【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品生命周期。了解使用現代無刷直流電機 (BDLC) 與電源應用電機控制器迎接挑戰的設計細節。
在 21 世紀家居中，已經有無數示例充分證明電機這種簡單的日常設備如何通過現代設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，我們已經取得了長足的進展。如今，電機設計已經發展至無刷直流式。這種設計適應了消費者的偏好，同時可提高效率，延長無線設備的續航時間，適合更小巧輕便的設備，并實現更高可靠性。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計規范。
全球真空吸塵器市場的發展趨勢
2018 年，全球真空吸塵器市場規模達到 92 億美元。據 Grand View Research2 稱，這一市場呈現強勁增長趨勢。他們預計，在 2019 年至 2025 年的預測期內，復合年增長率將達到 9.1%，這主要受職業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。
消費者對節能電器操作和環境問題的關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，改進醫院、制造中心、零售商店和醫療設施等環境的衛生實踐，工作場所真空吸塵器的需求不斷增加。
挑戰
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。最終的設計采用了可實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現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傳統的便攜式真空吸塵器。影響設計方案的另一個因素為：在大多數真空吸塵器設計中，轉矩和電機速度都是重要的因素。然而，本例的要求略有不同，它強調了對功率和速度的需求。
客戶的設計規范要求使用配備磁場定向控制 (FOC) 的 PMSM 電機，以實現變頻驅動 (VFD)，滿足產品要求。
// 電機設計縮略語指南 //
● ADC — 模數轉換器
● 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
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磁通發生器，確定可用轉矩。
使用 FOC 和 Qorvo 開發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。經過設計團隊和 Qorvo 數月的通力合作，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，風扇轉速通常可達到每分鐘 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
為實現最佳性能，現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，而轉子隨著循環磁場旋轉。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
● 經濟高效的設計組件
下一節將討論使 Qorvo 和設計團隊能夠滿足這些標準的設計功能。
設計亮點
Qorvo 電源應用控制器 (PAC) 系列3中的 Qorvo CST32251 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）。本設計中的控制板包括集成式電源管理系統、50 MHz 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。可通過增加在不同條件下實現恒定功率輸出的外設 MOSFET 完成集成設計。
圖 1.PMSM 電機控制器和驅動器的功能框圖。
實現超高速電機運轉
超高電機轉速是這個項目的一個重要設計參數，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 2.5 kHz，且為了實現 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，以實現精確的操作，而 Qorvo 開發的 FOC 定制算法旨在滿足這些要求，并加快 FOC 的操作序列。
通過功率調節達到更優效果
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。基于轉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現更加一致的結果。利用 ADC 采集的內部功率水平數據可進行實時計算，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
● 內部電源監控和保護/li>
● 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。
確保快速啟動速度
為確保真空吸塵器的平穩快速啟動，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 向電機發送高頻信號，以捕獲三相電機電感的相關數據。啟動算法可利用這些數據計算轉子位置。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，同時也有助于實現大約 5 秒內的快速啟動速度。
實現經濟高效的設計
將執行電機控制功能的所有邏輯和電路整合到單個 Qorvo PAC 電機控制芯片中是實現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 開發的復雜算法可通過可用的 SoC 硬件實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 顯示了執行這些操作的電路。
圖 2.電機驅動器電路中的關鍵組件。
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，開發可擴展現有技術邊界的解決方案，同時協作設計可平衡性能、效率和成本的產品。
資源和建議
Motor Control Fundamentals for Dummies4 使用清晰、簡潔的術語介紹了電機控制背后的技術，為開發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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