技術(shù)干貨丨為您的工具提供動(dòng)力：先進(jìn)的電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的性能和效率

Pushpak Nandy

Product Marketing Engineer

對(duì)高級(jí)電機(jī)控制的需求

現(xiàn)代電鋸會(huì)需要在一些極端嚴(yán)苛的條件下運(yùn)行。存在獨(dú)特的挑戰(zhàn)是，負(fù)載可能在幾分之一秒內(nèi)發(fā)生巨大變化。從最初插入硬木到遇到打結(jié)和不同的密度，電鋸的電機(jī)必須立即適應(yīng)，同時(shí)保持精確控制。傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)常與這些動(dòng)態(tài)條件作斗爭(zhēng)，導(dǎo)致性能不一致、效率降低和潛在的安全問(wèn)題。

專(zhuān)業(yè)電鋸的工作者要求鏈鋸在各種條件下都提供可靠的性能。控制系統(tǒng)必須提供一致、可預(yù)測(cè)的性能，無(wú)論是在零速下以最大扭矩開(kāi)始切割，還是在變化的負(fù)載下保持穩(wěn)定運(yùn)行。再加上惡劣的環(huán)境條件-暴露于灰塵、碎屑、振動(dòng)和天氣-對(duì)堅(jiān)固、復(fù)雜的控制解決方案的需求變得顯而易見(jiàn)。

了解磁場(chǎng)定向控制（FOC）

磁場(chǎng)定向控制代表了電機(jī)控制技術(shù)的一種變革性方法。FOC的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)精確控制。與將電機(jī)視為簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)備的傳統(tǒng)控制方法不同，F(xiàn)OC可以理解為和縱電機(jī)內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜電磁相互作用。

這種復(fù)雜的控制技術(shù)將電機(jī)的電流分為兩個(gè)部分：一個(gè)控制磁通量，另一個(gè)控制扭矩。通過(guò)獨(dú)立管理這些組件，F(xiàn)OC實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)性能的前所未有的控制。系統(tǒng)每秒進(jìn)行數(shù)千次持續(xù)計(jì)算來(lái)調(diào)整這些參數(shù)，確保在任何操作條件下均能實(shí)現(xiàn)最佳性能。瑞薩利用無(wú)傳感器FOC解決方案取代了傳統(tǒng)的BLDC控制方法，該方法依賴于霍爾傳感器。通過(guò)消除對(duì)物理傳感器的需求，無(wú)傳感器FOC方案降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，增強(qiáng)了可靠性，同時(shí)提供了精確高效的電機(jī)控制。

瑞薩電鋸系統(tǒng)的核心功能

瑞薩電鋸系統(tǒng) 旨在解決電鋸應(yīng)用的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

電機(jī)控制精度和系統(tǒng)效率： 該系統(tǒng)由 RA4T1 Arm ? Cortex-M33 ? MCU 提供支持，可有效處理復(fù)雜的電機(jī)控制算法，例如采用高頻注入（HFI）的磁場(chǎng)定向控制，從而在電鋸和研磨機(jī)等要求苛刻的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行。集成的電機(jī)控制外設(shè)，包括PWM定時(shí)器和ADC，可確保在不同負(fù)載下的精確性能，從而實(shí)現(xiàn)可靠的電動(dòng)工具運(yùn)行。FOC最大限度地減少了噪音和振動(dòng)，提供安靜、平穩(wěn)的操作，從而提供更舒適的用戶體驗(yàn)。同時(shí)，HFI即使在低速或零速下也能實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，這對(duì)于高扭矩啟動(dòng)場(chǎng)景至關(guān)重要。這種先進(jìn)的控制策略不僅提高了切割功率和效率，還提高了系統(tǒng)的可靠性和耐用性。

安全操作和安全功能： 系統(tǒng)采用 MCU的TrustZone ? 技術(shù)，將電機(jī)制動(dòng)和速度調(diào)節(jié)等關(guān)鍵安全功能與非安全域隔離，防止篡改，確保電動(dòng)工具的安全運(yùn)行。電鋸系統(tǒng)為高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)（如緊急電機(jī)停機(jī)）提供強(qiáng)大、防篡改的控制。

高功率處理能力和穩(wěn)健的性能： 該系統(tǒng)包括一個(gè)通用微功率運(yùn)算放大器和一個(gè)高頻半橋驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)于提高操作效率、可靠性和控制精度都至關(guān)重要。

ISL28114 是一款低功耗、軌到軌輸入和輸出運(yùn)算放大器，專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)精度和效率而設(shè)計(jì)。每通道僅390μA的低功耗和1.8V至5.5V的寬供電電壓范圍，非常適合需要延長(zhǎng)電池壽命并在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持穩(wěn)定性能的應(yīng)用。該運(yùn)算放大器可確保在電鋸中進(jìn)行精確的信號(hào)調(diào)節(jié)和測(cè)量，尤其是在電機(jī)控制和傳感器接口電路中。低輸入偏置電流（最大20pA）和寬工作溫度范圍（-40°C至+125 °C）可在苛刻的戶外條件下可靠運(yùn)行。這些功能轉(zhuǎn)化為更平穩(wěn)的電機(jī)控制和更好的反饋精度，從而提高電鋸的切割性能和響應(yīng)能力。

HIP2211 高頻半橋驅(qū)動(dòng)器針對(duì)在高功率應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)NMOSFET進(jìn)行了優(yōu)化。強(qiáng)大的3A拉電流和4A灌電流可實(shí)現(xiàn)向電機(jī)高效供電所需的高速開(kāi)關(guān)。其集成的115VDC自舉電源確保與高壓應(yīng)用的兼容性，而15ns的快速傳播延遲和精確的延遲匹配（2ns）將開(kāi)關(guān)損耗降至最低，從而提高整體電源效率。在鏈鋸中，該驅(qū)動(dòng)器支持電機(jī)的快速扭矩調(diào)整，即使在負(fù)載下也能提高響應(yīng)能力和切割性能。堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，包括欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)和高噪聲容限，確保在重型切割任務(wù)中經(jīng)常遇到的電噪聲環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

電源管理： 逆變器板是該鏈鋸交鑰匙解決方案的關(guān)鍵組件，能夠?qū)㈦姵氐闹绷麟姼咝мD(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。能夠處理高達(dá)54V的電壓和70A的峰值電流，確保在切割致密木材或?yàn)橹匦凸I(yè)工具供電等要求苛刻的任務(wù)中可靠運(yùn)行。其設(shè)計(jì)支持多種電機(jī)尺寸，從用于便攜式工具的小型輕量電機(jī)到用于專(zhuān)業(yè)級(jí)設(shè)備的高扭矩電機(jī)，為制造商提供了卓越的通用性。通過(guò)優(yōu)化DC-AC轉(zhuǎn)換過(guò)程，逆變器板最大限度地提高了電池效率，減少了能量損失和熱量產(chǎn)生，從而延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間和電池壽命。這種效率在無(wú)線工具中特別有價(jià)值，允許用戶無(wú)需頻繁充電即可工作更長(zhǎng)時(shí)間。

集成高效的電源管理解決方案 RAA212831 ，進(jìn)一步增強(qiáng)了該交鑰匙解決方案的整體性能。這款集成FET的72V、0.5A降壓穩(wěn)壓器可提供出色的電源轉(zhuǎn)換效率，而其雙5V和3.3V低壓差 （LDO） 輸出簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。通過(guò)最大限度地減少功率損耗并提供穩(wěn)定的電壓調(diào)節(jié)，RAA212831可確保逆變器板和相關(guān)組件即使在動(dòng)態(tài)負(fù)載下也能可靠運(yùn)行。其緊湊的集成設(shè)計(jì)還有助于減小PCB尺寸并簡(jiǎn)化制造，使其成為空間受限和高性能應(yīng)用的理想選擇。

此外，逆變器板的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量組件可確保在極端條件下（如波動(dòng)負(fù)載和溫度變化）保持一致的性能，使其在專(zhuān)業(yè)應(yīng)用中具有高度可靠性。它在重負(fù)載下保持穩(wěn)定動(dòng)力輸出的能力直接提高了電機(jī)性能，為精密切割和具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用提供所需的扭矩和速度。該逆變器板專(zhuān)注于電源效率、耐用性和適應(yīng)性，提升了電鋸交鑰匙解決方案，提供強(qiáng)大而高效的工具，以滿足專(zhuān)業(yè)人士和DIY愛(ài)好者的需求。

加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)： 它是一個(gè)帶有設(shè)計(jì)文件的交鑰匙解決方案，是一個(gè)即用型系統(tǒng)，包括所有必要的硬件、軟件和文檔，可無(wú)縫集成到最終產(chǎn)品中，例如鏈鋸和電動(dòng)工具。提供預(yù)先測(cè)試的PCB設(shè)計(jì)文件、固件和參考設(shè)計(jì)，可幫助制造商加快產(chǎn)品上市速度，通過(guò)最大限度地減少研發(fā)需求來(lái)降低開(kāi)發(fā)成本，并專(zhuān)注于產(chǎn)品差異化。隨附的設(shè)計(jì)文件還確保了可定制性，允許制造商根據(jù)特定的產(chǎn)品要求定制解決方案，例如不同的電機(jī)尺寸或高級(jí)安全功能。

超越鏈鋸

該解決方案可無(wú)縫擴(kuò)展到各種電動(dòng)工具，從鉆頭和磨床到圓鋸和重型工業(yè)設(shè)備。該系統(tǒng)利用磁場(chǎng)定向控制和高頻注入，確保在各種應(yīng)用中的精確操作和平穩(wěn)性能。角磨機(jī)等工具受益于FOC在不同負(fù)載下的扭矩控制，而HFI則提供精確的轉(zhuǎn)子定位，這對(duì)于鉆頭的低速啟動(dòng)至關(guān)重要。逆變器板的多功能設(shè)計(jì)可處理不同的電壓和電流要求，優(yōu)化緊湊型電池供電工具和大型工業(yè)系統(tǒng)的能源效率。交鑰匙設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了制造商的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，無(wú)需大量的研發(fā)就能快速適應(yīng)不同的工具規(guī)格。這種靈活性使該解決方案成為跨多個(gè)產(chǎn)品線擴(kuò)展的絕佳選擇，支持創(chuàng)新，同時(shí)滿足專(zhuān)業(yè)和DIY用戶的獨(dú)特需求。

結(jié)論

該解決方案改變了現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的游戲規(guī)則，為電動(dòng)工具制造商提供了先進(jìn)的功能。憑借精密的算法、安全的運(yùn)行和高效的功率處理，它滿足了苛刻應(yīng)用的性能需求，同時(shí)通過(guò)預(yù)先測(cè)試的設(shè)計(jì)文件和可定制的選項(xiàng)簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。該技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用于各種工具，幫助制造商優(yōu)化能源效率，并為從緊湊型無(wú)線設(shè)備到重型工業(yè)機(jī)械的所有產(chǎn)品提供尖端功能。加快上市時(shí)間使制造商能夠創(chuàng)建滿足客戶期望的差異化產(chǎn)品。