Qorvo améliore les aspirateurs sans fil grâce à un contrôle moteur avancé
Avez-vous déjà imaginé qu'un aspirateur compact et sans fil puisse offrir une puissance d'aspiration comparable à celle d'un équipement professionnel ? Dans la vague de la technologie de la maison intelligente au 21e siècle, les moteurs électriques autrefois simples sont revitalisés grâce à des concepts de design modernes, imprégnant tous les aspects de notre vie. Des réfrigérateurs aux ordinateurs, en passant par les machines à laver et les aspirateurs, les moteurs électriques sont omniprésents. À l'extérieur, ils alimentent aussi bien les portes de garage que les outils de jardin.
En remontant au début du 20e siècle, les simples moteurs à induction AC et les moteurs DC à balais pouvaient répondre aux besoins de base. Aujourd'hui, les conceptions de moteurs DC sans balais (BLDC) sont devenues courantes, répondant non seulement aux demandes des consommateurs pour des appareils sans fil efficaces et durables, mais rendant également les appareils plus compacts, fiables et durables.
Le marché mondial des aspirateurs a atteint 9,2 milliards de dollars en 2018 et continue de croître fortement. Selon Grand View Research, le marché devrait s'étendre à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 9,1 % entre 2019 et 2025. Cette croissance est principalement tirée par le nombre croissant de femmes qui travaillent et l'amélioration du niveau de vie qui créent de nouvelles attentes des consommateurs. Parallèlement, l'attention des consommateurs à l'efficacité énergétique et aux considérations environnementales dans les appareils ménagers est devenue un moteur de marché important.
Dans ce projet collaboratif, l'équipe de conception d'aspirateurs et les ingénieurs de Qorvo ont été confrontés à une série d'exigences strictes. Ils devaient créer un aspirateur sans fil qui combine une aspiration puissante grâce à des vitesses de rotation ultra-élevées avec un design léger et portable et une longue durée de vie du produit. La puissance d'aspiration requise dépassait considérablement celle de la plupart des produits portables traditionnels sur le marché.
Les spécifications du client exigeaient explicitement un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) avec une technologie de contrôle orienté champ (FOC) pour obtenir une fonctionnalité de variateur de fréquence (VFD), répondant aux exigences de performance extrêmes du produit.
Qorvo et l'équipe de conception ont reconnu que le produit final serait un aspirateur sans fil haute performance. Par conséquent, ils ont sélectionné un moteur PMSM triphasé avec une technologie de commutation sinusoïdale pour maximiser les performances. Le cœur de la conception réside dans la technologie FOC, qui utilise un algorithme sophistiqué pour contrôler le champ magnétique rotatif du stator, en ajustant la génération de flux à travers deux composantes orthogonales et en déterminant précisément le couple disponible du moteur.
Les aspirateurs portables modernes utilisent généralement des moteurs BLDC qui génèrent des champs magnétiques rotatifs en interne. Dans cette conception sans balais, le stator reste stationnaire avec des bobines fixes, tandis que des aimants permanents sont montés sur le rotor, qui tourne selon le champ magnétique périodique généré par les bobines du stator. Le courant est précisément délivré aux bobines du stator par un contrôleur de moteur électronique externe, permettant des vitesses variables.
La puce PAC5225 de Qorvo, faisant partie de la série Qorvo Power Application Controller (PAC), est le cœur de cette conception d'aspirateur. Ce système sur puce (SoC) hautement intégré fournit une fonctionnalité complète pour la construction d'une carte de contrôle moteur simple, compacte et économique. La carte de conception intègre un système de gestion de l'alimentation, un microcontrôleur (MCU) ARM Cortex-M0 32 bits de 50 MHz, des pilotes de grille, des amplificateurs opérationnels, des comparateurs et d'autres composants auxiliaires.
Atteindre des vitesses moteur exceptionnelles était un paramètre clé dans la conception de ce projet, avec pour objectif de dépasser significativement les niveaux de performance des aspirateurs standard. Pour atteindre des vitesses mécaniques allant jusqu'à 150 000 tr/min, une coordination précise entre le convertisseur analogique-numérique (CAN) contrôlé par le MCU ARM Cortex M0 et le modulateur de largeur d'impulsion (PWM) était requise.
La puissance d'aspiration d'un aspirateur est affectée par plusieurs facteurs, notamment le volume du conduit des différents accessoires, le niveau de la batterie, les obstructions causées par des objets étrangers et la saturation du filtre. Dans ces conditions variables, le maintien d'une puissance de sortie constante est crucial pour maximiser la puissance d'aspiration.
Pour assurer un démarrage fluide et rapide, l'algorithme de démarrage du moteur a besoin d'informations sur la position du rotor. Le SoC de Qorvo envoie des signaux à haute fréquence au moteur pour capturer les données d'inductance du moteur triphasé, que l'algorithme de démarrage utilise pour calculer la position du rotor.
L'intégration de toutes les fonctions de contrôle moteur dans une seule puce de contrôle moteur Qorvo PAC a été essentielle pour obtenir une conception de produit économique. En évitant les composants discrets, la conception a réduit les coûts de la nomenclature (BOM) tout en minimisant les besoins de maintenance et en prolongeant la durée de vie du produit.
Les algorithmes avancés développés par Qorvo permettent de nombreuses fonctions de contrôle moteur complexes via le matériel SoC existant. Par exemple, la conception met en œuvre un contrôle FOC sans capteur en utilisant une méthode de détection de courant unique, éliminant le besoin de trois résistances d'échantillonnage comme requis dans de nombreuses conceptions antérieures.
