CN103269194A - 一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，包括：锯齿波发生单元，软起动单元，电流检测单元，限流单元，温度检测单元，驱动单元，半桥逆变单元，霍尔传感器。本发明的两相半波直流无刷温控风扇驱动电路仅由两个功率管，少数几个电阻、电容分立元件和一片集成运算放大器组成，实现了电机的换向、软起动、过流保护和随温度变化自动调速等多种功能，电路结构简单，功耗低，成本低，有效降低了直流无刷温控风扇功耗和成本。

Description

一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路

 

技术领域

本发明涉及到电机控制技术领域，具体是两相半波无刷直流温控风扇的控制与保护电路的设计。

背景技术

风扇广泛应用于通风散热领域，如家居电风扇，计算机散热用风扇，汽车发动机散热风扇。计算机、汽车发动机等产品随着性能的提升其功耗也伴随着上升，对应产生较高的热量，这些设备往往由于结构和使用环境的原因，无法依靠自身散热，致使温度上升，从而影响产品性能的发挥和使用寿命，这时就需要风扇进行强制散热。

设备的发热量由设备的工作状态决定，状态不同，负荷不同，则发热量不同。发热量与散热速度达到一个平衡状态，则可以维持温度的稳定。没有风扇进行强迫散热时，设备向周围空间散热的速度几乎是一定的，设备发热量不是固定的，当工作于高负荷状态时，发热量上升，需要提高风扇转速以提高散热速度，当设备工作于低负荷状态时，风扇转速太高对散热意义不大，且耗电量上升，这时需降低风扇转速以节省电能。

两相无刷直流电动机结构与单相类似，但运行方式不同，单相无刷直流电机只有一个绕组，采用H桥全波驱动，两相无刷直流电机采用两相半波运行，逆变电路仅由两个功率管构成，比单相H桥节省两个功率管，成本更低，并且驱动电路简单。两相无刷直流电机使用不对称气隙结构使齿槽转矩零点与电磁转矩零点错开，电机获得自起动能力。两相无刷电机的起动转矩较小，非常适合用于风扇这类低起动转矩负载。

目前市场上的温控风扇通常使用两种调速方式，一类采用外接通用控制器改变电机供电电压进行调速，另一类采用专用的电机控制集成电路产生占空比随温度变化的PWM波进行电机调速。外接控制器需要额外的安装空间，且本身功耗也较大，采用专用电机控制芯片则成本较高，不易市场推广。

随着工业的发展，能源的消耗量越来越大，产品的节能降耗已成为市场共识，散热风扇的使用量非常之大，消耗的能量相当可观。根据设备温度的高低自动调节风扇的转速实现温度控制，不仅可以保持设备工作温度的基本恒定，而且可以降低噪音，节约能源，延长散热风扇的使用寿命。现有的温控风扇的控制电路复杂，所用的通用或专用控制芯片价格较高，限制了温控风扇的市场推广，因此开发设计一种成本低廉、功耗较低的温控风扇具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、低功耗的两相半波直流无刷温控风扇的驱动电路，极大的简化了温控风扇的电路结构，降低了温控风扇的成本。

为了达到上述目标，本发明的技术方案为：

一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，包括：

锯齿波发生单元，设于电路板上，用于产生锯齿波，输出端连接于饱和工作状态下的放大器一端；

软起动单元，设于电路板上，用于产生斜坡信号，实现电机的软起动；

电流检测单元，设于电路板上，检测绕组电流，输出端连接限流单元；

限流单元，设于电路板上，比较电机绕组电流和电流限值，超出限值则PWM发生单元产生占空比为零的PWM波；

温度检测单元，设于电路板上，检测环境温度，输出信号接PWM发生单元；

驱动单元，置于电路板上，综合PWM信号和换向信号，实现功率管的开关控制；

半桥逆变单元，设于电路板上，实现对电机两相绕组的受控供电；

霍尔传感器，置于电路板外环周面上，定子齿之间几何中性线的位置，用以检测转子磁极的变化，提供换向信号。

所述半桥逆变单元包括电机的两相绕组，A相绕组和B相绕组，以及两个功率MOSFET管Q6、Q7，A相绕组与功率MOSFET管Q6串联，B相绕组与功率MOSFET管Q7串联。

所述的功率MOSFET管为P型功率MOSFET管，内部自带有续流二极管。

所述的温度检测单元包括电阻R1、电容C1以及热敏电阻NTC，电阻R1与热敏电阻NTC串联构成串联分压电路，电容C1并联在热敏电阻NTC上，电压VCC为电容C1充电。

所述电流检测单元包括采样电阻Rs，采样电阻Rs输出端连接限流单元。

所述A相绕组和B相绕组的两端都并联有RC吸收电路，为绕组提供续流回路。

本发明的两相半波直流无刷温控风扇驱动电路仅由两个功率管，少数几个电阻、电容分立元件和一片集成运算放大器组成，实现了电机的换向、软起动、过流保护和随温度变化自动调速等多种功能，电路结构简单，功耗低，成本低，有效降低了直流无刷温控风扇功耗和成本。

附图说明

图1为四极两相无刷直流电机示意图。

图2为温控风扇主回路电路图。

图3为本发明的电路方框图。

图4为本发明具体实施电路。

具体实施方式

散热风扇驱动用的两相无刷直流电机一般采用外转子结构，有两相独立绕组，如图1所示，电机转子11的磁轭直接置于风轮型腔内，带动风轮旋转，电机定子12由硅钢片叠压而成，包括绝缘线架和绕组绝缘线架上的绕组；转子永磁体N极13，转子永磁体S极14，磁极在转子磁轭内侧面，N、S极交替放置；本实施例为四极两相无刷直流电机，每两个正对的定子极上的线圈15构成一相绕组，A相定子齿与B相定子齿相互错开。电机的两相绕组分别与两个功率MOSFET管串联，A相绕组与功率MOSFET管Q6串联，B相绕组与功率MOSFET管Q7串联，由此组成的两相半波逆变电路只需两个开关管，与H桥逆变电路相比，节省了一半的开关管，降低了成本，同时由于开关管数量少，降低了开关管的功耗。功率MOSFET管为P沟道金属氧化物场效应管，即P型MOSFET，相比PNP型晶体管，功率较高，能够驱动较大功率的风扇。

两相无刷直流电机每一时刻仅有一相绕组通电，另一相绕组悬空。霍尔元件为换相逻辑电路提高换相信号，每当转子磁极中心线与定子齿的中心线重合时，开始换相，根据电机的转向要求，断开已导通的功率MOSFET管，停止对相应绕组供电，导通另一功率管，对另一绕组供电，实现电机的连续运转。如图2所示，电机的绕组两端分别并联由电阻R6、电容C7和电阻R7、电容C8组成的RC吸收电路，为停止供电的绕组电流提供续流回路，抑制换向过程中产生的尖峰电压，保护功率MOSFET管。

如图3所示，为温控风扇的电路框图。锯齿波发生器为一由运算放大器构成的自激式信号发生器，产生频率一定的锯齿波。电机的绕组电阻一般较小，全压起动时，起动电流较大，容易烧坏电机。为提高风扇可靠性，及延长寿命，设计了软起动电路。软起动电路为RC电路，起动时，RC电路输出逐渐上升的电压信号，经信号综合后，与锯齿波比较，产生占空比逐渐上升的PWM波，减小了起动电流过大对电机的冲击。起动完成后，软起动电路不再发挥作用。图3中的输出信号驱动信号1和驱动信号2分别输出到对应的两个功率MOSFET管，控制功率管的导通和关断，从而实现温度的自动控制、电机的限流和软启动。

热敏电阻实现对环境温度的采样，温度检测单元根据温度的不同输出随温度变化的电压信号。反应温度的电压信号与锯齿波比较，产生相应占空比的PWM波。为了简化电路，减少元器件的数量，使用有两个信号输出端的霍尔传感器。PWM波与霍尔元件提供的两路反应电机转子位置的霍尔信号综合后，控制相应功率MOSFET管的导通与关断，以提高或降低电机的转速，实现温度的自动控制。

图4中，电阻R1、电容C1与热敏电阻NTC构成了软起动电路和温度检测电路。起动时，电压VCC为电容C1充电，电容C1两端电压逐渐上升，稳定后，电阻R1与热敏电阻NTC构成串联分压电路，热敏电阻NTC电阻随温度而变，不同温度下，分得不同电压，产生不同占空比的PWM波。

当电机堵转时，绕组上会流过较大的电流，如不及时切断电源，会使电机过热损坏。为此设计了限流单元，在电机主回路串联了定子绕组电流采样电阻Rs，采样电流信号输入限流单元，与最大电流设定值进行比较，当电机绕组电流超过设定最大电流值时，限流单元输出低电平信号，封锁PWM波输出，停止对电机的供电。限流单元所用的进行电流值比较的集成运算放大器为LM339。

全部电路仅由少数分立元件组成，大大降低了温控风扇的成本。

Claims (6)

1.一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，包括：

锯齿波发生单元，设于电路板上，用于产生锯齿波，输出端连接于饱和工作状态下的放大器一端；

软起动单元，设于电路板上，用于产生斜坡信号，实现电机的软起动；

电流检测单元，设于电路板上，检测绕组电流，输出端连接限流单元；

限流单元，设于电路板上，比较电机绕组电流和电流限值，超出限值则PWM发生单元产生占空比为零的PWM波；

温度检测单元，设于电路板上，检测环境温度，输出信号接PWM发生单元；

驱动单元，置于电路板上，综合PWM信号和换向信号，实现功率管的开关控制；

半桥逆变单元，设于电路板上，实现对电机两相绕组的受控供电；

霍尔传感器，置于电路板外环周面上，定子齿之间几何中性线的位置，用以检测转子磁极的变化，提供换向信号。

2.根据权利要求1所述的一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，所述半桥逆变单元包括电机的两相绕组，A相绕组和B相绕组，以及两个功率MOSFET管（Q6、Q7），A相绕组与功率MOSFET管Q6串联，B相绕组与功率MOSFET管Q7串联。

3.根据权利要求2所述的一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，所述的功率MOSFET管为P型功率MOSFET管，内部自带有续流二极管。

4.根据权利要求2所述的一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，所述的温度检测单元包括电阻R1、电容C1以及热敏电阻NTC，电阻R1与热敏电阻NTC串联构成串联分压电路，电容C1并联在热敏电阻NTC上，电压VCC为电容C1充电。

5.根据权利要求2所述的一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，所述电流检测单元包括采样电阻Rs，采样电阻Rs输出端连接限流单元。

6.根据权利要求2所述的一种两相半波直流无刷温控风扇驱动电路，其特征在于，所述A相绕组和B相绕组的两端都并联有RC吸收电路，为绕组提供续流回路。

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