiandonggongjudesheji
，tongshitigaonengxiao。ciwai，youyuqizhanbanmianjixiaoqiejichengdugao，zhenggeyingyongdechengbenjiegouyededaoleyouhua。

電動工具的下一波浪潮

BLDC電機的製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。由於電控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係列器件的創新產品，推動三相BLDC電機拓撲結構更進一步。

來源：Qorvo

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