技術干貨丨為您的工具提供動力：先進的電機控制，實現無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，同時保持精確控制。傳統的電機控制系統經常與這些動態條件作斗爭，導致性能不一致、效率降低和潛在的安全問題。

專業電鋸的工作者要求鏈鋸在各種條件下都提供可靠的性能。控制系統必須提供一致、可預測的性能，無論是在零速下以最大扭矩開始切割，還是在變化的負載下保持穩定運行。再加上惡劣的環境條件-暴露于灰塵、碎屑、振動和天氣-對堅固、復雜的控制解決方案的需求變得顯而易見。

了解磁場定向控制（FOC）

磁場定向控制代表了電機控制技術的一種變革性方法。FOC的核心是實現對電機磁場的實時精確控制。與將電機視為簡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生的復雜電磁相互作用。

這種復雜的控制技術將電機的電流分為兩個部分：一個控制磁通量，另一個控制扭矩。通過獨立管理這些組件，FOC實現了對電機性能的前所未有的控制。系統每秒進行數千次持續計算來調整這些參數，確保在任何操作條件下均能實現最佳性能。瑞薩利用無傳感器FOC解決方案取代了傳統的BLDC控制方法，該方法依賴于霍爾傳感器。通過消除對物理傳感器的需求，無傳感器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）的磁場定向控制，從而在電鋸和研磨機等要求苛刻的應用中實現平穩的電機運行。集成的電機控制外設，包括PWM定時器和ADC，可確保在不同負載下的精確性能，從而實現可靠的電動工具運行。FOC最大限度地減少了噪音和振動，提供安靜、平穩的操作，從而提供更舒適的用戶體驗。同時，HFI即使在低速或零速下也能實現精確的轉子位置檢測，這對于高扭矩啟動場景至關重要。這種先進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，將電機制動和速度調節等關鍵安全功能與非安全域隔離，防止篡改，確保電動工具的安全運行。電鋸系統為高風險任務（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： 該系統包括一個通用微功率運算放大器和一個高頻半橋驅動器，每個驅動器對于提高操作效率、可靠性和控制精度都至關重要。

ISL28114 是一款低功耗、軌到軌輸入和輸出運算放大器，專為實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，非常適合需要延長電池壽命并在動態環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 高頻半橋驅動器針對在高功率應用中驅動NMOSFET進行了優化。強大的3A拉電流和4A灌電流可實現向電機高效供電所需的高速開關。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）將開關損耗降至最低，從而提高整體電源效率。在鏈鋸中，該驅動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中經常遇到的電噪聲環境中穩定運行。

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工具供電等要求苛刻的任務中可靠運行。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業級設備的高扭矩電機，為制造商提供了卓越的通用性。通過優化DC-AC轉換過程，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生，從而延長了運行時間和電池壽命。這種效率在無線工具中特別有價值，允許用戶無需頻繁充電即可工作更長時間。

集成高效的電源管理解決方案 RAA212831 ，進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） 輸出簡化了整個系統的電源設計。通過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組件即使在動態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量組件可確保在極端條件下（如波動負載和溫度變化）保持一致的性能，使其在專業應用中具有高度可靠性。它在重負載下保持穩定動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，以滿足專業人士和DIY愛好者的需求。

加速產品開發： 它是一個帶有設計文件的交鑰匙解決方案，是一個即用型系統，包括所有必要的硬件、軟件和文檔，可無縫集成到最終產品中，例如鏈鋸和電動工具。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品上市速度，通過最大限度地減少研發需求來降低開發成本，并專注于產品差異化。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

該解決方案可無縫擴展到各種電動工具，從鉆頭和磨床到圓鋸和重型工業設備。該系統利用磁場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至關重要。逆變器板的多功能設計可處理不同的電壓和電流要求，優化緊湊型電池供電工具和大型工業系統的能源效率。交鑰匙設計簡化了制造商的產品開發，無需大量的研發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產品線擴展的絕佳選擇，支持創新，同時滿足專業和DIY用戶的獨特需求。

結論

該解決方案改變了現代電機控制技術的游戲規則，為電動工具制造商提供了先進的功能。憑借精密的算法、安全的運行和高效的功率處理，它滿足了苛刻應用的性能需求，同時通過預先測試的設計文件和可定制的選項簡化了開發。該技術可擴展應用于各種工具，幫助制造商優化能源效率，并為從緊湊型無線設備到重型工業機械的所有產品提供尖端功能。加快上市時間使制造商能夠創建滿足客戶期望的差異化產品。