코르보는 첨단 모터 제어로 무선 진공기를 향상시킵니다

컴팩트하고 무선인 진공청소기가 전문가용 장비에 필적하는 흡입력을 제공할 수 있다고 상상해 본 적이 있습니까? 21세기 스마트 홈 기술의 물결 속에서 한때 단순했던 전기 모터는 현대적인 디자인 개념을 통해 재탄생하여 우리 삶의 모든 측면에 스며들고 있습니다. 냉장고와 컴퓨터부터 세탁기와 진공청소기까지, 전기 모터는 어디에나 존재합니다. 야외에서는 차고 문과 정원 도구에 동력을 공급합니다.

20세기 초로 돌아가면, 단순한 AC 유도 모터와 브러시 DC 모터로 기본적인 요구를 충족할 수 있었습니다. 오늘날 브러시리스 DC(BLDC) 모터 설계는 소비자들의 효율적이고 오래가는 무선 장치에 대한 요구를 충족할 뿐만 아니라 가전제품을 더욱 컴팩트하고 안정적이며 내구성이 뛰어나게 만들면서 주류가 되었습니다.

글로벌 진공청소기 시장은 2018년에 92억 달러에 달했으며 계속해서 강력하게 성장하고 있습니다. Grand View Research에 따르면 이 시장은 2019년부터 2025년까지 연평균 성장률(CAGR) 9.1%로 확장될 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 주로 여성 취업률 증가와 새로운 소비자 기대를 창출하는 생활 수준 향상에 의해 주도됩니다. 동시에 가전제품의 에너지 효율성과 환경 고려 사항에 대한 소비자의 관심이 중요한 시장 동인이 되었습니다.

이 협력 프로젝트에서 진공청소기 설계 팀과 Qorvo 엔지니어들은 일련의 까다로운 요구 사항에 직면했습니다. 그들은 초고속 회전 속도에서 강력한 흡입력과 가볍고 휴대 가능한 디자인, 그리고 긴 제품 수명을 결합한 무선 진공청소기를 만들어야 했습니다. 요구되는 흡입력은 시장에 있는 대부분의 기존 휴대용 제품보다 훨씬 뛰어났습니다.

고객의 사양에는 가변 주파수 드라이브(VFD) 기능을 달성하기 위해 필드 지향 제어(FOC) 기술을 갖춘 영구 자석 동기 모터(PMSM)가 명시적으로 요구되었으며, 이는 제품의 극한 성능 요구 사항을 충족했습니다.

Qorvo와 설계 팀은 최종 제품이 고성능 무선 진공청소기가 될 것임을 인식했습니다. 따라서 그들은 성능을 극대화하기 위해 사인파 정류 기술을 갖춘 3상 PMSM 모터를 선택했습니다. 설계의 핵심은 복잡한 알고리즘을 사용하여 고정자의 회전 자기장을 제어하고 두 개의 직교 구성 요소를 통해 플럭스 생성을 조정하며 모터의 사용 가능한 토크를 정확하게 결정하는 FOC 기술에 있습니다.

현대의 핸드헬드 진공청소기는 일반적으로 내부적으로 회전 자기장을 생성하는 BLDC 모터를 사용합니다. 이 브러시리스 설계에서 고정자는 고정된 코일로 유지되며, 회전자는 고정자 코일에서 생성된 주기적인 자기장에 따라 회전하는 영구 자석이 장착됩니다. 전류는 외부 전자 모터 컨트롤러에 의해 고정자 코일로 정확하게 공급되어 가변 속도를 가능하게 합니다.

Qorvo의 PAC5225 칩은 Qorvo Power Application Controller(PAC) 시리즈의 일부로, 이 진공청소기 설계의 핵심입니다. 이 고도로 통합된 시스템 온 칩(SoC)은 간단하고 컴팩트하며 비용 효율적인 모터 제어 보드를 구축하기 위한 포괄적인 기능을 제공합니다. 설계 보드는 전력 관리 시스템, 50MHz 32비트 ARM Cortex-M0 마이크로컨트롤러 유닛(MCU), 게이트 드라이버, 연산 증폭기, 비교기 및 기타 보조 구성 요소를 통합합니다.

이 프로젝트 설계의 핵심 매개변수는 탁월한 모터 속도에 도달하는 것이었으며, 표준 진공청소기 성능 수준을 크게 초과하는 것을 목표로 했습니다. 최대 150,000 rpm의 기계적 속도를 달성하기 위해 ARM Cortex M0 MCU 제어 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 펄스 폭 변조기(PWM) 간의 정확한 조정이 필요했습니다.

진공청소기의 흡입력은 다양한 부착물의 덕트 볼륨, 배터리 수준, 이물질로 인한 막힘, 필터 포화도 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 이러한 가변 조건에서 최대 흡입력을 얻으려면 일정한 전력 출력을 유지하는 것이 중요합니다.

부드럽고 빠른 시작을 보장하기 위해 모터의 시작 알고리즘은 로터 위치 정보를 필요로 합니다. Qorvo의 SoC는 모터에 고주파 신호를 보내 3상 모터 인덕턴스 데이터를 캡처하며, 시작 알고리즘은 이 데이터를 사용하여 로터 위치를 계산합니다.

모든 모터 제어 기능을 단일 Qorvo PAC 모터 제어 칩에 통합하는 것이 비용 효율적인 제품 설계를 달성하는 데 핵심이었습니다. 개별 부품을 피함으로써 설계는 자재 명세서(BOM) 비용을 절감하는 동시에 유지 보수 요구 사항을 최소화하고 제품 수명을 연장했습니다.

Qorvo에서 개발한 고급 알고리즘은 기존 SoC 하드웨어를 통해 수많은 복잡한 모터 제어 기능을 가능하게 합니다. 예를 들어, 이 설계는 단일 전류 감지 저항기 방법을 사용하여 센서리스 FOC 제어를 구현하여 많은 이전 설계에서 요구되는 세 개의 샘플링 저항기가 필요하지 않게 되었습니다.