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无刷风扇适量控制方案

助工
2012-05-14 13:47:35    评分
无刷风扇矢量控制参考方案
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。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。
FOFOC 理论





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。



关键词: 无刷     风扇     适量     控制     方案     电机    

助工
2012-07-28 18:04:57    评分
2楼

mark!!


高工
2012-07-28 19:32:09    评分
3楼
多大的风扇啊,还要用foc,玩大了吧

菜鸟
2013-08-08 14:02:09    评分
4楼
有没有资料?

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