"كورفو" تعزز أجهزة الفراغ بدون سلك مع التحكم المتقدم بالمحركات

هل تخيلت يومًا أن مكنسة كهربائية لاسلكية مدمجة يمكن أن توفر قوة شفط تضاهي المعدات الاحترافية؟ في موجة تقنية المنزل الذكي في القرن الحادي والعشرين، يتم تنشيط المحركات الكهربائية التي كانت بسيطة في السابق من خلال مفاهيم التصميم الحديثة، والتي تتغلغل في كل جانب من جوانب حياتنا. من الثلاجات وأجهزة الكمبيوتر إلى الغسالات والمكانس الكهربائية، المحركات الكهربائية موجودة في كل مكان. في الخارج، تعمل أبواب المرآب وأدوات الحديقة على حد سواء.

بالنظر إلى أوائل القرن العشرين، كانت محركات الحث المتردد البسيطة ومحركات التيار المستمر ذات الفرشاة قادرة على تلبية الاحتياجات الأساسية. اليوم، أصبحت تصميمات محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة (BLDC) هي السائدة، فهي لا تلبي فقط طلبات المستهلكين على الأجهزة اللاسلكية الفعالة وطويلة الأمد، بل تجعل الأجهزة أيضًا أكثر إحكامًا وموثوقية ومتانة.

بلغ سوق المكانس الكهربائية العالمي 9.2 مليار دولار في عام 2018 ويستمر في النمو بقوة. وفقًا لـ Grand View Research، من المتوقع أن يتوسع السوق بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 9.1٪ بين عامي 2019 و 2025. هذا النمو مدفوع بشكل أساسي بالعدد المتزايد من النساء العاملات وارتفاع مستويات المعيشة التي تخلق توقعات جديدة للمستهلكين. في الوقت نفسه، أصبح اهتمام المستهلكين بكفاءة الطاقة والاعتبارات البيئية في الأجهزة المنزلية محركًا رئيسيًا للسوق.

في هذا المشروع التعاوني، واجه فريق تصميم المكانس الكهربائية ومهندسو Qorvo سلسلة من المتطلبات الصعبة. لقد احتاجوا إلى إنشاء مكنسة كهربائية لاسلكية تجمع بين الشفط القوي من سرعات الدوران العالية جدًا مع تصميم خفيف الوزن ومحمول وعمر منتج طويل. تجاوزت قوة الشفط المطلوبة بشكل كبير تلك الموجودة في معظم المنتجات المحمولة التقليدية في السوق.

دعت مواصفات العميل صراحةً إلى محرك متزامن بمغناطيس دائم (PMSM) مع تقنية التحكم الموجه بالمجال (FOC) لتحقيق وظيفة محرك التردد المتغير (VFD)، مما يلبي متطلبات الأداء القصوى للمنتج.

أدركت Qorvo وفريق التصميم أن المنتج النهائي سيكون مكنسة كهربائية لاسلكية عالية الأداء. لذلك، اختاروا محرك PMSM ثلاثي الأطوار بتقنية تبديل الموجة الجيبية لزيادة الأداء إلى أقصى حد. يكمن جوهر التصميم في تقنية FOC، التي تستخدم خوارزمية متطورة للتحكم في المجال المغناطيسي الدوار للملف الثابت، وتعديل توليد التدفق من خلال مكونين متعامدين وتحديد عزم الدوران المتاح للمحرك بدقة.

تستخدم المكانس الكهربائية المحمولة الحديثة عادةً محركات BLDC التي تولد مجالات مغناطيسية دوارة داخليًا. في هذا التصميم عديم الفرشاة، يظل الملف الثابت ثابتًا مع ملفات ثابتة، بينما يتم تركيب مغناطيسات دائمة على الدوار، والذي يدور وفقًا للمجال المغناطيسي الدوري الذي تولده ملفات الملف الثابت. يتم توصيل التيار بدقة إلى ملفات الملف الثابت بواسطة وحدة تحكم إلكترونية خارجية للمحرك، مما يتيح سرعات متغيرة.

شريحة Qorvo PAC5225، وهي جزء من سلسلة Qorvo Power Application Controller (PAC)، هي جوهر تصميم هذه المكنسة الكهربائية. توفر هذه الشريحة المتكاملة للغاية (SoC) وظائف شاملة لبناء لوحة تحكم محرك بسيطة ومدمجة وفعالة من حيث التكلفة. تدمج لوحة التصميم نظام إدارة الطاقة، ووحدة تحكم دقيقة ARM Cortex-M0 32 بت بسرعة 50 ميجاهرتز (MCU)، ومشغلات البوابة، والمضخمات التشغيلية، والمقارنات، والمكونات المساعدة الأخرى.

كان الوصول إلى سرعات محرك استثنائية معلمة رئيسية في تصميم هذا المشروع، بهدف تجاوز مستويات أداء المكانس الكهربائية القياسية بشكل كبير. لتحقيق سرعات ميكانيكية تصل إلى 150,000 دورة في الدقيقة، كان التنسيق الدقيق بين المحول التناظري الرقمي (ADC) ومعدل عرض النبضة (PWM) الذي يتحكم فيه ARM Cortex M0 MCU مطلوبًا.

تتأثر قوة شفط المكنسة الكهربائية بعوامل متعددة، بما في ذلك حجم مجرى الهواء للمرفقات المختلفة، ومستوى البطارية، والانسدادات من الأجسام الغريبة، وتشبع الفلتر. في ظل هذه الظروف المتغيرة، يعد الحفاظ على خرج طاقة ثابت أمرًا بالغ الأهمية لزيادة قوة الشفط إلى أقصى حد.

لضمان بدء تشغيل سلس وسريع، تحتاج خوارزمية بدء تشغيل المحرك إلى معلومات موضع الدوار. ترسل شريحة Qorvo SoC إشارات عالية التردد إلى المحرك لالتقاط بيانات الحث للمحرك ثلاثي الأطوار، والتي تستخدمها خوارزمية بدء التشغيل لحساب موضع الدوار.

كان دمج جميع وظائف التحكم في المحرك في شريحة تحكم محرك Qorvo PAC واحدة مفتاحًا لتحقيق تصميم منتج فعال من حيث التكلفة. من خلال تجنب المكونات المنفصلة، قلل التصميم من تكاليف قائمة المواد (BOM) مع تقليل متطلبات الصيانة وإطالة عمر المنتج.

تمكّن الخوارزميات المتقدمة التي طورتها Qorvo العديد من وظائف التحكم المعقدة في المحرك من خلال أجهزة SoC الحالية. على سبيل المثال، ينفذ التصميم التحكم في FOC بدون مستشعر باستخدام طريقة استشعار تيار واحدة، مما يلغي الحاجة إلى ثلاثة مقاومات أخذ عينات كما هو مطلوب في العديد من التصميمات السابقة.