基于BLDC的无绳电动工具提供更长的运行时间和更好的用户体验

日期:2021-09-28

集成电机控制简化了驱动BLDC的挑战
作者:Chia Lin产品经理Peter Green产品与系统应用工程部Infineon 


无绳电动工具由于其易用性、便携性以及比电源电动工具更高的安全性,在专业和DIY使用中越来越流行。随着无刷直流(BLDC)电机的加入,它们现在适用于大多数任务。
然而,制造商正面临着挑战,他们需要减少工具的尺寸和重量,以提高人体工程学,并延长充电之间的电池寿命。所有无绳工具的核心是电机控制器,它对设计师实现更方便使用的终端市场目标具有重大影响。
本文讨论了交付最先进的电动工具需要克服的挑战,并考虑了高度集成的电机控制器在满足该应用的当代设计挑战方面的重要作用。

电动工具的世界——今天和未来

无绳电动工具销售强劲,增长迅速。Future Market Insights最近的一份报告估计,2015年该市场价值约270亿美元,到2025年将增至450亿美元以上。他们的报告计算出2016年至2020年期间的增长率(CAGR)为3.7%,此外,报告还显示,2021年至2031年期间的增长率估计为5.1%。许多因素推动了这一增长的加速,全球建筑业的普遍改善就是其中之一。由于搬家的成本很高,许多房主决定在DIY的基础上改善他们现在的房子,而不是搬家。最近的疫情只会进一步加速事情的发展,因为人们通常有更多的时间呆在家里,有更多的可支配收入来进行维修和升级。
在工业中,随着运营效率的重要性增加,无绳电动工具越来越多地被用于装配线上,以加快流程。
在过去,使用刷式直流电机的镍镉或镍氢动力无绳工具有一些局限性,因此,对于要求最苛刻的任务,首选有绳工具。然而,随着锂离子电池电源和无刷直流电机(BLDC)的出现,无绳工具的能力现在与它们的同系产品相当。

便利性、便携性和安全性是专业人士和DIY用户选择无绳工具的主要因素,因为在使用过程中没有电源电压,也没有电源线会被卡住、绊倒或切断。

设计师面临的主要挑战
无绳电动工具设计师面临的主要挑战是需要不断减小尺寸和重量,同时增加充电(或更换电池)之间的运行时间。事实上,这些目标经常发生冲突,因为较大的电池会增加运行时间,但也会增加尺寸和重量。
电机是解决这一挑战的关键,目前主要有两种类型。旧的有刷直流电动机有电枢(转子)、换向器、电刷、主轴和永磁体。更现代的无刷直流电机无刷运行,从而消除磨损机制,减少旋转摩擦,从而延长运行时间。
一般来说,无刷直流电机正成为设计师的首选,因为对于给定的尺寸,无刷直流电机功率更大,而且几乎无需维护。但是,它们比有线类型更昂贵,控制方法也更复杂。
在现代电动工具中,设计者非常重视人机工程学。由于它们被长时间使用——特别是被专业用户使用——因此形状很重要。然而,在为用户设计最舒适的空间时,设计师经常发现在外壳中安装理想的电机和电池是一个挑战。
在正常使用过程中,所有无绳工具都会经历电气和机械应力以及它们必须承受的冲击。因此,保护电路是保护控制电子设备和电机的任何设计的基本要素。

通常,电动工具在使用过程中需要合理地密封,防止灰尘、污垢和湿气进入。虽然这是延长寿命所必需的,但它会妨碍冷却,这意味着需要高效操作,特别是当需要在较高的环境温度下操作工具时。
最后一点是可靠性;特别是对于专业用户,不可靠的工具将过早失效,通过糟糕的客户体验损害制造商的声誉。

无绳电动工具的关键要素
在电气系统中,无绳电动工具通常包括电池、电机驱动电路、保护电路、电机,通常还包括微控制器(MCU)。在大多数情况下,电池是可拆卸的,这意味着电池充电电路位于外部充电器中。
对于无刷直流电机,最常见的驱动拓扑是由来自MCU的PWM信号驱动的三相逆变器。由于大多数无刷直流电机有三个定子绕组,每个绕组由逆变器的一相驱动,并由三个霍尔效应传感器执行感应。
 

图1:三相无刷直流电机驱动概述
 
逆变器的每个相位都需要一个与其他PWM驱动信号相位相差120º的PWM驱动信号。一种方法是MCU产生单相PWM信号,该信号与调制的GPIO线一起使用,以控制电机在所需方向。另一种方法是MCU生成所有三个所需相位,以直接驱动逆变器。
 

图2:有多种可用的PWM电机驱动方案:6PWM(a)、带霍尔传感器的1PWM(b)、3PWM(c)和不带霍尔传感器的1PWM(d)
 
保护电路通常涉及测量关键电压、温度和电流的运算放大器(运算放大器)和/或比较器。虽然这些信号可直接用于限制或关闭电机运行,但在许多情况下,它们直接馈送至MCU,MCU采取适当措施以确保工具的安全运行。
在分立元件中设计和实现无绳电动工具控制系统是可能的,但由于驱动无刷直流电机的相对复杂性,该系统可能体积庞大且需要大量时间。因此,许多设计师更喜欢使用集成驱动器。


英飞凌的尖端硬件/技术能够克服这些挑战
英飞凌的6EDL7141是可用于无绳工具(和其他应用)的三相智能电机驱动器的最新器件之一。这种高度集成的器件包含提供成功无绳工具设计所需的紧凑解决方案所需的所有关键要素。
 

图3:6EDL7141智能三相电机栅极驱动器概述
 
该器件的核心是可编程三相半桥门驱动器,允许设计者配置门驱动器电压和电流。与多种PWM模式(1PWM、3PWM和6PWM)兼容,半桥还提供可编程的死区时间和可配置的开启/关闭模式。此外,还提供了三种电机制动模式(高压侧、低压侧和备用)。
该电路可以为各种MOSFET配置,并且不需要栅极驱动二极管或电阻器,从而减少了外部元件的数量。
内置三个霍尔传感器比较器(带去毛刺),以及三个增益和偏移可调的运算放大器,可用于保护以提高系统可靠性。内置电源管理和DC-DC转换允许宽输入电压范围(5.5 V至70 V),DC-DC转换和LDO调节器提供系统所需的电压。电源部分还包括高压侧和低压侧栅极驱动器充电泵。
虽然集成设计的EMI性能良好,但一个特别有用的功能是能够通过软件配置栅极驱动转换速率来降低EMI,从而允许边缘设计获得认证。


无绳电动工具的首选MOSFET技术OptiMOS™ 6
虽然6EDL7141可以配置为使用各种外部MOSFET以适应各种应用,但英飞凌BSC007N04LS6特别适合于许多应用。OptiMOS™ 6 40 V功率MOSFET系列提供0.7 mΩ的同类最佳RDS(on)和由于低栅极电荷(Qg)而带来的卓越开关性能。MOSFET能够处理超过180 W的功率,并在+175°C的温度下工作,可在具有挑战性的无绳电动工具应用中发挥作用。
英飞凌的OptiMOS™ 6技术确保MOSFET具有优异的性能指标,Qg x RDS(on)比以前的器件提高了29%,Qgd x RDS(on)提高了46%,使设计者能够实现必要的性能。


图4:英飞凌的BSC007N04LS6 OptiMOS™ MOSFET非常适合于无绳电动工具


BSC007N04LS6采用表面贴装、8针、SuperSO8 5x6封装,结构紧凑,易于安装在紧凑的无绳电动工具设计中。

设计支持工具简化配置
作为其工具箱的一部分,6EDL7141可使用英飞凌提供的免费GUI软件轻松配置和调整。直观的软件允许从下拉菜单中选择系统参数,并将配置保存到文件中。GUI还包含电机驱动器固件,可通过集成SPI接口下载到MCU。
GUI还能够在运行期间监控6EDL7141器件及其寄存器的状态,以及控制电机,使其对开发和调试非常有用。
英飞凌的电机驱动评估板(EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH)将很快为设计师提供支持。该电路板针对采用梯形控制的18 V电池供电工具进行了优化。您可以在发布该板时与我们的支持人员联系。
 

图5:英飞凌的高级电机驱动评估板
 
该电路板包括六个BSC007N04LS6 MOSFET,并且可以在电路板的底部安装一个可拆卸的散热器,以改进热管理并提高更大应用的功率处理能力。
基于英飞凌的XMC1400微控制器,该板包括一个调试器,可通过USB直接连接到PC。XMC™微控制器是使用基于Eclipse的IDE DAVE实现的。

使用评估板,用户可以评估基于6EDL7141的电机驱动系统和XMC1400的控制能力,以及包括专为无绳电动工具应用定制的功能的控制算法。

总结
无绳电动工具因其方便、便携和安全而成为许多用户的首选。随着锂离子电池和无刷直流电机的发展,它们的性能现在可以与有线电源供电的工具相媲美。
设计师们面临着一系列的挑战,要想提供符合人体工程学的、小巧、轻便、功能强大的工具,并且能够在充电或更换电池之间长时间运行。此外,无刷直流电机,虽然更轻,更强大,有点更复杂的控制。应对这些挑战的关键是高效的操作和紧凑性,这通常会导致一个集成的解决方案。
英飞凌最新发布的6EDL7141三相智能电机门驱动器提供了一个高度集成的解决方案,包括无绳电动工具设计所需的大部分系统元件。方便的是,MOSFET是外部的,允许设计师从英飞凌市场领先的高效OptiMOS™中选择最合适的器件。
Infineon的XMC™系列微控制器支持6EDL7141,允许使用开发的IDE的DAVE™。此外,基于GUI的应用程序可用于方便地配置和调试驱动器和电机参数。
无绳电动工具市场意义重大且不断增长,因此,英飞凌将继续投资于该市场的集成解决方案。即将推出的电机驱动产品可能包括更高级别的集成和在更高电池电压下运行的能力。
www.innfineon.com
 
 
 


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