Qorvo Nâng Cao Hiệu Suất Máy Hút Bụi Không Dây Với Điều Khiển Động Cơ Tiên Tiến

Bạn đã bao giờ tưởng tượng rằng một máy hút bụi không dây nhỏ gọn có thể mang lại sức hút mạnh mẽ tương đương với thiết bị chuyên nghiệp chưa? Trong làn sóng công nghệ nhà thông minh của thế kỷ 21, các động cơ điện từng đơn giản đang được hồi sinh thông qua các khái niệm thiết kế hiện đại, thấm nhuần mọi khía cạnh của cuộc sống chúng ta. Từ tủ lạnh, máy tính đến máy giặt và máy hút bụi, động cơ điện có ở khắp mọi nơi. Ở ngoài trời, chúng cung cấp năng lượng cho cửa gara và các dụng cụ làm vườn.

Nhìn lại đầu thế kỷ 20, các động cơ cảm ứng AC và động cơ DC chổi than đơn giản có thể đáp ứng các nhu cầu cơ bản. Ngày nay, thiết kế động cơ DC không chổi than (BLDC) đã trở nên phổ biến, không chỉ đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng về các thiết bị không dây hiệu quả, bền bỉ mà còn làm cho các thiết bị gia dụng nhỏ gọn hơn, đáng tin cậy và bền hơn.

Thị trường máy hút bụi toàn cầu đạt 9,2 tỷ USD vào năm 2018 và tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ. Theo Grand View Research, thị trường dự kiến sẽ mở rộng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 9,1% trong giai đoạn 2019-2025. Tăng trưởng này chủ yếu được thúc đẩy bởi số lượng phụ nữ đi làm ngày càng tăng và mức sống ngày càng cao, tạo ra những kỳ vọng mới của người tiêu dùng. Đồng thời, sự quan tâm của người tiêu dùng đến hiệu quả năng lượng và các yếu tố môi trường trong các thiết bị gia dụng đã trở thành một động lực thị trường quan trọng.

Trong dự án hợp tác này, nhóm thiết kế máy hút bụi và các kỹ sư Qorvo đã đối mặt với một loạt các yêu cầu khắt khe. Họ cần tạo ra một máy hút bụi không dây kết hợp sức hút mạnh mẽ từ tốc độ quay cực cao với thiết kế nhẹ, di động và tuổi thọ sản phẩm dài. Sức hút yêu cầu vượt xa hầu hết các sản phẩm di động truyền thống trên thị trường.

Các thông số kỹ thuật của khách hàng yêu cầu rõ ràng một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) với công nghệ điều khiển định hướng từ trường (FOC) để đạt được chức năng truyền động tần số thay đổi (VFD), đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cực cao của sản phẩm.

Qorvo và nhóm thiết kế nhận ra rằng sản phẩm cuối cùng sẽ là một máy hút bụi không dây hiệu suất cao. Do đó, họ đã chọn động cơ PMSM ba pha với công nghệ chuyển mạch sóng sin để tối đa hóa hiệu suất. Cốt lõi của thiết kế nằm ở công nghệ FOC, sử dụng một thuật toán tinh vi để điều khiển từ trường quay của stato, điều chỉnh việc tạo ra từ thông thông qua hai thành phần trực giao và xác định chính xác mô-men xoắn có sẵn của động cơ.

Máy hút bụi cầm tay hiện đại thường sử dụng động cơ BLDC tạo ra từ trường quay bên trong. Trong thiết kế không chổi than này, stato đứng yên với các cuộn dây cố định, trong khi nam châm vĩnh cửu được gắn trên rôto, rôto quay theo từ trường định kỳ do các cuộn dây stato tạo ra. Dòng điện được cung cấp chính xác cho các cuộn dây stato bởi bộ điều khiển động cơ điện tử bên ngoài, cho phép tốc độ thay đổi.

Chip PAC5225 của Qorvo, thuộc dòng Bộ điều khiển ứng dụng nguồn (PAC) của Qorvo, là cốt lõi của thiết kế máy hút bụi này. Chip hệ thống trên chip (SoC) tích hợp cao này cung cấp chức năng toàn diện để xây dựng một bảng điều khiển động cơ đơn giản, nhỏ gọn và hiệu quả về chi phí. Bảng thiết kế tích hợp hệ thống quản lý nguồn, bộ vi điều khiển (MCU) ARM Cortex-M0 32-bit 50MHz, trình điều khiển cổng, bộ khuếch đại thuật toán, bộ so sánh và các thành phần phụ trợ khác.

Đạt được tốc độ động cơ đặc biệt là một thông số quan trọng trong thiết kế của dự án này, với mục tiêu vượt xa đáng kể hiệu suất của máy hút bụi tiêu chuẩn. Để đạt được tốc độ cơ học lên tới 150.000 vòng/phút, cần có sự phối hợp chính xác giữa bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và bộ điều biến độ rộng xung (PWM) do MCU ARM Cortex M0 điều khiển.

Sức hút của máy hút bụi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thể tích ống dẫn của các phụ kiện khác nhau, mức pin, vật cản do vật lạ và độ bão hòa của bộ lọc. Trong các điều kiện biến đổi này, việc duy trì công suất đầu ra không đổi là rất quan trọng để tối đa hóa sức hút.

Để đảm bảo khởi động mượt mà, nhanh chóng, thuật toán khởi động của động cơ cần thông tin vị trí rôto. SoC của Qorvo gửi tín hiệu tần số cao đến động cơ để thu thập dữ liệu độ tự cảm của động cơ ba pha, mà thuật toán khởi động sử dụng để tính toán vị trí rôto.

Tích hợp tất cả các chức năng điều khiển động cơ vào một chip điều khiển động cơ Qorvo PAC duy nhất là chìa khóa để đạt được thiết kế sản phẩm hiệu quả về chi phí. Bằng cách tránh các thành phần rời rạc, thiết kế đã giảm chi phí danh mục vật liệu (BOM) đồng thời giảm thiểu yêu cầu bảo trì và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.

Các thuật toán tiên tiến do Qorvo phát triển cho phép nhiều chức năng điều khiển động cơ phức tạp thông qua phần cứng SoC hiện có. Ví dụ, thiết kế triển khai điều khiển FOC không cảm biến bằng phương pháp cảm biến một điện trở dòng điện, loại bỏ nhu cầu về ba điện trở lấy mẫu như yêu cầu trong nhiều thiết kế trước đây.