高速吹風機變頻方案介紹

高速吹風機，特別是轉速突破10萬轉的產品，已成為消費電子和個人護理領域的新標竿。相比於傳統電吹風，高速吹風機的風量更大，能減少對頭髮的傷害，噪音更低，使用體驗也更佳。

針對高速吹風機市場，英飛凌推出16萬轉及以上無感FOC的高速吹風機解決方案。該方案採用PSOC™ 控制 C3，搭配英飛凌的CoolGaN™ 半橋集成功率級能夠實現高達100KHz的載頻控制，支援快速啟停，400毫秒內可達最大轉速。

方案特性

• PWM載波頻率和控制頻率高達100kHz
• 無感測器FOC演算法執行時間 <8μs
• 支援動態PWM載頻變換功能（5KHz至100KHz）
• 兼容7/5段SVPWM，減少PWM開關損耗
• 支援半週期PWM更新模式，提升位置估算精度和電流環響應時間
• 電機參數線上識別，控制參數自適應
• 極強的系統方案穩健性，馬達參數±80%誤差仍能保持正常運作
• 支持速度控制、恆功率控制以及恆轉矩控制
• 支援順風啟動，無抖動靜止閉環啟動，可靠性100%
• 偽差分ADC採樣，無需外部運算放大器和比較器，PCB佈線更簡潔，噪音抑制能力更強。
• 兼容單/腿/3電阻電流採樣模式
• 支援完整的馬達控制保護和IEC60730安全功能
• 電機控制解決方案已通過量產驗證

PSOC Control C3 產品介紹

PSOC Control C3 是英飛凌專門為電機控制和數位電源設計的 MCU，整合了專門針對電機應用優化的周邊設備，支援電機常見的各種控制方式。它具備適合無感 FOC 控制的相關周邊設備和特色亮點：

高效能可程式化模擬子系統

高性能可編程模擬子系統

• 12位元12Msps SAR ADC，支援16個類比通道進行平行閒置取樣
• 每個通道都配備獨立取樣保持器
• 每個通道可獨立配置增益（1、3、6、12）
• 所有通道都支援同步取樣模式
• 16個模擬通道可分配給8個獨立的群組，每個群組支持8路觸發來源
• 支持偽差分採樣模式
• 每個通道整合限幅檢測功能（協助過流/過壓保護，減少CPU介入）
• 支援ADC DMA和FIFO模式，減少CPU干預
• ADC 模擬輸出可直接接入 CSG 比較器進行保護
• 10位DAC為比較器的輸入提供參考電壓
• 提供多路觸發源輸出（用於關鍵周邊同步觸發）

單電阻偽差分ADC採樣結構圖

2. 彈性的TCPWM

面向不同PWM應用的彈性計數模式以及彈性的輸入輸出觸發信號。

TCPWM用於單電阻取樣

• 3個TCPWM計數器用於產生3對互補PWM信號。1個TCPWM計數器用作ADC觸發信號。電機運行時，所有4個TCPWM計數器同步。
• 溢出事件觸發FOC中斷，並在前半個PWM週期內執行。
• 所有的 GPIO 都可以作為 PWM 輸出腳位，讓 PCB 的佈局更加簡便。
• 從AD取樣到下一次PWM比較更新的時間間隔僅約為半個PWM週期，從而顯著提升電流環的頻寬和觀測器性能。

基於PSOC Control C3控制器的高速吹風機變頻方案

展示硬體

基於PSOC Control C3的高速吹風機Demo可以使用KIT_PSC3M5_CC2的MCU控制卡搭配高壓GaN驅動板的靈活方案。

基於PSoC Control C3 MCU控制卡和高壓GaN驅動板的展示

2. 系統架構

高速吹風機系統框圖

• ADC支援偽差分輸入取樣模式
• ADC通道支援同步取樣模式
• 內部CSG比較器的正相輸入信號來自ADC引腳，反相參考信號來自DAC。
• 反電勢相電壓僅用於高反電勢電壓電機

3. 無感FOC控制

支援三種控制模式：扭矩、功率和速度控制，具備順風、逆風以及靜態直接閉環啟動、死區補償等功能。

無感FOC控制框圖

4. FOC 執行時間

得益於以下特性，PSOC Control C3高速吹風機的無感測器FOC演算法執行時間 <8μs：

• 主頻180MHz
• 單精度浮點運算單元(FPU)和DSP
• 16KB的指令快取
• 基於Arm® v8-M架構的Arm®三級流水線（3PIP）
• 透過I-Cache的AHB（C-AHB）匯流排，無任何時間延遲

無感測器FOC演算法執行時間

5. 高速吹風機控制性能展示

吹風機啟動波形

50K轉/分鐘 ---> 120K轉/分鐘 ---> 50K轉/分鐘

12萬轉穩定運行時的相電流波形

直接閉環啟動的波形

測試結果：

• 加減速測試：50K轉/分鐘 → 120K轉/分鐘 → 50K轉/分鐘
• 穩定運行：12萬轉穩定運行時的相電流波形良好
• 啟動性能：直接閉環啟動非常平穩，沒有抖動，335毫秒達到滿速

結語

16萬轉的高速吹風機整體解決方案，採用基於32位元ARM Cortex-M33核心、180MHz主頻的PSOC Control C3，搭配英飛凌的CoolGaN™ Half-Bridge IPS，可實現100KHz開關頻率的單電阻FOC控制，支援快速加減速，具有損耗低、運行穩定、BOM成本低等特點。

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