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

Pushpak Nandy

Product Marketing Engineer

對高級電機控制的需求

現代電鋸會(huì )需要在一些極端嚴苛的條件下運行。存在獨特的挑戰是，負載可能在幾分之一秒內發(fā)生巨大變化。從最初插入硬木到遇到打結和不同的密度，電鋸的電機必須立即適應，同時(shí)保持精確控制。傳統的電機控制系統經(jīng)常與這些動(dòng)態(tài)條件作斗爭，導致性能不一致、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?？刂葡到y必須提供一致、可預測的性能，無(wú)論是在零速下以最大扭矩開(kāi)始切割，還是在變化的負載下保持穩定運行。再加上惡劣的環(huán)境條件-暴露于灰塵、碎屑、振動(dòng)和天氣-對堅固、復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控制技術(shù)的一種變革性方法。FOC的核心是實(shí)現對電機磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)精確控制。與將電機視為簡(jiǎn)單機械設備的傳統控制方法不同，FOC可以理解為和縱電機內部發(fā)生的復雜電磁相互作用。

這種復雜的控制技術(shù)將電機的電流分為兩個(gè)部分：一個(gè)控制磁通量，另一個(gè)控制扭矩。通過(guò)獨立管理這些組件，FOC實(shí)現了對電機性能的前所未有的控制。系統每秒進(jìn)行數千次持續計算來(lái)調整這些參數，確保在任何操作條件下均能實(shí)現最佳性能。瑞薩利用無(wú)傳感器FOC解決方案取代了傳統的BLDC控制方法，該方法依賴(lài)于霍爾傳感器。通過(guò)消除對物理傳感器的需求，無(wú)傳感器FOC方案降低了系統復雜性和成本，增強了可靠性，同時(shí)提供了精確高效的電機控制。

瑞薩電鋸系統的核心功能

瑞薩電鋸系統 旨在解決電鋸應用的獨特挑戰。

電機控制精度和系統效率： 該系統由 RA4T1 Arm ? Cortex-M33 ? MCU 提供支持，可有效處理復雜的電機控制算法，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等要求苛刻的應用中實(shí)現平穩的電機運行。集成的電機控制外設，包括PWM定時(shí)器和ADC，可確保在不同負載下的精確性能，從而實(shí)現可靠的電動(dòng)工具運行。FOC最大限度地減少了噪音和振動(dòng)，提供安靜、平穩的操作，從而提供更舒適的用戶(hù)體驗。同時(shí)，HFI即使在低速或零速下也能實(shí)現精確的轉子位置檢測，這對于高扭矩啟動(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，還提高了系統的可靠性和耐用性。

安全操作和安全功能： 系統采用 MCU的TrustZone ? 技術(shù)，將電機制動(dòng)和速度調節等關(guān)鍵安全功能與非安全域隔離，防止篡改，確保電動(dòng)工具的安全運行。電鋸系統為高風(fēng)險任務(wù)（如緊急電機停機）提供強大、防篡改的控制。

高功率處理能力和穩健的性能： 該系統包括一個(gè)通用微功率運算放大器和一個(gè)高頻半橋驅動(dòng)器，每個(gè)驅動(dòng)器對于提高操作效率、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算放大器，專(zhuān)為實(shí)現精度和效率而設計。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(cháng)電池壽命并在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持穩定性能的應用。該運算放大器可確保在電鋸中進(jìn)行精確的信號調節和測量，尤其是在電機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(hù)外條件下可靠運行。這些功能轉化為更平穩的電機控制和更好的反饋精度，從而提高電鋸的切割性能和響應能力。

HIP2211 高頻半橋驅動(dòng)器針對在高功率應用中驅動(dòng)NMOSFET進(jìn)行了優(yōu)化。強大的3A拉電流和4A灌電流可實(shí)現向電機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，該驅動(dòng)器支持電機的快速扭矩調整，即使在負載下也能提高響應能力和切割性能。堅固的設計，包括欠壓鎖定（UVLO）保護和高噪聲容限，確保在重型切割任務(wù)中經(jīng)常遇到的電噪聲環(huán)境中穩定運行。

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，能夠將電池的直流電高效轉換為電機的交流電。能夠處理高達54V的電壓和70A的峰值電流，確保在切割致密木材或為重型工業(yè)工具供電等要求苛刻的任務(wù)中可靠運行。其設計支持多種電機尺寸，從用于便攜式工具的小型輕量電機到用于專(zhuān)業(yè)級設備的高扭矩電機，為制造商提供了卓越的通用性。通過(guò)優(yōu)化DC-AC轉換過(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(cháng)了運行時(shí)間和電池壽命。這種效率在無(wú)線(xiàn)工具中特別有價(jià)值，允許用戶(hù)無(wú)需頻繁充電即可工作更長(cháng)時(shí)間。

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

此外，逆變器板的堅固結構和高質(zhì)量組件可確保在極端條件下（如波動(dòng)負載和溫度變化）保持一致的性能，使其在專(zhuān)業(yè)應用中具有高度可靠性。它在重負載下保持穩定動(dòng)力輸出的能力直接提高了電機性能，為精密切割和具有挑戰性的應用提供所需的扭矩和速度。該逆變器板專(zhuān)注于電源效率、耐用性和適應性，提升了電鋸交鑰匙解決方案，提供強大而高效的工具，以滿(mǎn)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)帶有設計文件的交鑰匙解決方案，是一個(gè)即用型系統，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。提供預先測試的PCB設計文件、固件和參考設計，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。隨附的設計文件還確保了可定制性，允許制造商根據特定的產(chǎn)品要求定制解決方案，例如不同的電機尺寸或高級安全功能。

超越鏈鋸

該解決方案可無(wú)縫擴展到各種電動(dòng)工具，從鉆頭和磨床到圓鋸和重型工業(yè)設備。該系統利用磁場(chǎng)定向控制和高頻注入，確保在各種應用中的精確操作和平穩性能。角磨機等工具受益于FOC在不同負載下的扭矩控制，而HFI則提供精確的轉子定位，這對于鉆頭的低速啟動(dòng)至關(guān)重要。逆變器板的多功能設計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)系統的能源效率。交鑰匙設計簡(jiǎn)化了制造商的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，無(wú)需大量的研發(fā)就能快速適應不同的工具規格。這種靈活性使該解決方案成為跨多個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)擴展的絕佳選擇，支持創(chuàng )新，同時(shí)滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)和DIY用戶(hù)的獨特需求。

結論

該解決方案改變了現代電機控制技術(shù)的游戲規則，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、安全的運行和高效的功率處理，它滿(mǎn)足了苛刻應用的性能需求，同時(shí)通過(guò)預先測試的設計文件和可定制的選項簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。該技術(shù)可擴展應用于各種工具，幫助制造商優(yōu)化能源效率，并為從緊湊型無(wú)線(xiàn)設備到重型工業(yè)機械的所有產(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(mǎn)足客戶(hù)期望的差異化產(chǎn)品。