【導讀】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備通過現(xiàn)代設計成為了越來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、風扇、洗衣機和吸塵器等家用電器之中。同時，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，電機設計已經(jīng)發(fā)展至無刷直流式。這種設計符合消費者的偏好，同時可提高效率，延長無線設備的續(xù)航時間，適合更小巧輕便的設備，并實現(xiàn)了更高的可靠性。能源效率咨詢委員會 (ACEE)，即國際電工委員會 (IEC) 附屬機構的一項研究表明，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。研究表明：“這是提高能源效率的絕佳機會?！?/p>
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 (USD)。據(jù) Grand View Research 稱，這一市場呈強勁增長趨勢。該機構預計，2019 年至 2025 年的復合年增長率 (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)境問題的關注在很大程度上推動了這一市場的增長。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，這是另一個增長因素。
挑戰(zhàn)
參與這個項目的真空吸塵器設計團隊和 Qorvo 工程師需滿足客戶對無線吸塵器的嚴苛要求。最終設計采用了可實現(xiàn)最大吸力的高速電機操作、小巧輕便的外形設計以及可實現(xiàn)較長且可靠產品生命周期的組件。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。此外，影響設計方案的另一個因素為：在大多數(shù)真空吸塵器設計中，轉矩和電機速度都至關重要。然而，本例的要求略有不同，它強調了對功率和速度的需求。
客戶的設計規(guī)范要求使用配備磁場定向控制 (FOC) 的 PMSM 電機，以實現(xiàn)變頻驅動 (VFD)，滿足產品要求。
解決方案
開始這個項目時，Qorvo 和設計團隊就知道最終產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的算法，同時利用兩個正交分量來調節(jié)磁通發(fā)生器，確定可用轉矩。
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)過設計團隊和 Qorvo 數(shù)月的通力合作，最終產品成功地滿足了客戶的產品需求。雙方合作設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電機驅動風扇產生吸力，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生的負壓確定的。在高端真空吸塵器中，風扇轉速通?？蛇_到每分鐘 10 萬轉以上，比如 Qorvo 參與的產品設計。
大功率真空吸塵器的關鍵組件
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產生旋轉磁場。在這種無刷設計中，定子和線圈是固定的，永磁體附在轉子上，而轉子隨著循環(huán)磁場旋轉。定子線圈由外部電子電機控制器控制，從而可以產生可變轉速。與有刷直流電機和傳統(tǒng)電感電機相比，BLDC 設計更復雜，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
● 具有過壓保護的恒定功率控制
● 快速啟動操作
● 經(jīng)濟高效的設計組件
● 下一節(jié)將討論使 Qorvo 和設計團隊能夠滿足這些標準的設計功能。
如今，電機設計已經(jīng)發(fā)展至無刷直流式。
圖 1：PMSM 電機控制器和驅動器的功能框圖。
設計亮點
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(tǒng) (SoC) 具有構建簡單、緊湊且具成本效益的電機控制板所需的全面功能性（）。本設計中的控制板包括集成式電源管理系統(tǒng)、50MHz 32 位 Arm? Cortex?-M0 微控制器單元 (MCU)、柵極驅動器、運算放大器、比較器以及其他支持部件?？赏ㄟ^增加在不同條件下實現(xiàn)恒定功率輸出的外設 MOSFET 完成集成設計。
實現(xiàn)超高速電機運轉
超高電機轉速是這個項目的一個重要設計參數(shù)，旨在實現(xiàn)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，且為了實現(xiàn) FOC 的精確控制，ADC 采樣速度和精度必須高達 1MSPS，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，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鍵?；谵D矩或電機轉速調節(jié)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(jiān)控并由定制的 Qorvo FOC 算法控制的調節(jié)功率可實現(xiàn)更加一致的結果。利用 ADC 采集的內部功率水平數(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節(jié)
● 內部電源監(jiān)控和保護
● 堵轉保護
● 開路保護
● MCU 的超溫關機和重啟（需要時）
從設計角度來看，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計工作和許多額外的組件。通過將 Qorvo SoC 集成到產品中，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真空電機并盡可能提高效率所需的一切。
確?？焖賳铀俣?/p>
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數(shù)據(jù)。啟動算法利用這些數(shù)據(jù)計算轉子位置。在上一代無刷電機設計中，昂貴且易出故障的霍爾傳感器被用來檢測轉子位置。但在本設計中，Qorvo SoC 的內置功能便可處理這項任務，且無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期間的反向旋轉，同時也有助于實現(xiàn)大約 5 秒內的快速啟動速度。
實現(xiàn)經(jīng)濟高效的設計
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)本產品高性價比設計的關鍵。通過避免在設計中使用分立元件，可最大限度地減少維護需求，并延長產品生命周期。高度集成的 SoC 可提供電源、柵極驅動、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。
自定義算法支持設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。
與本設計一樣，Qorvo 與客戶密切合作，開發(fā)可擴展現(xiàn)有技術邊界的解決方案，同時協(xié)作設計可平衡性能、效率和成本的產品。
圖 2：電機驅動器電路中的關鍵組件。
電機設計縮略語指南
ADC — 模數(shù)轉換器
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 — 脈寬調制器
VFD — 變頻驅動
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