【導(dǎo)讀】了解工程團(tuán)隊(duì)如何滿足無(wú)線吸塵器客戶的嚴(yán)苛要求：超大吸力、小巧輕便以及較長(zhǎng)且可靠的產(chǎn)品生命周期。了解使用現(xiàn)代無(wú)刷直流電機(jī) (BDLC) 與電源應(yīng)用電機(jī)控制器迎接挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
在 21 世紀(jì)家居中，已經(jīng)有無(wú)數(shù)示例充分證明電機(jī)這種簡(jiǎn)單的日常設(shè)備如何通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)成為越來(lái)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(fēng)扇、洗衣機(jī)和吸塵器都使用了電機(jī)。在外面，車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)器、商店真空吸塵器、園藝修剪器、無(wú)繩微耕機(jī)、電動(dòng)割草機(jī)、壓力清洗機(jī)和其他庭院設(shè)備也離不開(kāi)電機(jī)的使用。
20 世紀(jì)初，簡(jiǎn)單的交流電感電機(jī)和有刷直流電機(jī)為洗衣機(jī)、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(zhǎng)足的進(jìn)展。如今，電機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展至無(wú)刷直流式。這種設(shè)計(jì)適應(yīng)了消費(fèi)者的偏好，同時(shí)可提高效率，延長(zhǎng)無(wú)線設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，適合更小巧輕便的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)更高可靠性。能源效率咨詢委員會(huì)1 (ACEE)，即國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 附屬機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)研究表明：“電機(jī)系統(tǒng)用電量占全球 50% 以上，其中絕大多數(shù)電機(jī)用于機(jī)器、泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、傳送帶等。這是提高能源效率的絕佳機(jī)會(huì)。”
本博客文章以一個(gè)工程項(xiàng)目為例，說(shuō)明了 Qorvo 如何通過(guò)使用高級(jí) PMSM（永磁同步電機(jī)）提供異常高的功率和速度，從而幫助滿足大功率無(wú)線吸塵器的設(shè)計(jì)規(guī)范。
全球真空吸塵器市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)
2018 年，全球真空吸塵器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 92 億美元。據(jù) Grand View Research2 稱，這一市場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)趨勢(shì)。他們預(yù)計(jì)，在 2019 年至 2025 年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)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(fèi)者預(yù)期推動(dòng)。
消費(fèi)者對(duì)節(jié)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(zhǎng)。另一個(gè)增長(zhǎng)因素就是，為減少有害粉塵，改進(jìn)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(shí)踐，工作場(chǎng)所真空吸塵器的需求不斷增加。
挑戰(zhàn)
參與這個(gè)項(xiàng)目的真空吸塵器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和 Qorvo 工程師需滿足客戶對(duì)無(wú)線吸塵器的嚴(yán)苛要求。最終的設(shè)計(jì)采用了可實(shí)現(xiàn)最大吸力的高速電機(jī)操作、小巧輕便的外形設(shè)計(jì)以及可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)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(jì)方案的另一個(gè)因素為：在大多數(shù)真空吸塵器設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)矩和電機(jī)速度都是重要的因素。然而，本例的要求略有不同，它強(qiáng)調(diào)了對(duì)功率和速度的需求。
客戶的設(shè)計(jì)規(guī)范要求使用配備磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的 PMSM 電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng) (VFD)，滿足產(chǎn)品要求。
// 電機(jī)設(shè)計(jì)縮略語(yǔ)指南 //
● ADC — 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
● BLDC — 無(wú)刷直流電機(jī)
● FOC — 磁場(chǎng)定向控制
● IEC — 國(guó)際電工委員會(huì)
● MCU — 微控制器單元
● PMSM — 永磁同步電機(jī)
● PWM — 脈寬調(diào)制器
● VFD — 變頻驅(qū)動(dòng)
解決方案
開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，Qorvo 和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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?yàn)樵撾姍C(jī)采用正弦波換向，有助于盡可能地提高性能。該設(shè)計(jì)依靠 FOC 并使用一種用于控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的算法，同時(shí)利用兩個(gè)正交分量來(lái)調(diào)節(jié)磁通發(fā)生器，確定可用轉(zhuǎn)矩。
使用 FOC 和 Qorvo 開(kāi)發(fā)的定制算法可以精確控制電機(jī)速度，并盡可能提高真空吸塵器的整體效率。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)的這款強(qiáng)大且高效的無(wú)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(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)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(jī)的轉(zhuǎn)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(qiáng)制排出時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓確定的。在高端真空吸塵器中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通常可達(dá)到每分鐘 10 萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，比如 Qorvo 參與的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
大功率真空吸塵器的關(guān)鍵組件
為實(shí)現(xiàn)最佳性能，現(xiàn)代手持式真空吸塵器采用無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)，從而可以在電機(jī)外殼內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在這種無(wú)刷設(shè)計(jì)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)。定子線圈的電流由外部電子電機(jī)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(jī)和傳統(tǒng)電感電機(jī)相比，BLDC 設(shè)計(jì)更復(fù)雜，但更具可控性，其優(yōu)點(diǎn)包括運(yùn)行效率高、外形尺寸更小巧、可靠性更高并且具有超長(zhǎng)耐用性。
本項(xiàng)目選用的 BLDC 電機(jī)為正弦波驅(qū)動(dòng)的三相 PMSM，是滿足高性能要求的不二選擇。本項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)包括：
● 超高速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
● 具有過(guò)壓保護(hù)的恒定功率控制
● 快速啟動(dòng)操作
● 經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)組件
下一節(jié)將討論使 Qorvo 和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)功能。
設(shè)計(jì)亮點(diǎn)
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(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心。這款片上系統(tǒng) (SoC) 具有構(gòu)建簡(jiǎn)單、緊湊且具成本效益的電機(jī)控制板所需的全面功能性（見(jiàn)圖 2）。本設(shè)計(jì)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(dòng)器、運(yùn)算放大器、比較器以及其他支持部件。可通過(guò)增加在不同條件下實(shí)現(xiàn)恒定功率輸出的外設(shè) MOSFET 完成集成設(shè)計(jì)。
圖 1.PMSM 電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器的功能框圖。
實(shí)現(xiàn)超高速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
超高電機(jī)轉(zhuǎn)速是這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，旨在使其達(dá)到遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)真空吸塵器的水平。為實(shí)現(xiàn)高達(dá) 150,000 rpm 的機(jī)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(yùn)行。所需的電頻率范圍可達(dá) 2.5 kHz，且為了實(shí)現(xiàn) FOC 的精確控制，ADC 采樣速度和精度必須高達(dá) 1 MSPS，同時(shí)要求 PWM 具有非常精細(xì)的分辨率。微控制器可確保對(duì)這些值進(jìn)行精調(diào)，以實(shí)現(xiàn)精確的操作，而 Qorvo 開(kāi)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(guò)功率調(diào)節(jié)達(dá)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。基于轉(zhuǎn)矩或電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)不能很好地響應(yīng)影響吸力強(qiáng)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(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并可快速進(jìn)行必要的功率調(diào)整。
Qorvo 芯片提供的電機(jī)控制功能也支持多種保護(hù)措施，如：
● 過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)以及過(guò)電流檢測(cè)和調(diào)節(jié)
● 內(nèi)部電源監(jiān)控和保護(hù)/li>
● 堵轉(zhuǎn)保護(hù)
● 開(kāi)路保護(hù)
● MCU 的超溫關(guān)機(jī)和重啟（需要時(shí)）
從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，如果沒(méi)有 Qorvo 芯片提供的計(jì)算能力，控制和保護(hù)真空吸塵器中的電源系統(tǒng)將需要大量附加的設(shè)計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速。這款芯片可提供驅(qū)動(dòng)真空電機(jī)并盡可能提高效率所需的一切。
確保快速啟動(dòng)速度
為確保真空吸塵器的平穩(wěn)快速啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)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(jī)發(fā)送高頻信號(hào)，以捕獲三相電機(jī)電感的相關(guān)數(shù)據(jù)。啟動(dòng)算法可利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。在上一代無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)中，昂貴且易出故障的霍爾傳感器被用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，但在本設(shè)計(jì)中，Qorvo SoC 的內(nèi)置功能便可處理這項(xiàng)任務(wù)，且無(wú)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(dòng)期間的反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)大約 5 秒內(nèi)的快速啟動(dòng)速度。
實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)
將執(zhí)行電機(jī)控制功能的所有邏輯和電路整合到單個(gè) Qorvo PAC 電機(jī)控制芯片中是實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品高性價(jià)比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)避免在設(shè)計(jì)中使用分立元件，可最大限度地減少維護(hù)需求，并延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。高度集成的 SoC 可提供電源、柵極驅(qū)動(dòng)、模擬前端、經(jīng)濟(jì)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(fù)雜算法可通過(guò)可用的 SoC 硬件實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)控制功能。例如，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中那樣需要使用三個(gè)采樣電阻。圖 2 顯示了執(zhí)行這些操作的電路。
圖 2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路中的關(guān)鍵組件。
自定義算法支持設(shè)計(jì)中的電源保護(hù)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(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(jī)功率要求也非常低。
與本設(shè)計(jì)一樣，Qorvo 與客戶密切合作，開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)邊界的解決方案，同時(shí)協(xié)作設(shè)計(jì)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(jiǎn)潔的術(shù)語(yǔ)介紹了電機(jī)控制背后的技術(shù)，為開(kāi)發(fā)無(wú)刷直流電機(jī)解決方案提供了有益的參考。
1. 能源效率咨詢委員會(huì)
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(lái)源：Qorvo半導(dǎo)體，作者：Jose Quinones
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