散热风机无位置传感器控制器设计

黄 其，曹纪超，薛利昆，胡 斌

（1.西北工业大学 自动化学院，西安710072；2.贵州航天林泉电机有限公司，贵阳550081）

电子设备在工作时会产生热量，尤其是电路中含有功率元器件，如能耗电阻、功率开关管、变压器、DC 电源变换器、高速处理芯片等[1]，元器件持续发热会带来电子设备的局部温度升高，进而引起电路板形变，甚至出现断裂；过高温升会减短元器件寿命、严重情况下会烧坏元器件，因此电子设备在设计时要考虑散热，大部分电路板采用自然通风散热，为了增大散热面积会加装散热器；对环境温度要求较高的电子设备会采用强制通风或通过液体进行冷却[2]。

随着移动互联网技术的日益发展，处理网络数据的服务器基站越来越多，服务器通常采用刀片式主机，由电源、散热风扇、CPU、内存、硬盘和扩展槽组成，机箱内部结构非常紧凑，服务器设备常年连续运行，内部功率元器件不断产生热量，需要通过风机进行散热，风机按照气体流动方向不同可以分为四类：离心风机、轴流风机、贯流风机和混流风机，其中轴流风机体积小、风量大，适合服务器机箱高度集成的结构[3]，风机根据电源不同可分为直流风机和交流异步风机：交流异步风机主要用于工业设备通风散热；直流风机由永磁无刷直流电机驱动扇叶旋转，广泛应用在各类电子设备中[4]。

本文设计一款方波无刷风机控制器，采用无位置传感器方波控制方式，首先确定控制器的硬件结构，再对各个功能模块进行设计，然后研究无位置传感器控制算法，最后加工风机样机并进行实验。

1 风机控制器硬件设计

针对服务器散热系统（如图1），本文设计一款12 V 外转子无刷直流风机控制器，其技术指标如下：额定电压12 VDC，额定电流3.5 A，额定功率42 W，额定转速15000 r/min ±10%，PCB 环型结构，外径43 mm，内径18 mm，风机运行指标：最大压力大于1200 Pa，最大流量大于3.5 L/min，工作点1（400 Pa，3 L/min），工作点2（700 Pa，1.5 L/min）。

图1 服务器散热风机Fig.1 Cooling fan

图2为无刷风机控制器的原理图，主要由单片机、驱动电路、逆变器电路、电源变换电路、防反接电路以及控制器母线电压/电流检测电路等几个模块组成，三相逆变器的上桥臂由3个P 沟道MOSFET 组成、下桥臂由3个N 沟道MOSFET组成，在母线正极串联二极管构成防反接电路；三相逆变器连接无刷风机的三相绕组，通过相绕组反电势过零点来确定换相位置；检测精密电阻上的压降来测量母线电流，以实现电流闭环和过流保护功能。

图2 无刷风机控制系统原理图Fig.2 Block diagram of controller structure

风机逆变器结构为三相桥式，无刷直流电机以“两相六状态”的换向方式转动，即每一个状态中有两相绕组通电，电机转动一个电磁周期有6种磁状态，这6种磁状态相差60°电角度，形成跳跃式的旋转磁场[5]，当无刷直流电动机转动时，这6个功率晶体管的导通顺序为S1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6。

1.1 控制芯片

控制芯片采用国内峰岹科技有限公司的FU6831单片机，是一款集成高速8051内核和电机控制的专用芯片，具有单周期16×16位乘法器和32/32位除法器，8 通道12位ADC，多种TIMER和PWM模块，内置高压LDO和VREF 参考电压，实现1/2 VDD和1/2 VDD VRE 参考输出，芯片内部集成有高速运算放大器、比较器、Pre-driver（驱动3P MOSFET +3N MOSFET的接口），通信接口有SPI、I2C、UART等，如图3所示。

1.2 电源防反接

风机要求具有正负极反接保护功能，在电源正负极反接时不会损坏风机，采用3个肖特基二极管D1～D3并联后串联到电源正极实现防反接功能，如图4所示，二极管的耐压45 V，耐电流15 A，TO-277封装，三个二极管并联具有良好的散热效果。

1.3 功率器件和驱动电路

本风机额定电压12 V，额定电流3.5 A，属于低压小电流系统，可以采用MOSFET 作为逆变器的功率开关器件，逆变器通常采用自举电路来驱动功率开关器件，往往需要自举芯片和外围电路，增加了PCB 电路板的空间和成本，控制芯片FU6831内部集成了Driver 电路，6 格PWM输出引脚能直接驱动3 只P-MOSFET和3 只N-MOSFET 功率管，为了保证逆变器具有安全余量，功率管采用国内新洁能公司生厂的耐压30 V、耐电流30 A、具有良好散热的DFN-3x3_EP 封装MOSFET，逆变器的上桥臂采用P管，下桥臂采用N 管，W相驱动电路如图5所示。

图3 峰岹FU6831单片机接口Fig.3 Microcomputer interface

图4 防反接电路Fig.4 Anti-reverse connection circuit

图5 W相驱动电路Fig.5 Driver circuit

1.4 母线电流检测

控制器通过检测母线电流来实现电流闭环和过流保护功能，电阻RS3为电流采样电阻（采用康铜丝线绕电阻0.05 Ω/2 W，额定电流3.5 A时压降为0.165 V，根据欧姆定理可以算出电流值[7]），检测采样电阻对地的电压信号，经过放大、滤波电路后送到单片机的AD模块中。

1.5 反电势检测电路

由于控制芯片的AD 采样电压范围在0～5 V，而风机的相绕组反电势范围约在-1/2 VDD 到1/2 VDD，采用电阻分压法来检测母线电压或风机相绕组反电势，通过两个电阻串联到母线/相绕组和地线之间、电容用来消除高频波纹的影响，在三相绕组反电势的输出端并联一组星型连接电阻，得到一个虚拟中性点，各相绕组的反电势值与中性点电压值相比较得到过零点信号[8]，如图6所示，FU6831单片机内置比较器，只需将反电势输出点和中性点连接到单片机引脚。

图6 反电势检测电路Fig.6 Back-emf sensing circuit

1.6 PCB 布局

由于风机的轴向尺寸短、圆环形PCB 布板面积小（外径43 mm，内径18 mm），因此控制器的所有元器件采用表贴式结构，散热风机安装在服务器内，附近有高速CPU和数据硬盘，所以风机控制器必须满足电磁兼容要求，主要从布线和元器件布局来考虑：尽量缩短信号连线、将功率电流信号和控制信号分开、大面积铺地线、增加去耦电容等，风机控制器PCB 板正反面如图7所示。

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

2 风机控制器软件设计

散热风机在工作时需要保证转速恒定，同时要检测相电流实现过流保护，所以风机控制器系统采用速度环和电流环串联的双闭环控制结构，过流保护比调速实时性要求较高，系统采用电流内环、速度外环结构[9]，如图8所示，电流环保证风机以允许的最大电流值起动，实现以最大加速度起动，同时在风机过载时限制最大电流，起到保护作用，速度环使风机转速跟上给定转速，速度调节器输出值限幅在最大允许电流值。

图8 风机控制算法Fig.8 Control algorithm

2.1 无位置传感器换相原理

本风机通过相绕组反电动势过零点来判断换相时刻，反电势过零点再延迟30°电角度就是该相绕组的换相时刻[6]，过零点与换相时刻如图9所示，图中6个黑色实心点为过零时刻，毎一个波形周期内出现2次，eA、eB、eC分别是各相位之间互差120°的三相梯形反电动势，阴影部分为绕组通电区间，Q1～Q6分别是一个周期中的6个换相时刻点，通过计算可以得出两次换相信号的时间间隔来计算风机的转速。

图9 反电势过零点确定换相Fig.9 Commutation control

2.2 风机运行控制

无位置传感器风机在起动时刻，速度为零，此时反电势为零，无法判断换相时刻，因此需要其它方法判断位置进行起动，常用的起动方法有三段式、预定位法、升压升频法，针对风机负载转矩与转速平方成正比、起动阶段负载转矩低的特点，该风机控制器采用三段式起动方法[10]，包括定位、加速、切换3个阶段，具体实施：先让两相绕组通电，产生电枢（绕组）磁场，拖动永磁体转子到某一确定位置，完成定位，然后逆变器的开关管按照S1S6、S1S4、S5S4、S5S2、S3S2、S3S6的顺序循环导通，电枢（绕组）磁场按60°电角度跳跃旋转，永磁体转子也跟随转动，一个旋转周期360°电角度，前后相邻两个旋转周期的导通时间按比例减少，则电枢（绕组）磁场的跳跃速度加快，使永磁体转子加速，当永磁体转子的转速足够大时，反电势过零点比较信号能够持续正常检测到，此时就要切换到无位置传感器控制模式。

起动阶段和正常运行状态都对母线电流实时检测，进行过流保护。

3 样机试验

散热风机测试系统如图10所示，直流稳压12 V电源给风机控制器供电，电源实时显示输出电压、电流和功率值，示波器通过电流钳采集风机相绕组电流，风机安装在风洞进口处，风洞能提供一种风速可调、流量可调的有风测试环境，风洞内部装有传感器，通过调节风道压力和风阻，上位机能实时检测风机的风压和流量，显示数据、生成波形曲线。

图10 测试平台Fig.10 Test platform

3.1 风机起动和稳定运行

在风洞全开、外部不加压力情况下，控制器通入12 V 稳压电源，设置额定转速15000 r/min，风机采用三段式起动，预定位和加速阶段控制相电流限定幅值，切换到无位置传感器控制模式后，随着转速增加、负载功率增大，电流幅值不断增大，由于风机转速存在超调，再稳定到15000 r/min，电流也出现超调后逐渐稳定，图11（a）显示了风机起动时的相电流波形，图11（b）显示了风机在额定转速（负载）时的相电流波形，有效值3.42 A。

图11 实验波形Fig.11 Experimental waveforms

3.2 风机P-Q 曲线

风机控制器采用速度闭环控制方式，设定风机转速为15000 r/min，调节风洞的全压为200 Pa，传感器测得风机的流量为3.6 L/min，增大压力到全压为400 Pa，传感器测得风机的流量为3.4 L/min，大于工作点流量3.0 L/min；继续增大压力到全压为700 Pa，传感器测得风机的流量为3.4 L/min，大于工作点流量1.9 L/min，风机的P-Q 曲线如图12所示，满足工作点设计要求。

图12 风机的P-Q 曲线Fig.12 P-Q curve of the fan

4 结语

本文设计了一款方波无刷直流风机控制器，考虑到PCB 电路板的面积和元器件成本，主控芯片采用集成MOS 管驱动电路和LDO 电源变换的峰岹FU6831单片机，控制器采用三段式起动实现无位置传感器控制算法，具有防反接和过电流保护功能。样机实验验证了控制器方案的合理性。