基于英飞凌PSOC Control C3的高速吹风机变频控制方案

1、高速吹风机变频方案介绍

高速吹风机，特别是转速突破10万转的产品，已成为消费电子和个护领域的新标杆。相比于传统电吹风，高速吹风机的风量更大，能减少对头发的伤害，噪音更低，使用体验也更好。针对高速吹风机市场，英飞凌推出16万转及以上无感FOC的高速吹风机解决方案。该方案采用PSOC™ Control C3，搭配英飞凌的CoolGaN™ Half-Bridge IPS,能够实高达100KHz的载频控制,支持快速启停，400毫秒内可达最大转速。

方案特性如下：

● PWM载波频率和控制频率高达100Khz

● 无传感器FOC算法执行时间<8us

● 支持动态PWM载频变换功能（5Khz至100Khz）

● 兼容7/5段SVPWM，减少PWM开关损耗

● 支持半周期PWM更新模式，提高位置估算精度和电流环相应时间

● 电机参数在线识别，控制参数自适应

● 极强的系统方案鲁棒性，电机参数±80% 误差仍能保持正常工作

● 支持速度控制、恒功率控制以恒转矩控制

● 支持顺风启动，无抖动静止闭环启动，可靠性100%

● 伪差分 ADC 采样，无需外部运放和比较器，PCB走线更简洁，噪音抑制能力更强

● 兼容Single/leg/3 电阻电流采样模式

● 支持完整的电机控制保护和 IEC60730 安全功能

● 电机控制解决方案已通过量产验证

2、PSOC Control C3 产品介绍

PSOC Control C3是英飞凌专门为电机控制和数字电源而设计的MCU，集成了专门针对电机应用优化的外设，支持电机常见的各种控制方式，它具有适合无感FOC控制的相关外设和亮点：

1）高性能可编程模拟子系统

图：高性能可编程模拟子系统

● 12 位12Msps SAR ADC，支持 16 个模拟通道进行并行空闲采样

● 每个通道都配备独立采样保持器

● 每个通道可独立配置增益（1、3、6、12）

● 所有通道都支持同步采样模式

● 16 个模拟通道可分配给 8 个独立的组，每组支持8路触发源

● 支持伪差分采样模式

● 每个通道集成限幅检测功能（助力过流/过压保护，减少CPU干预）

● 支持 ADC DMA 和 FIFO 模式，减少 CPU 干预

● ADC 模拟输出可直接接入CSG 比较器进行保护

● 10 位 DAC 为比较器的输入提供参考电压

● 提供多路触发源输出（用于关键外设同步触发）

图：单电阻伪差分ADC采样结构图

2）灵活的TCPWM

面向不同PWM应用的灵活计数模式以及灵活的输入输出触发信号。

图：TCPWM用于单电阻采样

● 3 个TCPWM 计数器用于产生 3 对互补 PWM 信号。1个 TCPWM 计数器用作 ADC 触发信号。电机运行时，所有 4 个 TCPWM 计数器同步。

● 溢出事件触发 FOC 中断，并在前半个 PWM 周期内执行。

● 所有 GPIO 均可用作 PWM 输出引脚，从而使 PCB 布局更加简便

● 从 AD 采样到下一次 PWM 比较更新的时间间隔仅为约半个 PWM 周期，从而显著提升电流环 带宽和观测器性能

3、基于PSOC Control C3控制器的高速吹风机变频方案介绍

1）Demo硬件

基于PSOC Control C3 的高速吹风机Demo可以使用KIT_PSC3M5_CC2的MCU控制卡搭配高压GaN驱动板的灵活方案。

图：基于PSOC Control C3 MCU控制卡和高压GaN驱动板的Demo

2）系统框图

图：高速吹风机系统框图

● ADC 支持伪差分输入采样模式

● ADC 通道支持同步采样模式

● 内部 CSG 比较器的正相输入信号来自 ADC 引脚，反相参考信号来自 DAC

● 反电势相电压仅用于高反电势电压电机

3）无感FOC控制

支持3 种控制模式：转矩、功率和速度控制，具有顺风、逆风和静态直接闭环启动、死区补偿等功能。

图：无感FOC控制框图

4）FOC执行时间

得益于以下特性，PSOC Control  C3高速吹风机的无传感器FOC算法执行时间<8us：

● 主频180MHz

● 单精度浮点运算单元(FPU)和DSP

● 16KB的I-Cache

● 基于 Arm® v8-M 架构的 Arm® 3 级流水线 (3PIP)

● 通过 I-Cache 的 AHB (C-AHB) 总线，无任何时间延迟

图：无传感器FOC算法执行时间

5）高速吹风机控制性能展示

可以看出直接闭环启动非常的平稳，没有抖动，335ms到满速。

4、结语

16万转的高速吹风机的整体解决方案，采用基于32位ARM Cortex-M33内核，180MHz主频的PSOC Control C3，搭配英飞凌的CoolGaN™ Half-Bridge IPS，可实现100KHz开关频率单电阻FOC控制，支持快速加减速，具有损耗低、运行稳定、BOM成本低等特点。