无刷三相直流电机电动工具驱动方案设计

电动工具是一种工具，其致动通过附加的动力源和机构比仅其他手工劳动与使用手工工具，电动工具用于工业、建筑、花园、做饭、清洁等家务劳动，以及在房子周围用于驱动（紧固件）、钻孔、切割、成型、打磨、研磨、布线、抛光、油漆、暖气等等。电动工具分为固定式或便携式，其中便携式意味着手持。便携式电动工具在移动性方面优势明显。然而，固定式电动工具通常在速度和精度方面具有优势。

根据《中国电动工具行业产销需求预测与转型升级分析报告》统计，电动工具主要分为金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具。常见的电动工具有电钻、电动砂轮机、电动扳手和电动螺丝刀、电锤和冲击电钻、混凝土振动器、电刨。 [1]

电钻

主要规格有4、6、8、10、13、16、19、23、25、32、38、49mm等，数字指在抗拉强度为390N/mm的钢材上钻孔的钻头最大直径。对有色金属、塑料等材料最大钻孔直径可比原规格大30～50%、配磨光机。

电动扳手和电动螺丝刀

用于装卸螺纹联接件。电动扳手的传动机构由行星齿轮和滚珠螺旋槽冲击机构组成。规格有M8、M12、M16、M20、M24、M30等。电动螺丝刀采用牙嵌离合器传动机构或齿轮传动机构，规格有M1、M2、M3、M4、M6等。

电锤和冲击电钻

用于混凝土、砖墙及建筑构件上凿孔、开槽、打毛。结合膨胀螺栓使用，可提高各种管线、机床设备的安装速度和质量；电锤的冲击原理是靠内部活塞运动产生冲击动力，冲击钻的冲击原理是齿轮磨合产生冲击动力，所以电锤的冲击力更大。

混凝土振动器

用于浇筑混凝土基础和钢筋混凝土构件时捣实混凝土，以消除气孔，提高强度。其中电动直联式振动器的高频扰动力由电动机带动偏心块旋转而形成，电动机由150Hz或200Hz中频电源供电。

电刨

用于刨削木材或木结构件，装在台架上也可作小型台刨使用。电刨的刀轴由电动机转轴通过皮带驱动。

电磨

俗称磨头机；电磨；电动砂轮机，用砂轮或磨盘进行砂磨的电动工具。

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。

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。

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。

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。

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；