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基于英飞凌PSOC Control C3的高速吹风机变频控制方案

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英飞凌推出高速吹风机解决方案,采用PSOC™ Control C3 MCU和CoolGaN™技术,实现高转速、低噪音、高效能电机控制。

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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


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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:


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高性能可编程模拟子系统


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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)


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单电阻伪差分ADC采样结构图


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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。


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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


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基于PSOC Control C3控制器的高速吹风机变频方案介绍


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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。


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


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系统框图


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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


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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。


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无感FOC控制框图


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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


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无传感器FOC算法执行时间


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高速吹风机控制性能展示


吹风机加减速测试波形

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50K rpm ---> 120Krpm ---> 50Krpm

吹风机稳定运行测试波形

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12万转稳定运行时的相电流波形

吹风机启动波形

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直接闭环启动的波形

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滑动查看更多性能展示

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可以看出直接闭环启动非常的平稳,没有抖动,335ms到满速。


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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。


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