散熱風機無位置傳感器控制器設(shè)計

黃 其，曹紀超，薛利昆，胡 斌

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

電子設(shè)備在工作時會產(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)熱會帶來電子設(shè)備的局部溫度升高，進而引起電路板形變，甚至出現(xiàn)斷裂；過高溫升會減短元器件壽命、嚴重情況下會燒壞元器件，因此電子設(shè)備在設(shè)計時要考慮散熱，大部分電路板采用自然通風散熱，為了增大散熱面積會加裝散熱器；對環(huán)境溫度要求較高的電子設(shè)備會采用強制通風或通過液體進行冷卻[2]。

隨著移動互聯(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)器基站越來越多，服務(wù)器通常采用刀片式主機，由電源、散熱風扇、CPU、內(nèi)存、硬盤和擴展槽組成，機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，服務(wù)器設(shè)備常年連續(xù)運行，內(nèi)部功率元器件不斷產(chǎn)生熱量，需要通過風機進行散熱，風機按照氣體流動方向不同可以分為四類：離心風機、軸流風機、貫流風機和混流風機，其中軸流風機體積小、風量大，適合服務(wù)器機箱高度集成的結(jié)構(gòu)[3]，風機根據(jù)電源不同可分為直流風機和交流異步風機：交流異步風機主要用于工業(yè)設(shè)備通風散熱；直流風機由永磁無刷直流電機驅(qū)動扇葉旋轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用在各類電子設(shè)備中[4]。

本文設(shè)計一款方波無刷風機控制器，采用無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)，再對各個功能模塊進行設(shè)計，然后研究無位置傳感器控制算法，最后加工風機樣機并進行實驗。

1 風機控制器硬件設(shè)計

針對服務(wù)器散熱系統(tǒng)（如圖1），本文設(shè)計一款12 V 外轉(zhuǎn)子無刷直流風機控制器，其技術(shù)指標如下：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，風機運行指標：最大壓力大于1200 Pa，最大流量大于3.5 L/min，工作點1（400 Pa，3 L/min），工作點2（700 Pa，1.5 L/min）。

圖1 服務(wù)器散熱風機Fig.1 Cooling fan

圖2為無刷風機控制器的原理圖，主要由單片機、驅(qū)動電路、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/電流檢測電路等幾個模塊組成，三相逆變器的上橋臂由3個P 溝道MOSFET 組成、下橋臂由3個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；三相逆變器連接無刷風機的三相繞組，通過相繞組反電勢過零點來確定換相位置；檢測精密電阻上的壓降來測量母線電流，以實現(xiàn)電流閉環(huán)和過流保護功能。

圖2 無刷風機控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Block diagram of controller structure

風機逆變器結(jié)構(gòu)為三相橋式，無刷直流電機以“兩相六狀態(tài)”的換向方式轉(zhuǎn)動，即每一個狀態(tài)中有兩相繞組通電，電機轉(zhuǎn)動一個電磁周期有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[5]，當無刷直流電動機轉(zhuǎn)動時，這6個功率晶體管的導(dǎo)通順序為S1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6。

1.1 控制芯片

控制芯片采用國內(nèi)峰岹科技有限公司的FU6831單片機，是一款集成高速8051內(nèi)核和電機控制的專用芯片，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)部集成有高速運算放大器、比較器、Pre-driver（驅(qū)動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

風機要求具有正負極反接保護功能，在電源正負極反接時不會損壞風機，采用3個肖特基二極管D1～D3并聯(lián)后串聯(lián)到電源正極實現(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)動電路

本風機額定電壓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關(guān)器件，逆變器通常采用自舉電路來驅(qū)動功率開關(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)動電路如圖5所示。

圖3 峰岹FU6831單片機接口Fig.3 Microcomputer interface

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

圖5 W相驅(qū)動電路Fig.5 Driver circuit

1.4 母線電流檢測

控制器通過檢測母線電流來實現(xiàn)電流閉環(huán)和過流保護功能，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時壓降為0.165 V，根據(jù)歐姆定理可以算出電流值[7]），檢測采樣電阻對地的電壓信號，經(jīng)過放大、濾波電路后送到單片機的AD模塊中。

1.5 反電勢檢測電路

由于控制芯片的AD 采樣電壓范圍在0～5 V，而風機的相繞組反電勢范圍約在-1/2 VDD 到1/2 VDD，采用電阻分壓法來檢測母線電壓或風機相繞組反電勢，通過兩個電阻串聯(lián)到母線/相繞組和地線之間、電容用來消除高頻波紋的影響，在三相繞組反電勢的輸出端并聯(lián)一組星型連接電阻，得到一個虛擬中性點，各相繞組的反電勢值與中性點電壓值相比較得到過零點信號[8]，如圖6所示，F(xiàn)U6831單片機內(nèi)置比較器，只需將反電勢輸出點和中性點連接到單片機引腳。

圖6 反電勢檢測電路Fig.6 Back-emf sensing circuit

1.6 PCB 布局

由于風機的軸向尺寸短、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)，散熱風機安裝在服務(wù)器內(nèi)，附近有高速CPU和數(shù)據(jù)硬盤，所以風機控制器必須滿足電磁兼容要求，主要從布線和元器件布局來考慮：盡量縮短信號連線、將功率電流信號和控制信號分開、大面積鋪地線、增加去耦電容等，風機控制器PCB 板正反面如圖7所示。

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

2 風機控制器軟件設(shè)計

散熱風機在工作時需要保證轉(zhuǎn)速恒定，同時要檢測相電流實現(xiàn)過流保護，所以風機控制器系統(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)，過流保護比調(diào)速實時性要求較高，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)保證風機以允許的最大電流值起動，實現(xiàn)以最大加速度起動，同時在風機過載時限制最大電流，起到保護作用，速度環(huán)使風機轉(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 風機控制算法Fig.8 Control algorithm

2.1 無位置傳感器換相原理

本風機通過相繞組反電動勢過零點來判斷換相時刻，反電勢過零點再延遲30°電角度就是該相繞組的換相時刻[6]，過零點與換相時刻如圖9所示，圖中6個黑色實心點為過零時刻，毎一個波形周期內(nèi)出現(xiàn)2次，eA、eB、eC分別是各相位之間互差120°的三相梯形反電動勢，陰影部分為繞組通電區(qū)間，Q1～Q6分別是一個周期中的6個換相時刻點，通過計算可以得出兩次換相信號的時間間隔來計算風機的轉(zhuǎn)速。

圖9 反電勢過零點確定換相Fig.9 Commutation control

2.2 風機運行控制

無位置傳感器風機在起動時刻，速度為零，此時反電勢為零，無法判斷換相時刻，因此需要其它方法判斷位置進行起動，常用的起動方法有三段式、預(yù)定位法、升壓升頻法，針對風機負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比、起動階段負載轉(zhuǎn)矩低的特點，該風機控制器采用三段式起動方法[10]，包括定位、加速、切換3個階段，具體實施：先讓兩相繞組通電，產(chǎn)生電樞（繞組）磁場，拖動永磁體轉(zhuǎn)子到某一確定位置，完成定位，然后逆變器的開關(guān)管按照S1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6的順序循環(huán)導(dǎo)通，電樞（繞組）磁場按60°電角度跳躍旋轉(zhuǎn)，永磁體轉(zhuǎn)子也跟隨轉(zhuǎn)動，一個旋轉(zhuǎn)周期360°電角度，前后相鄰兩個旋轉(zhuǎn)周期的導(dǎo)通時間按比例減少，則電樞（繞組）磁場的跳躍速度加快，使永磁體轉(zhuǎn)子加速，當永磁體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速足夠大時，反電勢過零點比較信號能夠持續(xù)正常檢測到，此時就要切換到無位置傳感器控制模式。

起動階段和正常運行狀態(tài)都對母線電流實時檢測，進行過流保護。

3 樣機試驗

散熱風機測試系統(tǒng)如圖10所示，直流穩(wěn)壓12 V電源給風機控制器供電，電源實時顯示輸出電壓、電流和功率值，示波器通過電流鉗采集風機相繞組電流，風機安裝在風洞進口處，風洞能提供一種風速可調(diào)、流量可調(diào)的有風測試環(huán)境，風洞內(nèi)部裝有傳感器，通過調(diào)節(jié)風道壓力和風阻，上位機能實時檢測風機的風壓和流量，顯示數(shù)據(jù)、生成波形曲線。

圖10 測試平臺Fig.10 Test platform

3.1 風機起動和穩(wěn)定運行

在風洞全開、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，風機采用三段式起動，預(yù)定位和加速階段控制相電流限定幅值，切換到無位置傳感器控制模式后，隨著轉(zhuǎn)速增加、負載功率增大，電流幅值不斷增大，由于風機轉(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）顯示了風機起動時的相電流波形，圖11（b）顯示了風機在額定轉(zhuǎn)速（負載）時的相電流波形，有效值3.42 A。

圖11 實驗波形Fig.11 Experimental waveforms

3.2 風機P-Q 曲線

風機控制器采用速度閉環(huán)控制方式，設(shè)定風機轉(zhuǎn)速為15000 r/min，調(diào)節(jié)風洞的全壓為200 Pa，傳感器測得風機的流量為3.6 L/min，增大壓力到全壓為400 Pa，傳感器測得風機的流量為3.4 L/min，大于工作點流量3.0 L/min；繼續(xù)增大壓力到全壓為700 Pa，傳感器測得風機的流量為3.4 L/min，大于工作點流量1.9 L/min，風機的P-Q 曲線如圖12所示，滿足工作點設(shè)計要求。

圖12 風機的P-Q 曲線Fig.12 P-Q curve of the fan

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款方波無刷直流風機控制器，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)動電路和LDO 電源變換的峰岹FU6831單片機，控制器采用三段式起動實現(xiàn)無位置傳感器控制算法，具有防反接和過電流保護功能。樣機實驗驗證了控制器方案的合理性。