基于英飞凌PSOC Control C3的高速吹风机变频控制方案

 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™ 控制 C3，搭配英飞凌的CoolGaN™ 半桥集成功率级能够实现高达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

• PWM载波频率和控制频率高达100kHz
• 无传感器FOC算法执行时间 <8μs
• 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响应时间
• 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、恒功率控制以及恒转矩控制
• 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，噪声抑制能力更强
• 兼容单/腿/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

 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

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）

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。

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约为半个PWM周期，从而显著提升电流环带宽和观测器性能。

 基于PSOC Control C3控制器的高速吹风机变频方案  

1. 演示硬件

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。

基于PSoC Control C3 MCU控制卡和高压GaN驱动板的演示

2. 系统架构

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。

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 <8μs：

• 主频180MHz
• 单精度浮点运算单元(FPU)和DSP
• 16KB的指令缓存
• 基于Arm® v8-M架构的Arm®三级流水线（3PIP）
• 通过I-Cache的AHB（C-AHB）总线，无任何时间延迟

无传感器FOC算法执行时间

5. 高速吹风机控制性能展示

吹风机启动波形

50K转/分钟 ---> 120K转/分钟 ---> 50K转/分钟

12万转稳定运行时的相电流波形

直接闭环启动的波形

测试结果：

• 加减速测试：50K转/分钟 → 120K转/分钟 → 50K转/分钟
• 稳定运行：12万转稳定运行时的相电流波形良好
• 启动性能：直接闭环启动非常平稳，没有抖动，335毫秒达到满速

 结语 

16万转的高速吹风机整体解决方案，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。

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