Qorvo ενισχύει τις ασύρματες ηλεκτρικές σκούπες με προηγμένο έλεγχο κινητήρα
Έχετε φανταστεί ποτέ ότι μια συμπαγής, ασύρματη ηλεκτρική σκούπα θα μπορούσε να προσφέρει ισχύ αναρρόφησης συγκρίσιμη με επαγγελματικό εξοπλισμό; Στο κύμα της τεχνολογίας έξυπνου σπιτιού στον 21ο αιώνα, οι κάποτε απλοί ηλεκτροκινητήρες αναζωογονούνται μέσω σύγχρονων σχεδιαστικών εννοιών, διαπερνώντας κάθε πτυχή της ζωής μας. Από ψυγεία και υπολογιστές μέχρι πλυντήρια και ηλεκτρικές σκούπες, οι ηλεκτροκινητήρες είναι πανταχού παρόντες. Στην ύπαιθρο, τροφοδοτούν πόρτες γκαράζ και εργαλεία κήπου.
Κοιτάζοντας πίσω στις αρχές του 20ου αιώνα, οι απλοί κινητήρες επαγωγής AC και οι κινητήρες DC με ψήκτρες μπορούσαν να καλύψουν βασικές ανάγκες. Σήμερα, οι σχεδιασμοί κινητήρων DC χωρίς ψήκτρες (BLDC) έχουν γίνει mainstream, όχι μόνο καλύπτοντας τις απαιτήσεις των καταναλωτών για αποδοτικές, μακράς διάρκειας ασύρματες συσκευές, αλλά καθιστώντας επίσης τις συσκευές πιο συμπαγείς, αξιόπιστες και ανθεκτικές.
Η παγκόσμια αγορά ηλεκτρικών σκουπών έφτασε τα 9,2 δισεκατομμύρια δολάρια το 2018 και συνεχίζει να αναπτύσσεται δυναμικά. Σύμφωνα με την Grand View Research, η αγορά αναμένεται να επεκταθεί με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 9,1% μεταξύ 2019 και 2025. Αυτή η ανάπτυξη οδηγείται κυρίως από τον αυξανόμενο αριθμό εργαζόμενων γυναικών και τα αυξανόμενα βιοτικά επίπεδα που δημιουργούν νέες προσδοκίες των καταναλωτών. Ταυτόχρονα, η προσοχή των καταναλωτών στην ενεργειακή απόδοση και τις περιβαλλοντικές ανησυχίες στις οικιακές συσκευές έχει γίνει ένας σημαντικός παράγοντας ανάπτυξης της αγοράς.
Σε αυτό το συνεργατικό έργο, η ομάδα σχεδιασμού ηλεκτρικών σκουπών και οι μηχανικοί της Qorvo αντιμετώπισαν μια σειρά από απαιτητικές προδιαγραφές. Έπρεπε να δημιουργήσουν μια ασύρματη ηλεκτρική σκούπα που να συνδυάζει ισχυρή αναρρόφηση από εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες περιστροφής με ελαφρύ, φορητό σχεδιασμό και μεγάλη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Η απαιτούμενη ισχύς αναρρόφησης υπερέβαινε σημαντικά αυτή των περισσότερων παραδοσιακών φορητών προϊόντων της αγοράς.
Οι προδιαγραφές του πελάτη απαιτούσαν ρητά έναν σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM) με τεχνολογία ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου (FOC) για την επίτευξη λειτουργικότητας μεταβλητής συχνότητας κίνησης (VFD), καλύπτοντας τις ακραίες απαιτήσεις απόδοσης του προϊόντος.
Η Qorvo και η ομάδα σχεδιασμού αναγνώρισαν ότι το τελικό προϊόν θα ήταν μια ασύρματη ηλεκτρική σκούπα υψηλής απόδοσης. Ως εκ τούτου, επέλεξαν έναν τριφασικό κινητήρα PMSM με τεχνολογία μεταγωγής ημιτονοειδούς κύματος για μεγιστοποίηση της απόδοσης. Ο πυρήνας του σχεδιασμού έγκειται στην τεχνολογία FOC, η οποία χρησιμοποιεί έναν εξελιγμένο αλγόριθμο για τον έλεγχο του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτορα, προσαρμόζοντας τη δημιουργία ροής μέσω δύο ορθογώνιων συνιστωσών και προσδιορίζοντας με ακρίβεια τη διαθέσιμη ροπή του κινητήρα.
Οι σύγχρονες φορητές ηλεκτρικές σκούπες χρησιμοποιούν συνήθως κινητήρες BLDC που παράγουν περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία εσωτερικά. Σε αυτόν τον σχεδιασμό χωρίς ψήκτρες, ο στάτορας παραμένει ακίνητος με σταθερά πηνία, ενώ οι μόνιμοι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι στον ρότορα, ο οποίος περιστρέφεται σύμφωνα με το περιοδικό μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τα πηνία του στάτορα. Το ρεύμα παραδίδεται με ακρίβεια στα πηνία του στάτορα από έναν εξωτερικό ηλεκτρονικό ελεγκτή κινητήρα, επιτρέποντας μεταβλητές ταχύτητες.
Το τσιπ PAC5225 της Qorvo, μέρος της σειράς Qorvo Power Application Controller (PAC), είναι ο πυρήνας αυτού του σχεδιασμού ηλεκτρικής σκούπας. Αυτό το εξαιρετικά ολοκληρωμένο σύστημα σε τσιπ (SoC) παρέχει ολοκληρωμένη λειτουργικότητα για την κατασκευή μιας απλής, συμπαγούς και οικονομικά αποδοτικής πλακέτας ελέγχου κινητήρα. Η πλακέτα σχεδιασμού ενσωματώνει ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας, μια μονάδα μικροελεγκτή ARM Cortex-M0 32-bit 50MHz (MCU), οδηγούς πύλης, τελεστικούς ενισχυτές, συγκριτές και άλλα βοηθητικά εξαρτήματα.
Η επίτευξη εξαιρετικών ταχυτήτων κινητήρα ήταν μια βασική παράμετρος στον σχεδιασμό αυτού του έργου, με στόχο την σημαντική υπέρβαση των τυπικών επιπέδων απόδοσης των ηλεκτρικών σκουπών. Για την επίτευξη μηχανικών ταχυτήτων έως και 150.000 σ.α.λ., απαιτήθηκε ακριβής συντονισμός μεταξύ του αναλογικού-ψηφιακού μετατροπέα (ADC) και του διαμορφωτή πλάτους παλμού (PWM) που ελέγχεται από τον ARM Cortex M0 MCU.
Η ισχύς αναρρόφησης μιας ηλεκτρικής σκούπας επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του όγκου του αγωγού διαφορετικών εξαρτημάτων, της στάθμης της μπαταρίας, των φραγμών από ξένα αντικείμενα και του κορεσμού του φίλτρου. Υπό αυτές τις μεταβλητές συνθήκες, η διατήρηση σταθερής απόδοσης ισχύος είναι κρίσιμη για τη μεγιστοποίηση της ισχύος αναρρόφησης.
Για να διασφαλιστεί ο ομαλός, γρήγορος ξεκίνημα, ο αλγόριθμος εκκίνησης του κινητήρα χρειάζεται πληροφορίες θέσης του ρότορα. Το SoC της Qorvo στέλνει σήματα υψηλής συχνότητας στον κινητήρα για να καταγράψει δεδομένα επαγωγής του τριφασικού κινητήρα, τα οποία ο αλγόριθμος εκκίνησης χρησιμοποιεί για τον υπολογισμό της θέσης του ρότορα.
Η ενσωμάτωση όλων των λειτουργιών ελέγχου κινητήρα σε ένα μόνο τσιπ ελέγχου κινητήρα Qorvo PAC ήταν το κλειδί για την επίτευξη ενός οικονομικά αποδοτικού σχεδιασμού προϊόντος. Αποφεύγοντας διακριτά εξαρτήματα, ο σχεδιασμός μείωσε το κόστος υλικών (BOM), ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις απαιτήσεις συντήρησης και επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του προϊόντος.
Οι προηγμένοι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν από την Qorvo επιτρέπουν πολυάριθμες σύνθετες λειτουργίες ελέγχου κινητήρα μέσω του υπάρχοντος υλικού SoC. Για παράδειγμα, ο σχεδιασμός υλοποιεί έλεγχο FOC χωρίς αισθητήρα χρησιμοποιώντας μια μέθοδο αντίστασης ανίχνευσης ενός ρεύματος, εξαλείφοντας την ανάγκη για τρεις αντιστάσεις δειγματοληψίας όπως απαιτείται σε πολλούς προηγούμενους σχεδιασμούς.
