在 21 在世纪的家庭中，有无数的例子充分证明，简单的日常设备电机已经成为越来越多家用电器不可或缺的组成部分。电机广泛应用于冰箱、电脑、微波炉、风扇、洗衣机、吸尘器等家用电器。同时，车库开门器、商店真空吸尘器、园艺修剪器、无绳微耕机、电动割草机、压力清洗机和其他庭院设备也离不开电机的使用。
【导读】在 21 世纪家居中，已经有无数示例充分证明，电机这种简单的日常设备通过现代设计成为了越来越多家用电器不可或缺的组成部分。电机广泛应用于冰箱、电脑、微波炉、风扇、洗衣机、吸尘器等家用电器。同时，车库开门器、商店真空吸尘器、园艺修剪器、无绳微耕机、电动割草机、压力清洗机等庭院设备也离不开电机的使用。
20 本世纪初，简单的交流电感电机和刷直流电机为洗衣机、冰箱和风扇提供了动力，我们取得了很大的进展。如今，电机设计已发展成无刷直流。该设计符合消费者的偏好，可以提高效率，延长无线设备的耐久性，适用于更小、更轻的设备，实现更高的可靠性。能源效率咨询委员会 (ACEE)，即国际电工委员会 (IEC) 附属机构的一项研究表明，电机系统的用电量占全球的比例 50% 绝大多数电机用于机器、泵、风扇、压缩机、传送带等。研究表明：这是提高能源效率的绝佳机会。”
全球真空吸尘器市场的发展趋势
2018 年，全球真空吸尘器市场规模达到 92 亿美元 (USD)。据 Grand View Research 据说市场呈强劲增长趋势。该机构预计2019年 年至 2025 复合年增长率为年 (CAGR) 将达到 9.1%。这主要是由于职业女性人口增加和生活水平提高带来的新消费者预期。
消费者对节能电器运营和环境问题的关注在很大程度上促进了市场的增长。为了减少有害粉尘，改善医院、制造中心、零售店和医疗设施的卫生实践，对工作场所真空吸尘器的需求不断增加，这是另一个增长因素。
挑战
真空本项目的真空吸尘器设计团队和 Qorvo 工程师需要满足客户对无线吸尘器的严格要求。最终设计采用高速电机操作，吸力最大，形状设计小巧轻便，产品生命周期长，可靠。真空吸尘器的吸力水平高于大多数传统便携式真空吸尘器。此外，影响设计方案的另一个因素为：在大多数真空吸尘器设计中，转矩和电机速度都至关重要。然而，本例的要求略有不同，强调了对功率和速度的需求。
客户的设计规范需要磁场定向控制 (FOC) 的 PMSM 实现变频驱动 (VFD)，满足产品要求。
解决方案
项目开始时，Qorvo 设计团队知道最终产品将是高性能真空吸尘器。因此，他们选择使用三相 PMSM，由于电机采用正弦波换向，有助于尽可能提高性能。设计依赖于 FOC 用于控制定子旋转磁场的算法，用两个正交分量调节磁通发生器，确定可用转矩。
FOC 和 Qorvo 开发的定制算法确控制电机速度，提高真空吸尘器的整体效率。通过设计团队和 Qorvo 经过几个月的合作，产品成功满足了客户的产品需求。这款强大高效的无线真空吸尘器已经上市。
概述 — 操作真空吸尘器
手持式真空吸尘器通过旋转电机驱动风扇产生吸力，吸力将空气从吸尘器头部抽出，然后将吸入的灰尘和碎片收集到袋子或罐子中，并通过排气口排出。通常，放置在排出蒸汽中的过滤器可防止排出微粒。风扇电机的速度和进气口（或附件）的大小决定了吸力的大小，这是由从头部抽出空气并强制排出的负压决定的。在高端真空吸尘器中，风扇转速通常达到每分钟 10 比如万转以上 Qorvo 参与产品设计。
大功率真空吸尘器的关键部件
为实现最佳性能，现代手持式真空吸尘器采用无刷直流吸尘器 (BLDC) 电机可以在电机外壳中产生旋转磁场。定子和线圈固定在这种无刷设计中，永磁体附着在转子上，转子随循环磁场旋转。定子线圈由外部电子电机控制器控制，产生可变速度。与刷直流电机和传统电感电机相比，BLDC 设计更复杂，但更可控，其优点包括运行效率高、形状尺寸小、可靠性高、耐久性长。
本项目选择 BLDC 三相电机由正弦波驱动 PMSM，这是满足高性能要求的唯一选择。本项目的标准包括：
● 超高速电机运行
● 恒定功率控制过压保护
● 快速启动操作
● 设计组件经济高效
● 下一节将讨论使 Qorvo 设计团队可以满足这些标准的设计功能。
如今，电机设计已发展成无刷直流。
图 1：PMSM 电机控制器和驱动器的功能框图。
设计亮点
Qorvo 电源应用控制器 (PAC) 系列中的 Qorvo PAC5225 IC 是真空吸尘器工程设计的核心。这个片上系统 (SoC) 电机控制板具有施工简单、紧凑、成本效益高的综合功能()。本设计的控制板包括集成电源管理系统和50MHz 32 位 Arm? Cortex?-M0微控制器单元 (MCU)、格栅驱动器、操作放大器、比较器等支撑部件。外设可以在不同条件下增加恒定功率输出MOSFET完成集成设计。
超高速电机运行
超高电机转速是本项目的重要设计参数，旨在实现远高于市场标准真空吸尘器的水平。为实现高达 150,000 rpm 机械速度要求密切管理 Arm? Cortex?-M0 MCU 模数转换器的控制(ADC) 和脉宽调制器 (PWM) 的运行。所需的电频范围可达 2.5kHz，且为了实现 FOC 精确控制，ADC 采样速度和精度必须高达 1MSPS，同时要求 PWM 具有非常精细的分辨率。为了实现精确的操作，微控制器可以确保精确调整这些值 Qorvo 开发的 FOC 定制算法旨在满足这些要求，并加快 FOC 的操作序列。
通过功率调节达到更好的效果
真空吸尘器的吸力受到许多不同因素的影响，包括风管体积、电池体积、电池功率、堵塞真空吸尘器的任何吸入物和充满灰尘和碎片的排气过滤器。在这方面，在不断变化的条件下保持恒定功率是尽可能增加吸力的关键。基于扭矩或电机转速调节的设计不能很好地响应影响吸力强度的所有因素，而是集成在一起 SoC 由定制的微控制器监控 Qorvo FOC 算法控制的调节功率可以达到更一致的结果。利用 ADC 可实时计算收集的内部功率水平数据，并可快速调整必要的功率。
Qorvo 芯片提供的电机控制功能也支持各种保护措施，如：
● 过压保护、过压保护、过电流检测和调节
● 监控和保护内部电源
● 堵转保护
● 开路保护
● MCU 超温关机和重启(必要时)
从设计的角度来看，如果没有， Qorvo 真空吸尘器中的电源系统将需要大量额外的设计工作和许多额外的组件来控制和保护芯片提供的计算能力。 Qorvo SoC 集成到产品中，可以在各种条件下保持 120,000 rpm 恒定电机转速。该芯片提供了驱动真空电机并尽可能提高效率所需的一切。
确保快速启动速度
电机启动算法需要转子位置信息，以确保真空吸尘器的平稳快速启动。获取此信息，Qorvo 使用其 SoC 为了捕获三相电机电感的相关数据，向电机发送高频信号。使用这些数据计算转子位置的启动算法。在上一代无刷电机的设计中，用昂贵的霍尔传感器检测转子位置。但在这个设计中，Qorvo SoC 没有任何额外的霍尔传感器组件，可以处理内置功能。
转子位置的信息可以避免启动过程中的反向旋转，也有助于实现 5 秒内快速启动速度。
实现高效的经济设计
将执行电机控制功能的所有逻辑和电路集成到单个 Qorvo PAC 电机控制芯片是实现本产品高性价比设计的关键。在设计中避免使用分立元件，可以最大限度地减少维护需求，延长产品的生命周期。高度集成的 SoC 电源、栅极驱动、模拟前端、经济实惠ARM为了减少材料清单，嵌入式处理器等部件 (BOM) 成本。
Qorvo 可以使用开发的复杂算法 SoC 硬件实现各种电机控制功能。例如，本设计采用基于单电阻采样方法的无传感器 FOC 与许多上一代设计不同，需要使用三个采样电阻。 2 执行这些操作的电路显示。
自定义算法支持设计中的电源保护和高效功能，降低整体功耗，在更大范围内实现惊人的性能。在睡眠模式下，Qorvo PAC 控制功耗为 12 真空吸尘器的待机功率要求也很低。
和设计一样，Qorvo 与客户密切合作，开发能够扩大现有技术界限的解决方案，并配合设计能够平衡性能、效率和成本的产品。
图 2.电机驱动电路中的关键部件。
电机设计缩略语指南
ADC — 模数转换器
BLDC — 无刷直流电机
FOC — 磁场定向控制
IEC — 国际电工委员会
MCU — 微控制器单元
PWM — 脉宽调制器
VFD — 变频驱动