现代电机设计，清洁便携式真空

21世纪的家庭提供了大量的例子，说明一个简单的日常设备——电动机——是如何通过现代设计演变成越来越多的家用电器的组成部分的。在家里，你可以在冰箱、电脑、微波炉、风扇、洗衣机和吸尘器中找到电动机。在家庭之外，马达存在于车库门开启器、商店真空吸尘器、园艺修剪器、无绳耕耘机、电动割草机、压力清洗机和其他庭院设备中。

这篇博客文章着眼于一个工程项目，在该项目中，Qorvo帮助满足大功率无线吸尘器的设计规范，使用先进的PMSM(永磁同步电机)来提供异常高的功率和速度。

全球吸尘器市场趋势

2018年，全球吸尘器市场规模达到92亿美元。根据盛大视图研究，这个市场表现出强劲增长。他们在2019年到2025年期间预测CAGR将在预测期间为9.1％，这是由职业妇女的增加和与生活标准的上升相关的新消费者预期的推动。

消费者偏好对节能器具运营和环境问题的消费者偏好来推动这一市场增长的重要部分。另一个增长因素正在增加对工作场所吸尘器的需求，以减少危险的粉尘，并在包括医院，制造中心，零售店和医疗保健设施的环境中提高卫生习惯。

挑战

解决方案

Qorvo和设计团队一开始就了解到最终产品将是高性能真空，因此选择了三相PMSM，因为它使用了正弦波换向，这有助于性能最大化。该设计依靠FOC并使用一种算法来控制定子的旋转磁场，依靠两个正交分量来调节磁通发生器并确定可用转矩。

使用FOC和由Qorvo开发的定制算法，可以精确控制电机速度，使真空的整体效率最大化成为可能。在设计团队和Qorvo的合作下，经过几个月的努力，这个产品成功地满足了产品需求。由于这种合作设计的努力，这种强大、高效的无线吸尘器现在可以在市场上买到。

概述 - 真空吸尘器操作

手持式真空吸尘器通过旋转电机驱动的风扇产生吸力，风扇将空气从吸尘器的头部抽出，然后将吸入的灰尘和碎片捕获在一个袋子或罐子里，然后通过排气口排出。通常，一个过滤器放置在排气流防止微小颗粒被排放。风扇电机的转速和进气口(或附件)的尺寸决定了吸入的程度，这是由空气从头部被抽走并从排气口强制排出时产生的负压确定的。在高端真空环境中，风扇转速通常可以达到每分钟10万转以上，比如Qorvo的产品设计。

大功率真空的关键部件

为实现最大性能，现代手持式吸尘器采用无刷直流（BLDC）电机，在电机外壳内产生旋转磁场。在这种类型的无刷设计中，定子静止，具有固定线圈，永磁体固定到转子上，该转子响应于循环磁场而旋转。定子线圈的电流精确地由外部电子电动机控制器控制，允许产生可变的转速。BLDC设计的优点，比刷式直流和传统的感应电机更复杂但更可控，包括高效的操作，更紧凑的足迹，更高的可靠性和卓越的长期耐用性。

本项目选用的无刷直流电动机为正弦波驱动的三相永磁同步电机，是满足高性能要求的最佳选择。该项目的准则包括:

• 超高速电机功能
• 具有过电压保护的恒定功率控制
• 快速启动操作
• 具有成本效益的设计组件

下一节将讨论使Qorvo和团队能够满足这些标准的设计特性。

设计亮点

Qorvo CST32251 IC，一个成员Qorvo Power Application Controller（PAC）家庭是吸尘器项目设计的核心。这个片上系统(SoC)提供了完整的功能来构建一个简单、紧凑、经济有效的电机控制板(见图2)。在这个设计中的电路板包括一个集成的电源管理系统，一个50 MHz、32位ARM Cortex-M0微控制器(MCU)，门驱动器，运算放大器，比较器，以及其他辅助组件。增加外围MOSFET，在可变条件下提供恒定功率输出，完成了集成设计。

图1所示。PMSM电机控制器和驱动器的功能框图。

实现超高速电机操作

卓越的电机速度是该项目的必不可少的设计参数，旨在使其可以达到市场上的标准真空吸尘器的水平。为了实现高达150,000 rpm的机械速度，需要密切地管理模数转换器（ADC）和脉冲宽度调制器（PWM）的操作，这些操作由ARM Cortex M0 MCU控制。所需的电气频率可以范围高达2.5 kHz和 - 用于精密FOC控制 - ADC采样速度和精度必须高达1 MSP，并且还需要非常精细的PWM分辨率。微控制器可确保这些值精细调整以进行精确操作，并且由Qorvo开发的FOC算法定制以满足这些要求，并加速FOC的操作序列。

调节功率达到最佳效果

许多不同的因素会影响真空吸尘器中的吸力，包括不同附件的空气管道，电池水平，任何摄取物体堵塞真空，以及排气过滤器饱和灰尘和碎屑。这是在改变条件下保持恒定功率的地方对于最大化吸力至关重要。Designs based on the regulation of torque or motor speed don’t respond as well to the full range of factors affecting suction strength, whereas regulating power—as monitored by microcontroller integrated into the SoC and controlled by the custom Qorvo FOC algorithm—delivers far more consistent results. Calculations are performed in real-time, using internal power-level data sampled by the ADC, and necessary power adjustments can be made rapidly.

Qorvo芯片提供的电机控制功能也支持多种保护措施，如:

• 过电压，欠压和过电流检测和调节
• 内部电源监控和保护/ LI>
• 锁定转子保护
• 开路保护
• 当需要时，MCU过温关机和复位

从设计的角度来看，如果没有Qorvo芯片提供的计算能力，在真空中控制和保护电力系统的挑战将需要大量额外的设计工作和许多额外的组件。通过将Qorvo SoC集成到产品中，可以在各种条件下保持120000 rpm的恒定电机转速。该芯片提供了驱动真空电机并使其效率最大化所需的一切。

确保快速启动速度

为确保真空光滑，快速启动，电机启动算法需要有关转子位置的信息。为了实现这一点，Qorvo使用其SoC将高频信号传送到电机，以捕获有关三相电机电感的数据。该数据由起始算法使用来计算转子位置。在过去发电无刷电机设计中，昂贵，易用的霍尔传感器用于检测转子位置，但在这种设计中，Qorvo SoC的内置能力可以在不需要任何额外的霍尔传感器组件的情况下处理此任务。

关于转子位置的信息使其有可能避免在启动期间的反向旋转，也有助于使快速启动速度在大约5秒内。

提供具成本效益的设计

将执行电机控制功能的所有逻辑和电路整合到一个Qorvo PAC电机控制芯片中是该产品性价比设计的关键。通过避免在设计中使用离散组件，最小化了维护需求，延长了产品生命周期。高度集成的SoC提供电源、门驱动、模拟前端、经济的ARM嵌入式处理器和其他部分，从而降低物料清单(BOM)成本。

Qorvo设计的复杂算法可以通过可用的SoC硬件实现许多电机控制功能。例如，该设计采用基于单电阻采样方法的无传感器FOC控制，而不是像过去许多设计中那样需要三个采样电阻。图2显示了执行这些操作的电路。

图2。电机驱动电路中的关键部件。

自定义算法还在设计中实现了节能和效率特性，降低了整体功耗，同时在更大范围的条件下提供了令人印象深刻的性能。在睡眠模式下，由Qorvo PAC控制的功耗为12微安，真空待机电源要求也非常低。

与此设计一样，Qorvo与客户密切合作，开发解决现有技术界限的解决方案，并协作地设计平衡性能，效率和成本的产品。

资源和建议

用无刷直流电机开发解决方案的有用参考Motor控制基础的假人，这解释了电机控制背后的技术清晰，简明的术语。