【PCBA方案開發設計】三相無刷電機電動工具方案

電動工具是一種工具，其致動通過附加的動力源和機構比僅其他手工勞動與使用手工工具，電動工具用于工業、建筑、花園、做飯、清潔等家務勞動，以及在房子周圍用于驅動（緊固件）、鉆孔、切割、成型、打磨、研磨、布線、拋光、油漆、暖氣等等。電動工具分為固定式或便攜式，其中便攜式意味著手持。便攜式電動工具在移動性方面優勢明顯。然而，固定式電動工具通常在速度和精度方面具有優勢。

根據《中國電動工具行業產銷需求預測與轉型升級分析報告》統計，電動工具主要分為金屬切削電動工具、研磨電動工具、裝配電動工具和鐵道用電動工具。常見的電動工具有電鉆、 電動砂輪機、 電動扳手和電動螺絲刀、電錘和沖擊電鉆、混凝土振動器、電刨。 [1]

電鉆

主要規格有4、6、8、10、13、16、19、23、25、32、38、49mm等，數字指在抗拉強度為390N/mm的鋼材上鉆孔的鉆頭最大直徑。對有色金屬、塑料等材料最大鉆孔直徑可比原規格大30～50%、配磨光機。

電動扳手和電動螺絲刀

用于裝卸螺紋聯接件。電動扳手的傳動機構由行星齒輪和滾珠螺旋槽沖擊機構組成。規格有M8、M12、M16、M20、M24、M30等。 電動螺絲刀采用牙嵌離合器傳動機構或齒輪傳動機構，規格有M1、M2、M3、M4、M6等。

電錘和沖擊電鉆

用于混凝土、磚墻及建筑構件上鑿孔、開槽、打毛。結合膨脹螺栓使用，可提高各種管線、機床設備的安裝速度和質量；電錘的沖擊原理是靠內部活塞運動產生沖擊動力，沖擊鉆的沖擊原理是齒輪磨合產生沖擊動力，所以電錘的沖擊力更大。

混凝土振動器

用于澆筑混凝土基礎和鋼筋混凝土構件時搗實混凝土，以消除氣孔，提高強度。其中電動直聯式振動器的高頻擾動力由電動機帶動偏心塊旋轉而形成，電動機由150Hz或200Hz中頻電源供電。

電刨

用于刨削木材或木結構件，裝在臺架上也可作小型臺刨使用。電刨的刀軸由電動機轉軸通過皮帶驅動。

電磨

俗稱磨頭機；電磨；電動砂輪機，用砂輪或磨盤進行砂磨的電動工具。

電動工具的挑戰

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。

采用 BLDC 電機拓撲應對挑戰

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。

復雜的電動工具

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?；谖⒖刂破鞯墓β始壧峁┝怂泄ぞ?，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：

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；

一個驅動功率級開關（場效應晶體管—— FET）電路，用于產生旋轉磁場；

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；

一個 ADC，用于監控電池電壓與電流、電機電流、電位器狀態，和系統溫度；

保護電路，以確保系統可靠運行，而不會危及用戶或工具；

監控不同信號的電路，如定義電機旋轉方向的開關；

不同的電壓調節器為上述電路供電；

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。

電動工具的下一波浪潮

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、重量更輕。隨著時間的推移，其利天下技術將推出類似 KY32系列器件的PCBA創新產品，推動三相 BLDC 電機拓撲結構更進一步。

其利天下技術開發--- 方案架構圖

其利天下技術開發- 預驅+6 N MOS架構PCBA