Qorvo verbetert draadloze stofzuigers met geavanceerde motorbesturing
Heeft u zich ooit voorgesteld dat een compacte, draadloze stofzuiger zuigkracht zou kunnen leveren die vergelijkbaar is met professionele apparatuur? In de golf van slimme huisautomatiseringstechnologie in de 21e eeuw worden eens zo eenvoudige elektromotoren nieuw leven ingeblazen door moderne ontwerpconcepten, die elk aspect van ons leven doordringen. Van koelkasten en computers tot wasmachines en stofzuigers, elektromotoren zijn alomtegenwoordig. Buitenshuis drijven ze zowel garagedeuren als tuingereedschap aan.
Terugkijkend naar het begin van de 20e eeuw konden eenvoudige AC-inductiemotoren en geborstelde DC-motoren aan de basisbehoeften voldoen. Tegenwoordig zijn borstelloze DC (BLDC) motoren gemeengoed geworden, die niet alleen voldoen aan de vraag van consumenten naar efficiënte, duurzame draadloze apparaten, maar ook huishoudelijke apparaten compacter, betrouwbaarder en duurzamer maken.
De wereldwijde markt voor stofzuigers bereikte in 2018 een waarde van 9,2 miljard dollar en blijft sterk groeien. Volgens Grand View Research zal de markt naar verwachting groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 9,1% tussen 2019 en 2025. Deze groei wordt voornamelijk gedreven door het toenemende aantal werkende vrouwen en de stijgende levensstandaard die nieuwe verwachtingen van consumenten creëren. Tegelijkertijd is de aandacht van consumenten voor energie-efficiëntie en milieuoverwegingen bij huishoudelijke apparaten een belangrijke marktdrijver geworden.
In dit samenwerkingsproject stonden het ontwerpteam van de stofzuiger en de ingenieurs van Qorvo voor een reeks veeleisende vereisten. Ze moesten een draadloze stofzuiger creëren die krachtige zuigkracht van ultrahoge rotatiesnelheden combineerde met een lichtgewicht, draagbaar ontwerp en een lange levensduur van het product. De vereiste zuigkracht overtrof aanzienlijk die van de meeste traditionele draagbare producten op de markt.
De specificaties van de klant vereisten expliciet een permanente magneetsynchrone motor (PMSM) met veldgeoriënteerde besturing (FOC) technologie om variabele frequentieaandrijving (VFD) functionaliteit te bereiken, om te voldoen aan de extreme prestatie-eisen van het product.
Qorvo en het ontwerpteam erkenden dat het eindproduct een hoogwaardige draadloze stofzuiger zou zijn. Daarom kozen ze voor een driefasige PMSM-motor met sinusgolf-commutatietechnologie om de prestaties te maximaliseren. De kern van het ontwerp ligt in FOC-technologie, die een geavanceerd algoritme gebruikt om het roterende magnetische veld van de stator te regelen, de fluxgeneratie aan te passen via twee orthogonale componenten en het beschikbare koppel van de motor nauwkeurig te bepalen.
Moderne handstofzuigers gebruiken doorgaans BLDC-motoren die intern roterende magnetische velden genereren. In dit borstelloze ontwerp blijft de stator stationair met vaste spoelen, terwijl permanente magneten op de rotor zijn gemonteerd, die roteert volgens het periodieke magnetische veld dat door de stator-spoelen wordt gegenereerd. Stroom wordt nauwkeurig geleverd aan de stator-spoelen door een externe elektronische motorregelaar, waardoor variabele snelheden mogelijk zijn.
De PAC5225-chip van Qorvo, onderdeel van de Qorvo Power Application Controller (PAC) serie, is de kern van dit stofzuigerontwerp. Deze sterk geïntegreerde System-on-Chip (SoC) biedt uitgebreide functionaliteit voor het bouwen van een eenvoudige, compacte en kosteneffectieve motorregelkaart. De ontwerpkaart integreert een energiebeheersysteem, een 50MHz 32-bits ARM Cortex-M0 microcontroller unit (MCU), gate drivers, operationele versterkers, comparatoren en andere hulpcomponenten.
Het bereiken van uitzonderlijke motorsnelheden was een belangrijke parameter in het ontwerp van dit project, met als doel de standaard prestaties van stofzuigers aanzienlijk te overtreffen. Om mechanische snelheden tot 150.000 tpm te bereiken, was een nauwkeurige coördinatie tussen de door de ARM Cortex M0 MCU gestuurde analoge-naar-digitale converter (ADC) en de pulsbreedtemodulator (PWM) vereist.
De zuigkracht van een stofzuiger wordt beïnvloed door meerdere factoren, waaronder het kanaalvolume van verschillende opzetstukken, het batterijniveau, blokkades door vreemde voorwerpen en filterverzadiging. Onder deze variabele omstandigheden is het handhaven van een constante vermogensafgifte cruciaal voor het maximaliseren van de zuigkracht.
Om een soepele, snelle opstart te garanderen, heeft het opstartalgoritme van de motor informatie over de rotorpositie nodig. De SoC van Qorvo stuurt hoogfrequente signalen naar de motor om de inductantiegegevens van de driefasige motor vast te leggen, die het opstartalgoritme gebruikt om de rotorpositie te berekenen.
Het integreren van alle motorregelingsfuncties in één Qorvo PAC motorregelingschip was de sleutel tot het bereiken van een kosteneffectief productontwerp. Door het vermijden van discrete componenten, verminderde het ontwerp de kosten van de materiaalrekening (BOM), terwijl de onderhoudsvereisten werden geminimaliseerd en de levensduur van het product werd verlengd.
De geavanceerde algoritmen die door Qorvo zijn ontwikkeld, maken tal van complexe motorregelingsfuncties mogelijk via de bestaande SoC-hardware. Zo implementeert het ontwerp sensorloze FOC-regeling met behulp van een enkele stroommeetweerstandsmethode, waardoor de noodzaak voor drie bemonsteringsweerstanden, zoals vereist in veel eerdere ontwerpen, komt te vervallen.
