Qorvo Potenzia gli aspirapolvere senza fili con un controllo avanzato del motore
Hai mai immaginato che un aspirapolvere compatto e wireless potesse offrire una potenza di aspirazione paragonabile a quella di attrezzature professionali? Nell'ondata di tecnologia per la casa intelligente nel 21° secolo, i motori elettrici un tempo semplici vengono rivitalizzati attraverso moderni concetti di design, permeando ogni aspetto della nostra vita. Dai frigoriferi ai computer, dalle lavatrici agli aspirapolvere, i motori elettrici sono onnipresenti. All'esterno, alimentano sia le porte del garage che gli attrezzi da giardino.
Guardando indietro all'inizio del XX secolo, i semplici motori a induzione CA e i motori CC a spazzole potevano soddisfare le esigenze di base. Oggi, i design dei motori CC senza spazzole (BLDC) sono diventati mainstream, non solo soddisfacendo le richieste dei consumatori di dispositivi wireless efficienti e di lunga durata, ma rendendo anche gli elettrodomestici più compatti, affidabili e durevoli.
Il mercato globale degli aspirapolvere ha raggiunto 9,2 miliardi di dollari nel 2018 e continua a crescere fortemente. Secondo Grand View Research, si prevede che il mercato si espanderà a un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 9,1% tra il 2019 e il 2025. Questa crescita è principalmente guidata dal crescente numero di donne lavoratrici e dall'aumento degli standard di vita che creano nuove aspettative dei consumatori. Allo stesso tempo, l'attenzione dei consumatori all'efficienza energetica e alle considerazioni ambientali negli elettrodomestici è diventata un importante motore di mercato.
In questo progetto collaborativo, il team di progettazione dell'aspirapolvere e gli ingegneri Qorvo hanno affrontato una serie di requisiti impegnativi. Dovevano creare un aspirapolvere wireless che combinasse una potente aspirazione da velocità di rotazione ultra elevate con un design leggero e portatile e una lunga durata del prodotto. La potenza di aspirazione richiesta superava significativamente quella della maggior parte dei prodotti portatili tradizionali sul mercato.
Le specifiche del cliente richiedevano esplicitamente un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) con tecnologia di controllo orientato al campo (FOC) per ottenere la funzionalità di azionamento a frequenza variabile (VFD), soddisfacendo i requisiti di prestazioni estreme del prodotto.
Qorvo e il team di progettazione hanno riconosciuto che il prodotto finale sarebbe stato un aspirapolvere wireless ad alte prestazioni. Pertanto, hanno selezionato un motore PMSM trifase con tecnologia di commutazione a onda sinusoidale per massimizzare le prestazioni. Il nucleo del design risiede nella tecnologia FOC, che utilizza un sofisticato algoritmo per controllare il campo magnetico rotante dello statore, regolando la generazione del flusso attraverso due componenti ortogonali e determinando con precisione la coppia disponibile del motore.
Gli aspirapolvere portatili moderni utilizzano tipicamente motori BLDC che generano campi magnetici rotanti internamente. In questo design senza spazzole, lo statore rimane stazionario con bobine fisse, mentre i magneti permanenti sono montati sul rotore, che ruota secondo il campo magnetico periodico generato dalle bobine dello statore. La corrente viene erogata con precisione alle bobine dello statore da un controller elettronico esterno del motore, consentendo velocità variabili.
Il chip PAC5225 di Qorvo, parte della serie Qorvo Power Application Controller (PAC), è il cuore di questo design di aspirapolvere. Questo sistema su chip (SoC) altamente integrato fornisce funzionalità complete per la creazione di una scheda di controllo motore semplice, compatta ed economica. La scheda di progettazione integra un sistema di gestione dell'alimentazione, un microcontrollore (MCU) ARM Cortex-M0 a 32 bit da 50 MHz, driver di gate, amplificatori operazionali, comparatori e altri componenti ausiliari.
Raggiungere velocità eccezionali del motore è stato un parametro chiave nella progettazione di questo progetto, con l'obiettivo di superare significativamente i livelli di prestazioni standard degli aspirapolvere. Per raggiungere velocità meccaniche fino a 150.000 giri/min, è stata richiesta una coordinazione precisa tra il convertitore analogico-digitale (ADC) e il modulatore di larghezza di impulso (PWM) controllati dall'MCU ARM Cortex M0.
La potenza di aspirazione di un aspirapolvere è influenzata da molteplici fattori, tra cui il volume del condotto dei diversi accessori, il livello della batteria, i blocchi causati da oggetti estranei e la saturazione del filtro. In queste condizioni variabili, mantenere una potenza di uscita costante è fondamentale per massimizzare la potenza di aspirazione.
Per garantire un avvio fluido e rapido, l'algoritmo di avvio del motore necessita di informazioni sulla posizione del rotore. Il SoC di Qorvo invia segnali ad alta frequenza al motore per acquisire dati di induttanza del motore trifase, che l'algoritmo di avvio utilizza per calcolare la posizione del rotore.
L'integrazione di tutte le funzioni di controllo del motore in un unico chip di controllo motore Qorvo PAC è stata fondamentale per ottenere un design di prodotto conveniente. Evitando componenti discreti, il design ha ridotto i costi del distinte di materiali (BOM) riducendo al minimo i requisiti di manutenzione ed estendendo la durata del prodotto.
Gli algoritmi avanzati sviluppati da Qorvo consentono numerose funzioni complesse di controllo del motore attraverso l'hardware SoC esistente. Ad esempio, il design implementa il controllo FOC sensorless utilizzando un singolo metodo di resistenza di rilevamento della corrente, eliminando la necessità di tre resistori di campionamento come richiesto in molti progetti precedenti.
