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无刷风扇矢量控制方案 |
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newmaker |
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无刷风扇的作用是利用气流带走积聚在散热鳍片上的热量。风扇的风量越大，单位时间内流动的空气就越大，散热效果越显著。一般说来风扇的电流越大，风扇的转速越高。但是风量的大小不仅仅要靠转速，还取决于扇页的角度。在扇页角度一定的情况下，转速越高，风量越高。通常风扇的规格有6cm、7cm、8cm、9cm，少数散热器开始使用12cm 超大直径的风扇，风扇的尺寸和规定通常用四位数字标识，比如8025 代表直径为80mm，厚度为25mm 的风扇。
风扇的参数：
一、风扇尺寸：
主要指风扇的尺寸大小，一般以风扇外边长和产品厚度尺寸表示，单位为mm。风扇的规格型号命名常常以尺寸为编号，比如：DC8025,其中的8025 就代表了产品的大小规格。
二、额定电压：
风扇额定运行下的电压值，常见的直流风扇电压普遍为5V、12V、24V、48V、300V 等规格。
三、风扇转速：
风扇转速的快慢，单位为RPM（转/每分钟），这是风扇一个较重要的参数，高转速表明可以带来大风量但也会带来噪音，生产厂家常常把产品标准化，分为超高（U），高(H)，中(M)，低(L)等转速的产品，以供用户根据自己的情况选择使用。
四、风量：
衡量一个风扇能力的一个量化指标，单位为立方英尺每分（CFM）。
五、风压：
标致风流量克服风阻的能力，该指标直接影响通风换气或散热的效果,单位为 mm-H2O。
六、噪音值：
是一个重要参数，虽然与通风散热效果无关，但对不同环境的使用要求很高，单位是dBA(分贝)。
七、轴承系统：
该配置是风扇的灵魂部件，直接关系产品使用的机械寿命。常分为滚珠轴承和含油轴承。
驱动硬件框图
市面上常见的无刷风扇大多使用8bit MCU，通过BEFM 原理实现控制BLDC，效率低，噪音高。这里我们使用意法半导体最新推出的32Bit Cortex-M3 微控制器STM32F100C4T6 和TOSHIBA MOSFET 基于FOC 原理单电阻采样实现对无传感器的PMSM 类型电机控制，该方案不仅适用无刷风扇，也广泛适用空调风机、抽油烟机、水泵等电机应用场合。
硬件框图
如上图，在电机控制的硬件框图，驱动控制器STM32F100C4T6 通过三个半桥驱动控制三相桥臂上的6 个TOSHIBA MOSFET TK2N60D 实现电机换相，通过对单电阻的电流采样，实现无位置检测。
因控制器需要对相电流采样进行处理、放大，这里我们选择ST 集成运放的半桥驱动L6392D 和集成比较器的运放L6391D。
FOC理论
基于STM32 的FOC 控制框图
FOC(Field Oriented Control),磁场定向控制，也称为矢量控制。其控制方式是将电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过Clark变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Iα和Iβ，再通过按转子磁场定向旋转变换Park变换，转换成同步旋转坐标系下的分解定子电流为Ids、Iqs (Ids相当于直流电动机的励磁电流，用于产生磁场；Iqs相当于直流电动机的电枢电流，与转矩成正比，用于控制转矩)，通过PI得到正交电压Vqs和Vds，利用反Park变换的到Vα、Vβ，再通过反Clark变换把直流控制量转变为所需的三相交流量Va、Vb和Vc，该三相电压值可用来计算出新的PWM 占空比值，以生成所期望的电压矢量，实现电机控制。
使用该方案控制无传感直流电机不需要在电机上增加位置传感器，可减少电机生产工艺，降低成本。同时使用单电阻采样，也降低了驱动部分的硬件成本。电机异常，过载，输入电源异常等，并在故障发生后进行相应的保护。如果可能，还可在异常恢复后，重新恢复工作。
控制芯片和驱动芯片硬件
方案使用意法半导体公司(STMICROELECTRONICS，ST)设计的基ARM Cortex M3 内核32bit 处理器STM32F100C4T6 作为驱动控制系统的核心。该控制器是ST 公司推出的一款面向低端产品应用的产品，最高运行速度24MHz，每兆赫兹可处理的指令等效于1.25DMIPS（Dhrystone2.1）。内核自带单周期乘法和硬件除法，其自带的1 个16bit 增强型定时器及最高采样速度可到1us 的ADC模块，较为适合电机驱动控制，同时ST 也主要针对电机应用提供基于FOC 的算法库，可方便用户快速评估。
半桥驱动IC 选择ST 的2 个集成比较器的L6391D 和1 个集成运算放大器的L6392D。2 个集成的比较器用于相电流采样得到的电压负压平移和过流保护，1 个集成的运算放大器具有的12MHz 的GBWR 和3.8 V/μs 的SR，足以胜任单电阻的电流采样、放大要求，该方案节省了外部附加分立的比较器和运算放放大器，降低系统的成本，同时也减少PCB 布线和面积，增强了系统的可靠性。
开关电源AC/DC使用ST的Viper12实现，提供STM32工作电压，6个MOSFET使用东芝2A 600V TK2N60D。
方案特点：
在无刷风扇采用高精度、长寿命低噪音进口滚珠轴承配合STM32高性能FOC 算法控制器后，风扇具有启动快、风量大、寿命长，噪音低，振动小，耐腐蚀、耐高温、耐低温、运转稳定等特点。
结论:
根据客户的产品长时间运行实测的性能数据反馈，采用新的方案后整机能与原采用传统反电动势控制方式有显著的节能表现，同时带来的产品的稳定性和可靠性也高于后者。在当前国家提倡节能减排的大环境下，传统的电机耗能应用都将面临技术更新换代，本方案可广泛适用空调风机、抽油烟机、水泵、排气扇、工业风机等应用场合，市场容量大，具有较快增长潜力。
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(4/24/2012) |
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