Qorvo เพิ่มประสิทธิภาพเครื่องดูดฝุ่นไร้สายด้วยการควบคุมมอเตอร์ขั้นสูง

คุณเคยจินตนาการไหมว่าเครื่องดูดฝุ่นไร้สายขนาดกะทัดรัดจะสามารถให้พลังดูดที่เทียบเท่ากับอุปกรณ์ระดับมืออาชีพได้? ในยุคของเทคโนโลยีบ้านอัจฉริยะในศตวรรษที่ 21 มอเตอร์ไฟฟ้าที่เคยเรียบง่ายกำลังได้รับการฟื้นฟูผ่านแนวคิดการออกแบบที่ทันสมัย แทรกซึมเข้าสู่ทุกแง่มุมของชีวิตเรา ตั้งแต่ตู้เย็น คอมพิวเตอร์ ไปจนถึงเครื่องซักผ้าและเครื่องดูดฝุ่น มอเตอร์ไฟฟ้ามีอยู่ทุกหนทุกแห่ง ในพื้นที่กลางแจ้ง มอเตอร์เหล่านี้ขับเคลื่อนประตูโรงรถและเครื่องมือในสวนเช่นกัน

เมื่อย้อนกลับไปในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มอเตอร์เหนี่ยวนำ AC แบบธรรมดาและมอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านก็เพียงพอต่อความต้องการพื้นฐานแล้ว ปัจจุบันการออกแบบมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) ได้กลายเป็นกระแสหลัก ไม่เพียงแต่ตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคสำหรับอุปกรณ์ไร้สายที่มีประสิทธิภาพและทนทานเท่านั้น แต่ยังทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้ามีขนาดกะทัดรัด เชื่อถือได้ และทนทานยิ่งขึ้นอีกด้วย

ตลาดเครื่องดูดฝุ่นทั่วโลกมีมูลค่า 9.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2018 และยังคงเติบโตอย่างแข็งแกร่ง ตามข้อมูลของ Grand View Research ตลาดคาดว่าจะขยายตัวด้วยอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ 9.1% ระหว่างปี 2019 ถึง 2025 การเติบโตนี้ขับเคลื่อนโดยจำนวนผู้หญิงวัยทำงานที่เพิ่มขึ้นและมาตรฐานการครองชีพที่สูงขึ้น ซึ่งสร้างความคาดหวังใหม่ๆ ของผู้บริโภค ในขณะเดียวกัน ความใส่ใจของผู้บริโภคต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานและข้อพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมในเครื่องใช้ในครัวเรือนได้กลายเป็นปัจจัยขับเคลื่อนตลาดที่สำคัญ

ในโครงการความร่วมมือนี้ ทีมออกแบบเครื่องดูดฝุ่นและวิศวกรของ Qorvo เผชิญกับข้อกำหนดที่เข้มงวดหลายประการ พวกเขาต้องการสร้างเครื่องดูดฝุ่นไร้สายที่รวมพลังดูดอันทรงพลังจากความเร็วรอบที่สูงมากเข้ากับการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา พกพาสะดวก และอายุการใช้งานผลิตภัณฑ์ที่ยาวนาน พลังดูดที่ต้องการนั้นสูงกว่าผลิตภัณฑ์แบบพกพาทั่วไปส่วนใหญ่ในตลาดอย่างมาก

ข้อกำหนดของลูกค้าได้ระบุอย่างชัดเจนถึงมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบซิงโครนัส (PMSM) พร้อมเทคโนโลยี Field-Oriented Control (FOC) เพื่อให้ได้ฟังก์ชัน Variable Frequency Drive (VFD) ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสูงสุดของผลิตภัณฑ์

Qorvo และทีมออกแบบตระหนักดีว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายจะเป็นเครื่องดูดฝุ่นไร้สายประสิทธิภาพสูง ดังนั้นพวกเขาจึงเลือกใช้มอเตอร์ PMSM แบบสามเฟสพร้อมเทคโนโลยีการสับเปลี่ยนรูปคลื่นไซน์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด หัวใจของการออกแบบอยู่ที่เทคโนโลยี FOC ซึ่งใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนในการควบคุมสนามแม่เหล็กที่หมุนของสเตเตอร์ โดยปรับการสร้างฟลักซ์ผ่านส่วนประกอบสองส่วนที่ตั้งฉากกัน และกำหนดแรงบิดที่มีอยู่ของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำ

เครื่องดูดฝุ่นแบบมือถือสมัยใหม่มักใช้มอเตอร์ BLDC ที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนภายใน ในการออกแบบแบบไร้แปรงถ่านนี้ สเตเตอร์จะอยู่กับที่พร้อมขดลวดที่ยึดติด ในขณะที่แม่เหล็กถาวรจะติดตั้งอยู่บนโรเตอร์ ซึ่งจะหมุนตามสนามแม่เหล็กเป็นระยะที่สร้างขึ้นโดยขดลวดสเตเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังขดลวดสเตเตอร์อย่างแม่นยำโดยตัวควบคุมมอเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ภายนอก ทำให้สามารถปรับความเร็วได้

ชิป PAC5225 ของ Qorvo ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของซีรีส์ Qorvo Power Application Controller (PAC) เป็นหัวใจของการออกแบบเครื่องดูดฝุ่นนี้ ระบบ System-on-Chip (SoC) ที่รวมเข้าด้วยกันอย่างสูงนี้มีฟังก์ชันที่ครอบคลุมสำหรับการสร้างบอร์ดควบคุมมอเตอร์ที่เรียบง่าย กะทัดรัด และคุ้มค่า บอร์ดออกแบบนี้รวมระบบจัดการพลังงาน, ไมโครคอนโทรลเลอร์ยูนิต (MCU) ARM Cortex-M0 แบบ 32 บิต ความเร็ว 50MHz, ไดรเวอร์เกต, ออปแอมป์, คอมพาเรเตอร์ และส่วนประกอบเสริมอื่นๆ

การบรรลุความเร็วรอบมอเตอร์ที่ยอดเยี่ยมเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบโครงการนี้ โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องดูดฝุ่นมาตรฐานให้สูงขึ้นอย่างมาก เพื่อให้ได้ความเร็วเชิงกลสูงถึง 150,000 รอบต่อนาที จำเป็นต้องมีการประสานงานที่แม่นยำระหว่างตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) และตัวสร้างสัญญาณพัลส์ความกว้าง (PWM) ที่ควบคุมโดย MCU ARM Cortex M0

พลังดูดของเครื่องดูดฝุ่นได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงปริมาตรท่อของอุปกรณ์เสริมต่างๆ ระดับแบตเตอรี่ การอุดตันจากวัตถุแปลกปลอม และการอิ่มตัวของตัวกรอง ภายใต้สภาวะที่แปรผันเหล่านี้ การรักษาเอาต์พุตกำลังไฟให้คงที่จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มพลังดูดสูงสุด

เพื่อให้แน่ใจว่าการสตาร์ทเป็นไปอย่างราบรื่นและรวดเร็ว อัลกอริทึมการสตาร์ทของมอเตอร์จำเป็นต้องมีข้อมูลตำแหน่งโรเตอร์ SoC ของ Qorvo จะส่งสัญญาณความถี่สูงไปยังมอเตอร์เพื่อจับข้อมูลความเหนี่ยวนำของมอเตอร์สามเฟส ซึ่งอัลกอริทึมการสตาร์ทจะใช้ในการคำนวณตำแหน่งโรเตอร์

การรวมฟังก์ชันการควบคุมมอเตอร์ทั้งหมดเข้าไว้ในชิปควบคุมมอเตอร์ Qorvo PAC เพียงชิปเดียวเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่คุ้มค่า ด้วยการหลีกเลี่ยงส่วนประกอบแบบแยกส่วน การออกแบบจึงช่วยลดต้นทุนรายการวัสดุ (BOM) ในขณะเดียวกันก็ลดความต้องการในการบำรุงรักษาและยืดอายุการใช้งานผลิตภัณฑ์

อัลกอริทึมขั้นสูงที่พัฒนาโดย Qorvo ช่วยให้สามารถทำงานควบคุมมอเตอร์ที่ซับซ้อนได้มากมายผ่านฮาร์ดแวร์ SoC ที่มีอยู่ ตัวอย่างเช่น การออกแบบได้นำการควบคุม FOC แบบไร้เซ็นเซอร์มาใช้โดยใช้วิธีการวัดกระแสเพียงตัวต้านทานเดียว ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้ตัวต้านทานสุ่มตัวอย่างสามตัวตามที่ต้องการในการออกแบบก่อนหน้านี้หลายแบบ