【導讀】了解工程團隊如何滿足無線吸塵器客戶的嚴苛要求：超大吸力、小巧輕便以及較長且可靠的產(chǎn)品生命周期。了解使用現(xiàn)代無刷直流電機 (BDLC) 與電源應(yīng)用電機控制器迎接挑戰(zhàn)的設(shè)計細節(jié)。
在 21 世紀家居中，已經(jīng)有無數(shù)示例充分證明電機這種簡單的日常設(shè)備如何通過現(xiàn)代設(shè)計成為越來越多家用電器不可或缺的組成部分。在家里，冰箱、電腦、微波爐、風扇、洗衣機和吸塵器都使用了電機。在外面，車庫開門器、商店真空吸塵器、園藝修剪器、無繩微耕機、電動割草機、壓力清洗機和其他庭院設(shè)備也離不開電機的使用。
20 世紀初，簡單的交流電感電機和有刷直流電機為洗衣機、冰箱和風扇提供動力，自那時以來，我們已經(jīng)取得了長足的進展。如今，電機設(shè)計已經(jīng)發(fā)展至無刷直流式。這種設(shè)計適應(yīng)了消費者的偏好，同時可提高效率，延長無線設(shè)備的續(xù)航時間，適合更小巧輕便的設(shè)備，并實現(xiàn)更高可靠性。能源效率咨詢委員會1 (ACEE)，即國際電工委員會 (IEC) 附屬機構(gòu)的一項研究表明：“電機系統(tǒng)用電量占全球 50% 以上，其中絕大多數(shù)電機用于機器、泵、風扇、壓縮機、傳送帶等。這是提高能源效率的絕佳機會。”
本博客文章以一個工程項目為例，說明了 Qorvo 如何通過使用高級 PMSM（永磁同步電機）提供異常高的功率和速度，從而幫助滿足大功率無線吸塵器的設(shè)計規(guī)范。
全球真空吸塵器市場的發(fā)展趨勢
2018 年，全球真空吸塵器市場規(guī)模達到 92 億美元。據(jù) Grand View Research2 稱，這一市場呈現(xiàn)強勁增長趨勢。他們預計，在 2019 年至 2025 年的預測期內(nèi)，復合年增長率將達到 9.1%，這主要受職業(yè)女性人口增加以及生活水平提高帶來的全新消費者預期推動。
消費者對節(jié)能電器操作和環(huán)境問題的關(guān)注在很大程度上推動了這一市場的增長。另一個增長因素就是，為減少有害粉塵，改進醫(yī)院、制造中心、零售商店和醫(yī)療設(shè)施等環(huán)境的衛(wèi)生實踐，工作場所真空吸塵器的需求不斷增加。
挑戰(zhàn)
參與這個項目的真空吸塵器設(shè)計團隊和 Qorvo 工程師需滿足客戶對無線吸塵器的嚴苛要求。最終的設(shè)計采用了可實現(xiàn)最大吸力的高速電機操作、小巧輕便的外形設(shè)計以及可實現(xiàn)較長且可靠產(chǎn)品生命周期的組件。該真空吸塵器要求的吸力水平高于大多數(shù)傳統(tǒng)的便攜式真空吸塵器。影響設(shè)計方案的另一個因素為：在大多數(shù)真空吸塵器設(shè)計中，轉(zhuǎn)矩和電機速度都是重要的因素。然而，本例的要求略有不同，它強調(diào)了對功率和速度的需求。
客戶的設(shè)計規(guī)范要求使用配備磁場定向控制 (FOC) 的 PMSM 電機，以實現(xiàn)變頻驅(qū)動 (VFD)，滿足產(chǎn)品要求。
// 電機設(shè)計縮略語指南 //
● ADC — 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
● BLDC — 無刷直流電機
● FOC — 磁場定向控制
● IEC — 國際電工委員會
● MCU — 微控制器單元
● PMSM — 永磁同步電機
● PWM — 脈寬調(diào)制器
● VFD — 變頻驅(qū)動
解決方案
開始這個項目時，Qorvo 和設(shè)計團隊就知道最終產(chǎn)品將是一款高性能真空吸塵器，因此他們選擇使用三相 PMSM，因為該電機采用正弦波換向，有助于盡可能地提高性能。該設(shè)計依靠 FOC 并使用一種用于控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的算法，同時利用兩個正交分量來調(diào)節(jié)磁通發(fā)生器，確定可用轉(zhuǎn)矩。
使用 FOC 和 Qorvo 開發(fā)的定制算法可以精確控制電機速度，并盡可能提高真空吸塵器的整體效率。經(jīng)過設(shè)計團隊和 Qorvo 數(shù)月的通力合作，最終產(chǎn)品成功地滿足了客戶的產(chǎn)品需求。雙方合作設(shè)計的這款強大且高效的無線真空吸塵器現(xiàn)已上市。
概述 — 真空吸塵器操作
手持式真空吸塵器通過旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動風扇產(chǎn)生吸力，而吸力將空氣從吸塵器的頭部抽出，然后將吸入的灰塵和碎片收集在一個袋子或罐子中，并通過排氣口排出。通常，放置在排出蒸汽中的過濾器可防止排出微粒。風扇電機的轉(zhuǎn)速和進氣口（或附件）的尺寸決定了吸力大小，這是由從頭部抽走空氣并從排氣口強制排出時產(chǎn)生的負壓確定的。在高端真空吸塵器中，風扇轉(zhuǎn)速通常可達到每分鐘 10 萬轉(zhuǎn)以上，比如 Qorvo 參與的產(chǎn)品設(shè)計。
大功率真空吸塵器的關(guān)鍵組件
為實現(xiàn)最佳性能，現(xiàn)代手持式真空吸塵器采用無刷直流 (BLDC) 電機，從而可以在電機外殼內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在這種無刷設(shè)計中，定子和線圈是固定的，永磁體附在轉(zhuǎn)子上，而轉(zhuǎn)子隨著循環(huán)磁場旋轉(zhuǎn)。定子線圈的電流由外部電子電機控制器精確控制，從而可以產(chǎn)生可變轉(zhuǎn)速。與有刷直流電機和傳統(tǒng)電感電機相比，BLDC 設(shè)計更復雜，但更具可控性，其優(yōu)點包括運行效率高、外形尺寸更小巧、可靠性更高并且具有超長耐用性。
本項目選用的 BLDC 電機為正弦波驅(qū)動的三相 PMSM，是滿足高性能要求的不二選擇。本項目的標準包括：
● 超高速電機運轉(zhuǎn)
● 具有過壓保護的恒定功率控制
● 快速啟動操作
● 經(jīng)濟高效的設(shè)計組件
下一節(jié)將討論使 Qorvo 和設(shè)計團隊能夠滿足這些標準的設(shè)計功能。
設(shè)計亮點
Qorvo 電源應(yīng)用控制器 (PAC) 系列3中的 Qorvo CST32251 IC 是真空吸塵器項目設(shè)計的核心。這款片上系統(tǒng) (SoC) 具有構(gòu)建簡單、緊湊且具成本效益的電機控制板所需的全面功能性（見圖 2）。本設(shè)計中的控制板包括集成式電源管理系統(tǒng)、50 MHz 32 位 ARM Cortex-M0 微控制器單元 (MCU)、柵極驅(qū)動器、運算放大器、比較器以及其他支持部件。可通過增加在不同條件下實現(xiàn)恒定功率輸出的外設(shè) MOSFET 完成集成設(shè)計。
圖 1.PMSM 電機控制器和驅(qū)動器的功能框圖。
實現(xiàn)超高速電機運轉(zhuǎn)
超高電機轉(zhuǎn)速是這個項目的一個重要設(shè)計參數(shù)，旨在使其達到遠高于市場上標準真空吸塵器的水平。為實現(xiàn)高達 150,000 rpm 的機械速度，要求密切管理由 ARM Cortex M0 MCU 控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和脈寬調(diào)制器 (PWM) 的運行。所需的電頻率范圍可達 2.5 kHz，且為了實現(xiàn) FOC 的精確控制，ADC 采樣速度和精度必須高達 1 MSPS，同時要求 PWM 具有非常精細的分辨率。微控制器可確保對這些值進行精調(diào)，以實現(xiàn)精確的操作，而 Qorvo 開發(fā)的 FOC 定制算法旨在滿足這些要求，并加快 FOC 的操作序列。
通過功率調(diào)節(jié)達到更優(yōu)效果
真空吸塵器的吸力受到許多不同因素的影響，包括不同附件的風管體積、電池電量、堵塞真空吸塵器的任何吸入物體以及充滿灰塵和碎屑的排氣過濾器。從這方面講，在不斷變化的條件下保持恒定功率是盡可能增大吸力的關(guān)鍵。基于轉(zhuǎn)矩或電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的設(shè)計不能很好地響應(yīng)影響吸力強度的所有因素，而由集成在 SoC 中的微控制器監(jiān)控并由定制的 Qorvo FOC 算法控制的調(diào)節(jié)功率可實現(xiàn)更加一致的結(jié)果。利用 ADC 采集的內(nèi)部功率水平數(shù)據(jù)可進行實時計算，并可快速進行必要的功率調(diào)整。
Qorvo 芯片提供的電機控制功能也支持多種保護措施，如：
● 過壓保護、欠壓保護以及過電流檢測和調(diào)節(jié)
● 內(nèi)部電源監(jiān)控和保護/li>
● 堵轉(zhuǎn)保護
● 開路保護
● MCU 的超溫關(guān)機和重啟（需要時）
從設(shè)計角度來看，如果沒有 Qorvo 芯片提供的計算能力，控制和保護真空吸塵器中的電源系統(tǒng)將需要大量附加的設(shè)計工作和許多額外的組件。通過將 Qorvo SoC 集成到產(chǎn)品中，可以在各種條件下保持 120,000 rpm 的恒定電機轉(zhuǎn)速。這款芯片可提供驅(qū)動真空電機并盡可能提高效率所需的一切。
確保快速啟動速度
為確保真空吸塵器的平穩(wěn)快速啟動，電機啟動算法需要使用轉(zhuǎn)子位置信息。為獲取這一信息，Qorvo 使用其 SoC 向電機發(fā)送高頻信號，以捕獲三相電機電感的相關(guān)數(shù)據(jù)。啟動算法可利用這些數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)子位置。在上一代無刷電機設(shè)計中，昂貴且易出故障的霍爾傳感器被用來檢測轉(zhuǎn)子位置，但在本設(shè)計中，Qorvo SoC 的內(nèi)置功能便可處理這項任務(wù)，且無需任何額外的霍爾傳感器組件。
轉(zhuǎn)子位置的信息使其有可能避免啟動期間的反向旋轉(zhuǎn)，同時也有助于實現(xiàn)大約 5 秒內(nèi)的快速啟動速度。
實現(xiàn)經(jīng)濟高效的設(shè)計
將執(zhí)行電機控制功能的所有邏輯和電路整合到單個 Qorvo PAC 電機控制芯片中是實現(xiàn)本產(chǎn)品高性價比設(shè)計的關(guān)鍵。通過避免在設(shè)計中使用分立元件，可最大限度地減少維護需求，并延長產(chǎn)品生命周期。高度集成的 SoC 可提供電源、柵極驅(qū)動、模擬前端、經(jīng)濟實惠的 ARM 嵌入式處理器以及其他部件，從而降低物料清單 (BOM) 成本。
Qorvo 開發(fā)的復雜算法可通過可用的 SoC 硬件實現(xiàn)各種電機控制功能。例如，本設(shè)計采用基于單電阻采樣方法的無傳感器 FOC 控制，不像許多上一代設(shè)計中那樣需要使用三個采樣電阻。圖 2 顯示了執(zhí)行這些操作的電路。
圖 2.電機驅(qū)動器電路中的關(guān)鍵組件。
自定義算法支持設(shè)計中的電源保護和高效功能，同時可降低整體功耗，并在更大范圍的條件下實現(xiàn)驚人的性能。在睡眠模式下，Qorvo PAC 控制的功耗為 12 微安，而真空吸塵器的待機功率要求也非常低。
與本設(shè)計一樣，Qorvo 與客戶密切合作，開發(fā)可擴展現(xiàn)有技術(shù)邊界的解決方案，同時協(xié)作設(shè)計可平衡性能、效率和成本的產(chǎn)品。
資源和建議
Motor Control Fundamentals for Dummies4 使用清晰、簡潔的術(shù)語介紹了電機控制背后的技術(shù)，為開發(fā)無刷直流電機解決方案提供了有益的參考。
1. 能源效率咨詢委員會
https://www.iec.ch/blog/apply-energy-efficiency-concepts-electric-motors
2. Grand View Research
https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/vacuum-cleaner-market
3. Qorvo 電源應(yīng)用控制器 (PAC) 系列
https://www.qorvo.com/products/power-management/intelligent-motor-controllers
4. Motor Control Fundamentals for Dummies
https://www.qorvo.com/design-hub/ebooks/motor-control-for-dummies
來源：Qorvo半導體，作者：Jose Quinones
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