【導讀】在 21 世紀家居中，已經(jīng)有無(wú)數示例充分證明，電機這種簡(jiǎn)單的日常設備通過(guò)現代設計成為了越來(lái)越多家用電器不可或缺的組成部分。電機廣泛應用于冰箱、電腦、微波爐、風(fēng)扇、洗衣機和吸塵器等家用電器之中。同時(shí)，車(chē)庫開(kāi)門(mén)器、商店真空吸塵器、園藝修剪器、無(wú)繩微耕機、電動(dòng)割草機、壓力清洗機和其他庭院設備也離不開(kāi)電機的使用。
20 世紀初，簡(jiǎn)單的交流電感電機和有刷直流電機為洗衣機、冰箱和風(fēng)扇提供動(dòng)力，自那時(shí)以來(lái)，我們已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)展。如今，電機設計已經(jīng)發(fā)展至無(wú)刷直流式。這種設計符合消費者的偏好，同時(shí)可提高效率，延長(cháng)無(wú)線(xiàn)設備的續航時(shí)間，適合更小巧輕便的設備，并實(shí)現了更高的可靠性。能源效率咨詢(xún)委員會(huì ) (ACEE)，即國際電工委員會(huì ) (IEC) 附屬機構的一項研究表明，電機系統用電量占全球 50% 以上，其中絕大多數電機用于機器、泵、風(fēng)扇、壓縮機、傳送帶等。研究表明：“這是提高能源效率的絕佳機會(huì )?！?/p>
全球真空吸塵器市場(chǎng)的發(fā)展趨勢
2018 年，全球真空吸塵器市場(chǎng)規模達到 92 億美元 (USD)。據 Grand View Research 稱(chēng)，這一市場(chǎng)呈強勁增長(cháng)趨勢。該機構預計，2019 年至 2025 年的復合年增長(cháng)率 (CAGR) 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(lái)的全新消費者預期推動(dòng)。
消費者對節能電器操作和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注在很大程度上推動(dòng)了這一市場(chǎng)的增長(cháng)。為減少有害粉塵，改進(jìn)醫院、制造中心、零售商店和醫療設施等環(huán)境的衛生實(shí)踐，工作場(chǎng)所真空吸塵器的需求不斷增加，這是另一個(gè)增長(cháng)因素。
挑戰
參與這個(gè)項目的真空吸塵器設計團隊和 Qorvo 工程師需滿(mǎn)足客戶(hù)對無(wú)線(xiàn)吸塵器的嚴苛要求。最終設計采用了可實(shí)現最大吸力的高速電機操作、小巧輕便的外形設計以及可實(shí)現較長(cháng)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傳統的便攜式真空吸塵器。此外，影響設計方案的另一個(gè)因素為：在大多數真空吸塵器設計中，轉矩和電機速度都至關(guān)重要。然而，本例的要求略有不同，它強調了對功率和速度的需求。
客戶(hù)的設計規范要求使用配備磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的 PMSM 電機，以實(shí)現變頻驅動(dòng) (VFD)，滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。
解決方案
開(kāi)始這個(gè)項目時(shí)，Qorvo 和設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。該設計依靠 FOC 并使用一種用于控制定子旋轉磁場(chǎng)的算法，同時(shí)利用兩個(gè)正交分量來(lái)調節磁通發(fā)生器，確定可用轉矩。
FOC 和 Qorvo 開(kāi)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(guò)設計團隊和 Qorvo 數月的通力合作，最終產(chǎn)品成功地滿(mǎn)足了客戶(hù)的產(chǎn)品需求。雙方合作設計的這款強大且高效的無(wú)線(xiàn)真空吸塵器現已上市。
概述 — 真空吸塵器操作
手持式真空吸塵器通過(guò)旋轉電機驅動(dòng)風(fēng)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(gè)袋子或罐子中，并通過(guò)排氣口排出。通常，放置在排出蒸汽中的過(guò)濾器可防止排出微粒。風(fēng)扇電機的轉速和進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的負壓確定的。在高端真空吸塵器中，風(fēng)扇轉速通?？蛇_到每分鐘 10 萬(wàn)轉以上，比如 Qorvo 參與的產(chǎn)品設計。
大功率真空吸塵器的關(guān)鍵組件
為實(shí)現最佳性能，現代手持式真空吸塵器采用無(wú)刷直流 (BLDC) 電機，從而可以在電機外殼內產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。在這種無(wú)刷設計中，定子和線(xiàn)圈是固定的，永磁體附在轉子上，而轉子隨著(zhù)循環(huán)磁場(chǎng)旋轉。定子線(xiàn)圈由外部電子電機控制器控制，從而可以產(chǎn)生可變轉速。與有刷直流電機和傳統電感電機相比，BLDC 設計更復雜，但更具可控性，其優(yōu)點(diǎn)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(cháng)耐用性。
本項目選用的 BLDC 電機為正弦波驅動(dòng)的三相 PMSM，是滿(mǎn)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
● 具有過(guò)壓保護的恒定功率控制
● 快速啟動(dòng)操作
● 經(jīng)濟高效的設計組件
● 下一節將討論使 Qorvo 和設計團隊能夠滿(mǎn)足這些標準的設計功能。
如今，電機設計已經(jīng)發(fā)展至無(wú)刷直流式。
圖 1：PMSM 電機控制器和驅動(dòng)器的功能框圖。
設計亮點(diǎn)
Qorvo 電源應用控制器 (PAC) 系列中的 Qorvo PAC5225 IC 是真空吸塵器項目設計的核心。這款片上系統 (SoC) 具有構建簡(jiǎn)單、緊湊且具成本效益的電機控制板所需的全面功能性（）。本設計中的控制板包括集成式電源管理系統、50MHz 32 位 Arm? Cortex?-M0 微控制器單元 (MCU)、柵極驅動(dòng)器、運算放大器、比較器以及其他支持部件?？赏ㄟ^(guò)增加在不同條件下實(shí)現恒定功率輸出的外設 MOSFET 完成集成設計。
實(shí)現超高速電機運轉
超高電機轉速是這個(gè)項目的一個(gè)重要設計參數，旨在實(shí)現遠高于市場(chǎng)上標準真空吸塵器的水平。為實(shí)現高達 150,000 rpm 的機械速度，要求密切管理由 Arm? Cortex?-M0 MCU 控制的模數轉換器 (ADC) 和脈寬調制器 (PWM) 的運行。所需的電頻率范圍可達 2.5kHz，且為了實(shí)現 FOC 的精確控制，ADC 采樣速度和精度必須高達 1MSPS，同時(shí)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(jìn)行精調，以實(shí)現精確的操作，而 Qorvo 開(kāi)發(fā)的 FOC 定制算法旨在滿(mǎn)足這些要求，并加快 FOC 的操作序列。
通過(guò)功率調節達到更優(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(fēng)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(mǎn)灰塵和碎屑的排氣過(guò)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?；谵D矩或電機轉速調節的設計不能很好地響應影響吸力強度的所有因素，而由集成在 SoC 中的微控制器監控并由定制的 Qorvo FOC 算法控制的調節功率可實(shí)現更加一致的結果。利用 ADC 采集的內部功率水平數據可進(jìn)行實(shí)時(shí)計算，并可快速進(jìn)行必要的功率調整。
Qorvo 芯片提供的電機控制功能也支持多種保護措施，如：
● 過(guò)壓保護、欠壓保護以及過(guò)電流檢測和調節
● 內部電源監控和保護
● 堵轉保護
● 開(kāi)路保護
● MCU 的超溫關(guān)機和重啟（需要時(shí)）
從設計角度來(lái)看，如果沒(méi)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將需要大量附加的設計工作和許多額外的組件。通過(guò)將 Qorvo SoC 集成到產(chǎn)品中，可以在各種條件下保持 120,000 rpm 的恒定電機轉速。這款芯片可提供驅動(dòng)真空電機并盡可能提高效率所需的一切。
確?？焖賳?dòng)速度
為確保真空吸塵器的平穩快速啟動(dòng)，電機啟動(dòng)算法需要使用轉子位置信息。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)數據。啟動(dòng)算法利用這些數據計算轉子位置。在上一代無(wú)刷電機設計中，昂貴且易出故障的霍爾傳感器被用來(lái)檢測轉子位置。但在本設計中，Qorvo SoC 的內置功能便可處理這項任務(wù)，且無(wú)需任何額外的霍爾傳感器組件。
轉子位置的信息使其有可能避免啟動(dòng)期間的反向旋轉，同時(shí)也有助于實(shí)現大約 5 秒內的快速啟動(dòng)速度。
實(shí)現經(jīng)濟高效的設計
將執行電機控制功能的所有邏輯和電路整合到單個(gè) Qorvo PAC 電機控制芯片中是實(shí)現本產(chǎn)品高性?xún)r(jià)比設計的關(guān)鍵。通過(guò)避免在設計中使用分立元件，可最大限度地減少維護需求，并延長(cháng)產(chǎn)品生命周期。高度集成的 SoC 可提供電源、柵極驅動(dòng)、模擬前端、經(jīng)濟實(shí)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(kāi)發(fā)的復雜算法可通過(guò)可用的 SoC 硬件實(shí)現各種電機控制功能。例如，本設計采用基于單電阻采樣方法的無(wú)傳感器 FOC 控制，不像許多上一代設計中那樣需要使用三個(gè)采樣電阻。圖 2 顯示了執行這些操作的電路。
自定義算法支持設計中的電源保護和高效功能，同時(shí)可降低整體功耗，并在更大范圍的條件下實(shí)現驚人的性能。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。
與本設計一樣，Qorvo 與客戶(hù)密切合作，開(kāi)發(fā)可擴展現有技術(shù)邊界的解決方案，同時(shí)協(xié)作設計可平衡性能、效率和成本的產(chǎn)品。
圖 2：電機驅動(dòng)器電路中的關(guān)鍵組件。
電機設計縮略語(yǔ)指南
ADC — 模數轉換器
BLDC — 無(wú)刷直流電機
FOC — 磁場(chǎng)定向控制
IEC — 國際電工委員會(huì )
MCU — 微控制器單元
PMSM — 永磁同步電機
PWM — 脈寬調制器
VFD — 變頻驅動(dòng)
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