散熱風(fēng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制器設(shè)計(jì)

黃 其，曹紀(jì)超，薛利昆，胡 斌

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安710072；2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng)550081）

電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其是電路中含有功率元器件，如能耗電阻、功率開(kāi)關(guān)管、變壓器、DC 電源變換器、高速處理芯片等[1]，元器件持續(xù)發(fā)熱會(huì)帶來(lái)電子設(shè)備的局部溫度升高，進(jìn)而引起電路板形變，甚至出現(xiàn)斷裂；過(guò)高溫升會(huì)減短元器件壽命、嚴(yán)重情況下會(huì)燒壞元器件，因此電子設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮散熱，大部分電路板采用自然通風(fēng)散熱，為了增大散熱面積會(huì)加裝散熱器；對(duì)環(huán)境溫度要求較高的電子設(shè)備會(huì)采用強(qiáng)制通風(fēng)或通過(guò)液體進(jìn)行冷卻[2]。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展，處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的服務(wù)器基站越來(lái)越多，服務(wù)器通常采用刀片式主機(jī)，由電源、散熱風(fēng)扇、CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)和擴(kuò)展槽組成，機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，服務(wù)器設(shè)備常年連續(xù)運(yùn)行，內(nèi)部功率元器件不斷產(chǎn)生熱量，需要通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，風(fēng)機(jī)按照氣體流動(dòng)方向不同可以分為四類(lèi)：離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、貫流風(fēng)機(jī)和混流風(fēng)機(jī)，其中軸流風(fēng)機(jī)體積小、風(fēng)量大，適合服務(wù)器機(jī)箱高度集成的結(jié)構(gòu)[3]，風(fēng)機(jī)根據(jù)電源不同可分為直流風(fēng)機(jī)和交流異步風(fēng)機(jī)：交流異步風(fēng)機(jī)主要用于工業(yè)設(shè)備通風(fēng)散熱；直流風(fēng)機(jī)由永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用在各類(lèi)電子設(shè)備中[4]。

本文設(shè)計(jì)一款方波無(wú)刷風(fēng)機(jī)控制器，采用無(wú)位置傳感器方波控制方式，首先確定控制器的硬件結(jié)構(gòu)，再對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后研究無(wú)位置傳感器控制算法，最后加工風(fēng)機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 風(fēng)機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)服務(wù)器散熱系統(tǒng)（如圖1），本文設(shè)計(jì)一款12 V 外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)控制器，其技術(shù)指標(biāo)如下：額定電壓12 VDC，額定電流3.5 A，額定功率42 W，額定轉(zhuǎn)速15000 r/min ±10%，PCB 環(huán)型結(jié)構(gòu)，外徑43 mm，內(nèi)徑18 mm，風(fēng)機(jī)運(yùn)行指標(biāo)：最大壓力大于1200 Pa，最大流量大于3.5 L/min，工作點(diǎn)1（400 Pa，3 L/min），工作點(diǎn)2（700 Pa，1.5 L/min）。

圖1 服務(wù)器散熱風(fēng)機(jī)Fig.1 Cooling fan

圖2為無(wú)刷風(fēng)機(jī)控制器的原理圖，主要由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、逆變器電路、電源變換電路、防反接電路以及控制器母線電壓/電流檢測(cè)電路等幾個(gè)模塊組成，三相逆變器的上橋臂由3個(gè)P 溝道MOSFET 組成、下橋臂由3個(gè)N 溝道MOSFET組成，在母線正極串聯(lián)二極管構(gòu)成防反接電路；三相逆變器連接無(wú)刷風(fēng)機(jī)的三相繞組，通過(guò)相繞組反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定換相位置；檢測(cè)精密電阻上的壓降來(lái)測(cè)量母線電流，以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)和過(guò)流保護(hù)功能。

圖2 無(wú)刷風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Block diagram of controller structure

風(fēng)機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)為三相橋式，無(wú)刷直流電機(jī)以“兩相六狀態(tài)”的換向方式轉(zhuǎn)動(dòng)，即每一個(gè)狀態(tài)中有兩相繞組通電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電磁周期有6種磁狀態(tài)，這6種磁狀態(tài)相差60°電角度，形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[5]，當(dāng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這6個(gè)功率晶體管的導(dǎo)通順序?yàn)镾1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6。

1.1 控制芯片

控制芯片采用國(guó)內(nèi)峰岹科技有限公司的FU6831單片機(jī)，是一款集成高速8051內(nèi)核和電機(jī)控制的專(zhuān)用芯片，具有單周期16×16位乘法器和32/32位除法器，8 通道12位ADC，多種TIMER和PWM模塊，內(nèi)置高壓LDO和VREF 參考電壓，實(shí)現(xiàn)1/2 VDD和1/2 VDD VRE 參考輸出，芯片內(nèi)部集成有高速運(yùn)算放大器、比較器、Pre-driver（驅(qū)動(dòng)3P MOSFET +3N MOSFET的接口），通信接口有SPI、I2C、UART等，如圖3所示。

1.2 電源防反接

風(fēng)機(jī)要求具有正負(fù)極反接保護(hù)功能，在電源正負(fù)極反接時(shí)不會(huì)損壞風(fēng)機(jī)，采用3個(gè)肖特基二極管D1～D3并聯(lián)后串聯(lián)到電源正極實(shí)現(xiàn)防反接功能，如圖4所示，二極管的耐壓45 V，耐電流15 A，TO-277封裝，三個(gè)二極管并聯(lián)具有良好的散熱效果。

1.3 功率器件和驅(qū)動(dòng)電路

本風(fēng)機(jī)額定電壓12 V，額定電流3.5 A，屬于低壓小電流系統(tǒng)，可以采用MOSFET 作為逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件，逆變器通常采用自舉電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件，往往需要自舉芯片和外圍電路，增加了PCB 電路板的空間和成本，控制芯片F(xiàn)U6831內(nèi)部集成了Driver 電路，6 格PWM輸出引腳能直接驅(qū)動(dòng)3 只P-MOSFET和3 只N-MOSFET 功率管，為了保證逆變器具有安全余量，功率管采用國(guó)內(nèi)新潔能公司生廠的耐壓30 V、耐電流30 A、具有良好散熱的DFN-3x3_EP 封裝MOSFET，逆變器的上橋臂采用P管，下橋臂采用N 管，W相驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖3 峰岹FU6831單片機(jī)接口Fig.3 Microcomputer interface

圖4 防反接電路Fig.4 Anti-reverse connection circuit

圖5 W相驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Driver circuit

1.4 母線電流檢測(cè)

控制器通過(guò)檢測(cè)母線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)和過(guò)流保護(hù)功能，電阻RS3為電流采樣電阻（采用康銅絲線繞電阻0.05 Ω/2 W，額定電流3.5 A時(shí)壓降為0.165 V，根據(jù)歐姆定理可以算出電流值[7]），檢測(cè)采樣電阻對(duì)地的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波電路后送到單片機(jī)的AD模塊中。

1.5 反電勢(shì)檢測(cè)電路

由于控制芯片的AD 采樣電壓范圍在0～5 V，而風(fēng)機(jī)的相繞組反電勢(shì)范圍約在-1/2 VDD 到1/2 VDD，采用電阻分壓法來(lái)檢測(cè)母線電壓或風(fēng)機(jī)相繞組反電勢(shì)，通過(guò)兩個(gè)電阻串聯(lián)到母線/相繞組和地線之間、電容用來(lái)消除高頻波紋的影響，在三相繞組反電勢(shì)的輸出端并聯(lián)一組星型連接電阻，得到一個(gè)虛擬中性點(diǎn)，各相繞組的反電勢(shì)值與中性點(diǎn)電壓值相比較得到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)[8]，如圖6所示，F(xiàn)U6831單片機(jī)內(nèi)置比較器，只需將反電勢(shì)輸出點(diǎn)和中性點(diǎn)連接到單片機(jī)引腳。

圖6 反電勢(shì)檢測(cè)電路Fig.6 Back-emf sensing circuit

1.6 PCB 布局

由于風(fēng)機(jī)的軸向尺寸短、圓環(huán)形PCB 布板面積小（外徑43 mm，內(nèi)徑18 mm），因此控制器的所有元器件采用表貼式結(jié)構(gòu)，散熱風(fēng)機(jī)安裝在服務(wù)器內(nèi)，附近有高速CPU和數(shù)據(jù)硬盤(pán)，所以風(fēng)機(jī)控制器必須滿(mǎn)足電磁兼容要求，主要從布線和元器件布局來(lái)考慮：盡量縮短信號(hào)連線、將功率電流信號(hào)和控制信號(hào)分開(kāi)、大面積鋪地線、增加去耦電容等，風(fēng)機(jī)控制器PCB 板正反面如圖7所示。

圖7 PCB 正反面布局Fig.7 Circuit board layout

2 風(fēng)機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

散熱風(fēng)機(jī)在工作時(shí)需要保證轉(zhuǎn)速恒定，同時(shí)要檢測(cè)相電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，所以風(fēng)機(jī)控制器系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)串聯(lián)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，過(guò)流保護(hù)比調(diào)速實(shí)時(shí)性要求較高，系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)結(jié)構(gòu)[9]，如圖8所示，電流環(huán)保證風(fēng)機(jī)以允許的最大電流值起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)以最大加速度起動(dòng)，同時(shí)在風(fēng)機(jī)過(guò)載時(shí)限制最大電流，起到保護(hù)作用，速度環(huán)使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟上給定轉(zhuǎn)速，速度調(diào)節(jié)器輸出值限幅在最大允許電流值。

圖8 風(fēng)機(jī)控制算法Fig.8 Control algorithm

2.1 無(wú)位置傳感器換相原理

本風(fēng)機(jī)通過(guò)相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷換相時(shí)刻，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)再延遲30°電角度就是該相繞組的換相時(shí)刻[6]，過(guò)零點(diǎn)與換相時(shí)刻如圖9所示，圖中6個(gè)黑色實(shí)心點(diǎn)為過(guò)零時(shí)刻，毎一個(gè)波形周期內(nèi)出現(xiàn)2次，eA、eB、eC分別是各相位之間互差120°的三相梯形反電動(dòng)勢(shì)，陰影部分為繞組通電區(qū)間，Q1～Q6分別是一個(gè)周期中的6個(gè)換相時(shí)刻點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算可以得出兩次換相信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖9 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)確定換相Fig.9 Commutation control

2.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制

無(wú)位置傳感器風(fēng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)刻，速度為零，此時(shí)反電勢(shì)為零，無(wú)法判斷換相時(shí)刻，因此需要其它方法判斷位置進(jìn)行起動(dòng)，常用的起動(dòng)方法有三段式、預(yù)定位法、升壓升頻法，針對(duì)風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比、起動(dòng)階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩低的特點(diǎn)，該風(fēng)機(jī)控制器采用三段式起動(dòng)方法[10]，包括定位、加速、切換3個(gè)階段，具體實(shí)施：先讓兩相繞組通電，產(chǎn)生電樞（繞組）磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子到某一確定位置，完成定位，然后逆變器的開(kāi)關(guān)管按照S1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6的順序循環(huán)導(dǎo)通，電樞（繞組）磁場(chǎng)按60°電角度跳躍旋轉(zhuǎn)，永磁體轉(zhuǎn)子也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期360°電角度，前后相鄰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的導(dǎo)通時(shí)間按比例減少，則電樞（繞組）磁場(chǎng)的跳躍速度加快，使永磁體轉(zhuǎn)子加速，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)比較信號(hào)能夠持續(xù)正常檢測(cè)到，此時(shí)就要切換到無(wú)位置傳感器控制模式。

起動(dòng)階段和正常運(yùn)行狀態(tài)都對(duì)母線電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

散熱風(fēng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示，直流穩(wěn)壓12 V電源給風(fēng)機(jī)控制器供電，電源實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流和功率值，示波器通過(guò)電流鉗采集風(fēng)機(jī)相繞組電流，風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處，風(fēng)洞能提供一種風(fēng)速可調(diào)、流量可調(diào)的有風(fēng)測(cè)試環(huán)境，風(fēng)洞內(nèi)部裝有傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)道壓力和風(fēng)阻，上位機(jī)能實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和流量，顯示數(shù)據(jù)、生成波形曲線。

圖10 測(cè)試平臺(tái)Fig.10 Test platform

3.1 風(fēng)機(jī)起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行

在風(fēng)洞全開(kāi)、外部不加壓力情況下，控制器通入12 V 穩(wěn)壓電源，設(shè)置額定轉(zhuǎn)速15000 r/min，風(fēng)機(jī)采用三段式起動(dòng)，預(yù)定位和加速階段控制相電流限定幅值，切換到無(wú)位置傳感器控制模式后，隨著轉(zhuǎn)速增加、負(fù)載功率增大，電流幅值不斷增大，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在超調(diào)，再穩(wěn)定到15000 r/min，電流也出現(xiàn)超調(diào)后逐漸穩(wěn)定，圖11（a）顯示了風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的相電流波形，圖11（b）顯示了風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（負(fù)載）時(shí)的相電流波形，有效值3.42 A。

圖11 實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms

3.2 風(fēng)機(jī)P-Q 曲線

風(fēng)機(jī)控制器采用速度閉環(huán)控制方式，設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為15000 r/min，調(diào)節(jié)風(fēng)洞的全壓為200 Pa，傳感器測(cè)得風(fēng)機(jī)的流量為3.6 L/min，增大壓力到全壓為400 Pa，傳感器測(cè)得風(fēng)機(jī)的流量為3.4 L/min，大于工作點(diǎn)流量3.0 L/min；繼續(xù)增大壓力到全壓為700 Pa，傳感器測(cè)得風(fēng)機(jī)的流量為3.4 L/min，大于工作點(diǎn)流量1.9 L/min，風(fēng)機(jī)的P-Q 曲線如圖12所示，滿(mǎn)足工作點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

圖12 風(fēng)機(jī)的P-Q 曲線Fig.12 P-Q curve of the fan

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款方波無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)控制器，考慮到PCB 電路板的面積和元器件成本，主控芯片采用集成MOS 管驅(qū)動(dòng)電路和LDO 電源變換的峰岹FU6831單片機(jī)，控制器采用三段式起動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制算法，具有防反接和過(guò)電流保護(hù)功能。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器方案的合理性。