CN1423410A - 使用单晶片的风扇控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种使用单晶片的风扇控制系统,适用于一风扇马达,风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作,风扇控制系统的特徵在于一可程序化的单晶片,用以接收风扇控制系统的输入电压以及由侦测转速而得到的一转速信号,且根据输入电压以及转速信号经由一转速判断法则而决定一脉冲调制信号,并将脉冲调制信号输出,而更新转速,以驱动风扇马达。其中转速判断法则包括:当转速小于一第一转速值时,转速与输入电压成一第一函数的关系；当转速大于第一转速值时,转速与输入电压成一第二函数的关系；且对应于第一函数而得到最大转速值的第一最大电压值小于对应于第二函数而得到最大转速值的第二最大电压值。

Description

使用单晶片的风扇控制系统

技术领域

本发明涉及一种风扇控制系统，特别是关于一种使用单晶片(microcontroller)控制风扇马达的风扇控制系统。

背景技术

习知的风扇控制系统，一般而言，依照所需的不同功能，可使用不同的各种电路元件组合而成的复杂电路来进行控制。举例而言，图1A、图1B、图1C、图2A以及图2B表示各种不同功能的习知风扇控制系统。以下分别说明这些习知的风扇控制系统。

首先，习知的风扇控制系统可以用来控制风扇的转速。例如，图1A为习知风扇控制系统中以外部可变直流电压信号控制的示意图。图1A中的风扇500接收一操作电压Vcc，且使用一比较器520来产生脉冲调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号。如图1A所示，比较器520分别接收外部可变的0-5V直流电压信号输入以及一三角波信号输入，而根据该可变直流电压的值与三角波比较后决定所产生的PWM信号，通过开关590输出至风扇驱动电路510，以决定该风扇马达的转速。

同样用来控制风扇转速的状况，也可如图1B所示，图1B表示习知风扇控制系统中用热敏电阻的可变电压信号控制。与图1A类似，图1B中的风扇500接收一操作电压Vcc，且同样使用一比较器520来产生PWM信号。如图1B所示，比较器520分别接收三角波信号输入以及由操作电压Vcc经由一热敏电阻530与固定电阻540的分压动作而产生的可变电压信号输入，而根据该可变电压的值与三角波比较后决定所产生的PWM信号，通过开关590输出至风扇驱动电路510，以决定该风扇马达的转速。

另外，控制风扇转速时，输入的信号也可不为电压信号形式，而如图1C所示，以外部PWM信号输入而控制风扇500。图1C中，风扇500同样接收一操作电压Vcc；而外部PWM信号输入经由电路元件，例如电阻542，而转换为一内部PWM信号，通过开关590输出至风扇驱动电路510，以决定该风扇马达的转速。

除了控制风扇转速以外，习知风扇控制系统也可通过风扇马达转子位置控制等方法，来达到例如慢速启动(软启动)，或是特殊的转速变化与侦测等动作。例如，图2A表示习知风扇控制系统中以风扇驱动IC驱动风扇马达的示意图。其中，风扇500同样接收一操作电压Vcc；同时，风扇马达的线圈570由风扇驱动IC(风扇驱动电路)510来控制，配合磁场感应元件，例如图2A中的霍尔元件560，以及电容550等元件，来控制风扇马达转子的位置，以进行慢速启动(软启动)或是特殊的转速变化与侦测等动作。同样的动作也可藉由如图2B中所示，以霍尔元件560配合电阻544、546等电路来对风扇马达的线圈570进行驱动。

然而，上述习知的风扇控制系统具有许多缺点。以下分别叙述这些问题。

首先，习知的风扇控制系统中，欲改变风扇的转速时，若不以外部方式，例如上述的外部PWM信号等方式来进行，也就是说针对一固定的输入电压而言，唯一的方法是改变风扇马达的线圈绕组。换句话说，在一固定的风扇马达线圈绕组之中，具有类似如图3所示的转速与操作电压的关系，例如对于图3中转速与操作电压的关系函数F而言，若有一输入电压Vo，则可对应至关系函数F的特性线上的A点，而可得到其所对应的第一转速值Wo。如此，对于相同的输入电压，若欲使风扇具有多段的不同转速，则必须设计同样数量的多个不同特性的线圈绕组；如此对于风扇的尺寸与生产成本均有不利的影响。

其次，如上述图1A与图1B所示的两个习知例，使用三角波与比较器520的方式来产生脉冲调制信号，而控制风扇转速的方式中，不管图1A所使用的0-5V外部直流电压输入比较器520，或是图1B使用的热敏电阻530改变电压输入比较器520，两者皆使用硬件电路元件，可更换性不大，且三角波与其产生的PWM信号可能会产生较大的误差，而造成转速不稳定的现象。

另外，如图1C所示的习知风扇控制系统，以外部PWM信号输入而经由电路元件，如电阻542等，转换而得到内部PWM信号的方式中，由于内部PWM信号会受限于外部PWM信号的频率及功率周期，因此在外部PWM信号频率低时，振动会随之增加，而影响风扇500的寿命；在外部PWM信号频率高时，电路反应速度可能会不够快，而造成产生转速不稳的问题，且在转换过程中可能使得PWM信号频率落于人类听觉音频的范围内，而造成马达切换的噪音。

另外，如图2A与图2B所示进行风扇马达转子位置控制的习知风扇控制系统中，不论如图2A所示使用风扇驱动IC510，或是如图2B所示使用霍尔元件560配合电路设计，或者采用其他磁场感应元件或方式，其电路元件皆为硬件元件，可更换性不大，且同样具有固定特性的问题。

另外，如图3所示，假设风扇马达本身具有转速与操作电压的关系函数F，且该关系函数F为一线性函数。此时，风扇马达本身所可承受的最大转速Wmax可对应至F线上的B点，而反推得到一最大电压值Vmax；若超过此最大电压值，则转速过高，会使风扇马达因过热等因素而损坏；因此，输入电压值被局限于此最大电压值Vmax以下，例如市面上常见的风扇马达一般最高可达60V。然而，有些风扇系统提供的电源可能会超过此最大电压值，此时必须利用截电压等方式来将输入电压控制于B点以下的位置，才能避免风扇马达的损坏。这种做法不仅增加制造成本与时间，且截电压等方式并不能提供稳定的电压，使得风扇马达仍有损坏的可能性。

另外，上述各习知风扇控制系统中，若要加上侦测转速与警示的功能，以在转速过高时报警或中断风扇动作，必须另外加上电路元件，增加制造成本，且使得风扇控制系统的电路体积更为增加，造成不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用单晶片的风扇控制系统，可适用于风扇马达之中，以解决上述习知风扇控制系统的各种问题。

实现本发明的技术方案如下：

一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，包括：

一可程序化的单晶片，用以接收一输入信号，根据该输入信号决定一输出信号，并将该输出信号输出；以及

风扇驱动单元，用以接收该输出信号，并根据该输出信号决定该风扇马达的转速，以驱动该风扇马达。

上述风扇控制系统中，风扇驱动单元可为一风扇驱动电路。输入信号可为一可变电压信号、一外部脉冲调制信号、或是由侦测该转速而得到的一转速信号；而单晶片更可在判断该转速信号不同于一预设值时，输出一警示信号。输出信号可为一脉冲调制信号。

一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，包括：

一风扇驱动单晶片，用以接收一输入信号，根据该输入信号决定一输出信号，并根据该输出信号决定该风扇马达的转速，以驱动该风扇马达。

上述风扇控制系统中，输入信号可为一可变电压信号、一外部服冲调制信号、或是由侦测该转速而得到的一转速信号；而风扇驱动单晶片更可在判断该转速信号不同于一预设值时，输出一警示信号。输出信号可为一脉冲调制信号。另外，上述风扇控制系统中，更可包括一磁场感应元件，用以感应该风扇马达的磁场相位，以输出该输入信号至该风扇驱动单晶片；其中该磁场感应元件可为一霍尔元件。

一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，该风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作，该风扇控制系统包括：

一可程序化的单晶片，用以接收该风扇控制系统的输入电压以及由侦测该转速而得到的一转速信号，且根据该输入电压以及该转速信号经由一转速判断法则而决定一输出信号，并将该输出信号输出；以及

风扇驱动单元，用以接收该输出信号，并根据该输出信号更新该转速，以驱动该风扇马达；

其中该转速判断法则包括：当该转速小于一第一转速值时，该转速与该输入电压成一第一函数的关系；当该转速大于该第一转速值时，该转速与该输入电压成一第二函数的关系；且对应于该第一函数而得到该最大转速值的第一最大电压值小于对应于该第二函数而得到该最大转速值的第二最大电压值。

上述风扇控制系统中，风扇驱动单元可为一风扇驱动电路，且输入电压可为一可变电压信号。输出信号可为一脉冲调制信号。而单晶片更可于该转速信号超过一第二转速值时，输出一警示信号。另外，第一函数与第二函数均可为线性函数，且第二函数对应于输入电压的斜率小于第一函数对应于输入电压的斜率。

一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，该风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作，该风扇控制系统包括：

一风扇驱动单晶片，用以接收该风扇控制系统的输入电压以及由侦测该转速而得到的一转速信号，且根据该输入电压以及该转速信号经由一转速判断法则而决定一更新转速值，并以该更新转速值更新该转速，而驱动该风扇马达；

其中该转速判断法则包括：当该转速小于一第一转速值时，该更新转速值与该输入电压成一第一函数的关系；当该转速大于该第一转速值时，该更新转速值与该输入电压成一第二函数的关系；且对应于该第一函数而得到该最大转速值的第一最大电压值小于对应于该第二函数而得到该最大转速值的第二最大电压值。

上述风扇控制系统中，风扇驱动单元可为一风扇驱动电路，且输入电压可为一可变电压信号。而单晶片更可于该转速信号不同于(例如超过)一第二转速值时，输出一警示信号。一般而言，输出的警示信号可为一驱动电压或电流的形式，用以驱动一警示装置(例如警铃)。另外，第一函数与第二函数均可为线性函数，且第二函数对应于输入电压的斜率小于第一函数对应于输入电压的斜率。另外，上述风扇控制系统中，更可包括一磁场感应元件，用以感应该风扇马达的磁场相位，以输出该输入电压至该风扇驱动单晶片；其中该磁场感应元件可为一霍尔元件。

本发明的风扇控制系统，使用单晶片(Micro Controller)来取代习知技术中的各项电路元件；由于单晶片具有可程序化的特性，易于修改其功能，且体积较小，同时具有可接收转换模拟/数字(A/D)信号的功能，因此可更灵活精确地控制风扇，达到解决习知技术各项问题的目的。

附图说明

图1A表示习知风扇控制系统中以外部可变直流电压信号控制的示意图；

图1B表示习知风扇控制系统中以热敏电阻的可变电压信号控制的示意图；

图1C表示习知风扇控制系统中以外部脉冲调制信号控制的示意图；

图2A表示习知风扇控制系统中以风扇驱动IC驱动风扇马达的示意图；

图2B表示习知风扇控制系统中以霍尔元件电路驱动风扇马达的示意图；

图3表示习知风扇控制系统中转速与操作电压的关系图；

图4表示本发明一实施例的风扇控制系统的示意图；

图5A表示本发明另一实施例的风扇控制系统的示意图；

图5B表示本发明另一实施例的风扇控制系统的示意图；

图5C表示本发明另一实施例的风扇控制系统的示意图；

图6表示本发明另一实施例的风扇控制系统的示意图；

图7表示本发明另一实施例的风扇控制系统的示意图；

图8表示本发明的单晶片判断转速流程图；

图9表示本发明一实施例的风扇控制系统中转速与操作电压的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点更加明显易懂，以下举出数个较佳实施例，并结合附图作详细说明。

请参照图4，说明本发明一实施例的风扇控制系统。本发明中，相同于习知的风扇控制系统，风扇100同样接收一操作电压Vcc；且风扇马达的驱动同样利用一风扇驱动单元，例如图4中的风扇驱动电路110。而不同于习知技术的部分，在于本发明采用一单晶片120取代习知技术中的各电路元件。此单晶片120为可程序化，内部可储存有相当于电路元件转换功能的程序。一般而言，只需提供一电压(未图示)给单晶片120即可进行操作。同时，单晶片120用以接收一输入信号。此输入信号可为各种形态，例如电压、PWM信号、或是转速信号等，依不同的功能需求而有不同的程序设计。

如图4所示，单晶片120在接收输入信号之后，根据输入信号来决定一输出信号，例如一脉冲调制(PWM)信号，并将PWM信号经由开关190输出至风扇驱动电路110，使得风扇驱动电路110可根据PWM信号决定风扇马达的转速，以驱动该风扇马达的线圈磁场，而控制转速。

上述实施例中，输入信号可以依不同的功能需求而有各种不同的变化。举例而言，参考习知技术中图1A、图1B与图1C所使用的电路，而运用本发明的单晶片技术，可得到如图5A、图5B以及图5C的三个实施例，以下分别说明。

图5A的实施例对照于图1A，其中风扇100同样接收一操作电压Vcc，然而本实施例使用单晶片120取代习知技术中的比较器520，来产生PWM信号。如图5A所示，单晶片120接收外部可变的0-5V直流电压信号输入，并经由单晶片120本身的A/D转换，而根据该可变直流电压，直接通过程序进行计算后决定所产生的PWM信号，通过开关190输出至风扇驱动电路110，以决定该风扇马达的转速。如此，习知的三角波输入装置可以省略，且单晶片120的程序控制也较习知的三角波比较结果更为精确。

同样的，图5B的另一实施例对照于图1B，其中风扇100接收一操作电压Vcc，且本实施例同样使用单晶片120取代习知技术中的比较器520，来产生PWM信号。如图5B所示，单晶片120接收由操作电压Vcc经由一热敏电阻140与固定电阻150的分压动作而产生的可变电压信号输入，并经由单晶片120本身的A/D转换，而根据该可变电压，直接通过程序进行计算后决定所产生的PWM信号，通过开关190输出至风扇驱动电路110，以决定该风扇马达的转速。

另外，本发明控制风扇转速时，输入的信号也可不为电压信号形式，而如图5C的另一实施例所示，对照于习知技术的图1C，本实施例同样以外部PWM信号输入而控制风扇100。图5C中，风扇100同样接收一操作电压Vcc；然而，外部PWM信号输入经由单晶片120，而经由调制等转换过程，转换为一内部PWM信号，通过开关190输出至风扇驱动电路110，以决定该风扇马达的转速。如此，单晶片120的程序控制较习知的电阻等元件转换结果更为精确。

另外，相较于习知技术中图2A与图2B等利用风扇马达转子位置控制等方法，来实现例如慢速启动(软启动)，或是特殊的转速变化与侦测等动作，本发明同样可采用单晶片直接取代习知的风扇驱动电路。例如，图6表示本发明另一实施例的风扇控制系统示意图。其中，风扇100同样接收一操作电压Vcc；然而，本实施例采用一风扇驱动单晶片120来取代习知的风扇驱动IC(风扇驱动电路)510，而控制风扇马达的线圈170，配合磁场感应元件，例如霍尔元件160，来控制风扇马达转子的位置，以输出一输入信号，例如一输入电压，至单晶片120，而进行慢速启动(软启动)或是特殊的转速变化与侦测等动作。

如此，本实施例所使用的单晶片120，可具有风扇驱动单元的功能，同时也可如前述实施例另外接收其他的外部信号，例如可变电压、外部PWM信号等，如此可更减少风扇控制系统的元件数目，而使得一片具有多个程序的单晶片120进行大部分的控制动作。

另外，本发明所使用的单晶片更可作为风扇马达的转速侦测，而使用回馈控制的方式来使得转速更加稳定。如图7所示，本发明的另一实施例中，单晶片120所接收的输入信号可为由风扇马达的转速所对应的转速信号，而由转速信号加以计算比较后，决定输出至风扇驱动电路110的PWM信号。另外，也可在单晶片120的程序中设定一预设值(即前述的第二转速值)，在实际转速不等于预设值时，发出警示信号，以避免风扇转速过高或过低。

上述实施例中，转速的侦测与控制可如图8的流程所示。首先，单晶片120侦测风扇马达的实际转速(步骤S10)；此时，单晶片120接收到转速信号之后，判断转速是否已收敛至对应于输入信号所决定的预定转速(步骤S20)。若转速并未收敛时，则再判断转速是否已在最小转速或是最大转速(步骤S30)；若是，则可能为风扇马达或是风扇控制系统出现状况而无法定速，输出警示信号(步骤S40)；若并未在最大或最小转速，则进行转速的调整(步骤S50)。如此周而复始的调整动作，由于使用单晶片可程序化控制，因此其精确度高，且反应时间与稳定性均较习知技术更为增进。

另外，上述各实施例的风扇控制系统，其风扇马达具有一最大转速值，换句话说，风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作。此时，相较于如图3所示的习知风扇控制系统的转速与输入电压的对应函数关系F，本发明可采用如图9所示的一实施例，将单晶片120程序化，而使得单晶片120在转速小于第一转速值Wo时，转速与输入电压的关系成一第一函数F1的关系；且在转速大于第一转速值Wo时，转速与输入电压成一第二函数F2的关系。图9中，第一函数F1与第二函数F2皆为线性函数；然而，转速与输入电压的关系并不一定需要为线性函数。

本发明为能提升风扇马达承受电压的最大值，对应于第一函数F1而得到最大转速值Wmax的第一最大电压值Vmax小于对应于第二函数F2而得到最大转速值Wmax的第二最大电压值Vmax’。换句话说，本实施例在A点的转速Wo之上，将原先的第一函数F1的特性以程序转换为第二函数F2，而得到一个新的转速判断法则，来决定转速回馈控制时的更新转速值，且第二函数F2对应于输入电压的斜率小于第一函数F1对应于输入电压的斜率。如此，在最大转速值Wmax时，对应点由原先的B点移动至C点，使得最大输入电压可增加，例如由习知常见的60V增加至80V，甚至90V以上。

通过本发明的使用单晶片的风扇控制系统，上述的转速判断法则可运用于上述的任一实施例之中。另外，本发明所提出的附图与实施例并非用以限定本发明，在此特予说明。

虽然本发明已以数个较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，仍可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书的范围为准。

Claims (29)

1.一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，其特征在于：该风扇控制系统包括：

一可程序化的单晶片，用以接收一输入信号，根据该输入信号决定一输出信号，并将该输出信号输出；以及

风扇驱动单元，用以接收该输出信号，并根据该输出信号决定该风扇马达的转速，以驱动该风扇马达。

2.如权利要求1所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该风扇驱动单元为一风扇驱动电路。

3.如权利要求1所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为一可变电压信号。

4.如权利要求1所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为一外部脉冲调制信号。

5.如权利要求1所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为由侦测该转速而得到的一转速信号。

6.如权利要求5所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该单晶片更可在判断该转速信号不同于一预设值时，输出一警示信号。

7.如权利要求1所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输出信号为一脉冲调制信号。

8.一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，其特征在于：该风扇控制系统包括：

一风扇驱动单晶片，用以接收一输入信号，根据该输入信号决定一输出信号，并根据该输出信号决定该风扇马达的转速，以驱动该风扇马达。

9.如权利要求8所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为一可变电压信号。

10.如权利要求8所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为一外部脉冲调制信号。

11.如权利要求8所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入信号为由侦测该转速而得到的一转速信号。

12.如权利要求11所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该风扇驱动单晶片更可在判断该转速信号不同于一预设值时，输出一警示信号。

13.如权利要求8所述的风扇控制系统，其特征在于：该控制系统更包括一磁场感应元件，用以感应该风扇马达的磁场相位，以输出该输入信号至该风扇驱动单晶片。

14.如权利要求13所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该磁场感应元件为一霍尔元件。

15.如权利要求8所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输出信号为一脉冲调制信号。

16.一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，该风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作，其特征在于：该风扇控制系统包括：

一可程序化的单晶片，用以接收该风扇控制系统的输入电压以及由侦测该转速而得到的一转速信号，且根据该输入电压以及该转速信号经由一转速判断法则而决定一输出信号，并将该输出信号输出；以及

风扇驱动单元，用以接收该输出信号，并根据该输出信号更新该转速，以驱动该风扇马达；

其中该转速判断法则包括：当该转速小于一第一转速值时，该转速与该输入电压成一第一函数的关系；当该转速大于该第一转速值时，该转速与该输入电压成一第二函数的关系；且对应于该第一函数而得到该最大转速值的第一最大电压值小于对应于该第二函数而得到该最大转速值的第二最大电压值。

17.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该风扇驱动单元为一风扇驱动电路。

18.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入电压为一可变电压信号。

19.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该单晶片更可在该转速信号超过一第二转速值时，输出一警示信号。

20.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该第一函数为一线性函数。

21.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该第一函数与该第二函数为线性函数，且该第二函数对应于该输入电压的斜率小于该第一函数对应于该输入电压的斜率。

22.如权利要求16所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输出信号为一脉冲调制信号。

23.一种使用单晶片的风扇控制系统，适用于一风扇马达，该风扇马达可在不大于一最大转速值的转速时正常运作，其特征在于：该风扇控制系统包括：

一风扇驱动单晶片，用以接收该风扇控制系统的输入电压以及由侦测该转速而得到的一转速信号，且根据该输入电压以及该转速信号经由一转速判断法则而决定一更新转速值，并以该更新转速值更新该转速，而驱动该风扇马达；

其中该转速判断法则包括：当该转速小于一第一转速值时，该更新转速值与该输入电压成一第一函数的关系；当该转速大于该第一转速值时，该更新转速值与该输入电压成一第二函数的关系；且对应于该第一函数而得到该最大转速值的第一最大电压值小于对应于该第二函数而得到该最大转速值的第二最大电压值。

24.如权利要求23所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该输入电压为一可变电压信号。

25.如权利要求23所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该风扇驱动单晶片更可在该转速信号不同于一第二转速值时，输出一警示信号。

26.如权利要求23所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该第一函数为一线性函数。

27.如权利要求23所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该第一函数与该第二函数为线性函数，且该第二函数对应于该输入电压的斜率小于该第一函数对应于该输入电压的斜率。

28.如权利要求23所述的风扇控制系统，其特征在于：该控制系统更包括一磁场感应元件，用以感应该风扇马达的磁场相位，以输出该输入电压至该风扇驱动单晶片。

29.如权利要求28所述的风扇控制系统，其特征在于：其中该磁场感应元件为一霍尔元件。

Images