TW201406047A - 風扇之控制方法及控制系統 - Google Patents

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Abstract

一種風扇之控制方法包括偵測一扇葉的一轉速及一轉子位置；依據轉速及一預設轉速產生一控制訊號；依據控制訊號、轉速、轉子位置及一波形得到一反應電動勢波形；調整反應電動勢波形之相位；以及輸出一開關控制訊號。

Description

風扇之控制方法及控制系統
本發明係關於一種控制方法及控制系統，特別是關於一種風扇之控制方法及控制系統。
利用風扇作為散熱裝置乃為常見的結構設置，於客戶系統端使用時，通常會因應客戶端之不同需求而增加或減少風扇之數量，並藉由控制裝置或控制晶片以驅動及控制風扇系統中風扇的轉速，使得風扇可配合客戶系統之實際運作狀況而調整風扇的轉速。

請參照圖1所示，其為習知技術的風扇架構的示意圖。其中，風扇1係以直流無刷式風扇為例。風扇1係具有一控制系統11，分別輸出四切換訊號T1～T4至四開關元件12，以達到開關換相的目的，其中，四開關元件12與一馬達13之線圈相連接。其中，控制系統11係具有一控制單元111及一比較器112。控制單元111係輸出一開關控制訊號至比較器112，比較器112將控制訊號與一三角波相比較，進而輸出切換訊號T1～T4。請同時參照圖2A及圖2B所示，其中圖2A為習知之開關控制訊號的二種態樣波形圖；圖2B為習知之切換訊號的波形圖。目前習知風扇的驅動方式係以硬切換的切換方式最為常見，其中圖2A之開關控制訊號V1為硬切換方式。然而，此切換方式容易產生較大的振動。為了有效降低振動的現象，於習知技術中以軟切換作為切換方式，其中圖2A之開關控制訊號V2即為軟切換之方式。請參照圖2B所示，其為依據軟切換之開關控制訊號V2而產生之切換訊號T1～T4。其中，區域a係為軟切換的部份。
請參照圖3所示，其為習知技術之風扇的振動頻譜圖。頻譜圖的橫軸為代表轉速的頻率，縱軸表振動量。其係將風扇之振動經由傅立葉轉換（Fourier Transform）的圖形，藉由圖形以得知振動的大小。於習知風扇中，風扇的振動量的最大值係大於1.5G，即使以軟切換作為切換的方式，還是沒有辦法有效改善振動量。

另外，於習知解決風扇振動的技術中，大宗皆以機構設計的方式改善振動量，如藉由添加抗振墊等隔震材質，或更改機構共振點來抑制振動效果等，然而，透過機構設計無法針對馬達所產生的倍頻達到消除的效果，且不僅使得生產成本增加，亦使得抑制振動效果不佳。

因此，如何提供一種風扇之控制方法及控制系統，可於現有的驅動電路及結構下，減少風扇的振動，提升效率，降低電氣壓力，實為當前重要的課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種風扇之控制方法及控制系統，可減少風扇的振動，提升效率，降低電氣壓力，進而延長元件的使用年限及壽命。

為達上述之目的，本發明提供一種風扇之控制方法包括：偵測一扇葉的一轉速及一轉子位置；依據轉速及一預設轉速產生一控制訊號；依據控制訊號、轉速、轉子位置及一波形得到一反應電動勢波形；調整反應電動勢波形之相位；以及輸出一開關控制訊號。
於本發明一較佳實施例中，其中依據轉速及一預設轉速產生一控制訊號，係比較轉速及預設轉速進而產生控制訊號。

於本發明一較佳實施例中，控制訊號係為增加之控制訊號。

於本發明一較佳實施例中，控制訊號係為減少之控制訊號。
於本發明一較佳實施例中，波形係自一馬達所擷取。

於本發明一較佳實施例中，其中調整反應電動勢波形之相位，係將反應電動勢波形與一標準反應電動勢波形相比較，以將反應電動勢波形之相位調整與標準反應電動勢波形之相位實質相等。

於本發明一較佳實施例中，控制方法更包括：依據該開關控制訊號與一三角波產生一切換訊號。

為達上述之目的，本發明更提供一種風扇之控制系統包括一偵測模組、一控制模組以及一反應電動勢模組。偵測模組係偵測一扇葉的一轉速及一轉子位置。控制模組連接偵測模組，控制模組依據轉速及一預設轉速產生一控制訊號。反應電動勢模組連接控制模組及偵測模組，反應電動勢模組接收轉速、轉子位置及控制訊號並產生一反應電動勢波形，並調整反應電動勢波形之相位，進而輸出一開關控制訊號。
於本發明一較佳實施例中，控制系統更包括一波形產生模組，其連接反應電動勢模組，波形產生模組係輸出一波形至反應電動勢模組。
於本發明一較佳實施例中，反應電動勢模組依據轉速、轉子位置、波形及控制訊號產生反應電動勢波形。

於本發明一較佳實施例中，控制系統更包括一比較器，其連接反應電動勢模組，比較器接收開關控制訊號並與一三角波相比較以輸出一切換訊號。

承上所述，本發明之風扇之控制方法及控制系統，首先以偵測模組之霍爾感測器偵測扇葉的轉速及轉子位置，並將轉速與預設轉速相比較，以產生增加、減少或維持不變之控制訊號。接著，反應電動勢模組係依據控制訊號、轉速、轉子位置及波形得到一反應電動勢波形，並調整反應電動勢波形之相位，以輸出一開關控制訊號。另外，藉由比較器將開關控制訊號與一三角波相比較，以輸出用以切換開關之切換訊號。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之ㄧ種風扇之控制方法及控制系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖4及圖5所示，其中圖4為本發明較佳實施例之風扇之控制方法的步驟流程圖；圖5為本發明較佳實施例之風扇之控制系統的示意圖。首先需述明的是，本實施例之風扇係以單相無刷直流風扇為例，然非限用以本發明。風扇之控制方法係包括步驟S01至步驟S05。

步驟S01，偵測一扇葉A的一轉速S及一轉子位置P。更詳細來說，藉由偵測模組21偵測扇葉A的轉子位置P，且經計算可得知扇葉A的轉速S。其中，偵測模組21係具有一霍爾感測器（Hall sensor），藉由霍爾感測器量測磁場變化，進而可得知扇葉A的轉子位置及轉速。
步驟S02，依據轉速S及一預設轉速D產生一控制訊號C。以控制模組22比較轉速S及預設轉速D，判別轉速S與預設轉速D的差值，再依據此差值產生控制訊號C，其中，控制訊號C可為增加之控制訊號，相對地控制訊號C亦可為減少之控制訊號，當轉速S實質等於預設轉速D時，控制訊號C可為維持不變之控制訊號。本實施例之控制模組22係例如為一比例-積分控制器（PI controller），依據轉速S及預設轉速D產生控制訊號C。

接續，步驟S03，依據控制訊號C、轉速S、轉子位置P及一波形W得到一反應電動勢（Back-EMF）曲線。其中，一波形產生模組23係自一馬達產生波形W，波形產生模組23再將波形輸出至反應電動勢模組24。更詳細來說，首先以示波器量測得到的馬達線圈之感應電動勢，經由通訊傳送至波形產生模組23，波形產生模組23再將類比資料數位化，進而得到波形W，此波形W例如可為反應電動勢波形的雛形。其中，波形產生模組23係例如為一電腦。另外，波形W係如為反應電動勢波形的雛形，藉由轉速S及轉子位置P係可得到為反應電動勢波形的週期，而藉由控制訊號C及轉速S即可得到反應電動勢波形的峰值大小。因此，反應電動勢模組24藉由控制訊號C、轉速S、轉子位置D及波形W以得到反應電動勢波形。

步驟S04，調整反應電動勢波形之相位。在本實施例中，反應電動勢模組24將反應電動勢波形與一標準反應電動勢波形相比較，以將反應電動勢波形之相位調整與標準反應電動勢波形之相位實質相等。例如，若標準反應電動勢波形之相位係超前反應電動勢波形之相位，則將反應電動勢波形向前位移，以使得反應電動勢波形之相位實質等於標準反應電動勢波形之相位。相對地，若標準反應電動勢波形之相位係落後反應電動勢波形之相位，則將反應電動勢波形向後位移，以使得反應電動勢波形之相位實質等於標準反應電動勢波形之相位。若標準反應電動勢波形之相位係實質等於反應電動勢波形之相位，則不需調整反應電動勢波形之相位。且藉由調整反應電動勢波形之相位，以確保電壓超前於電流，保持於電感性。參照圖6所示，其為本發明之反應電動勢波形及標準反應電動勢波形的波形圖。圖6之反應電動勢波形B係以超前標準反應電動勢波形B1為例，因此，需藉由調整反應電動勢波形B之相位，例如反應電動勢波形B與標準反應電動勢波形B1相差相位θ，將反應電動勢波形B向後移動相位θ，使得反應電動勢波形B實質等於標準反應電動勢波形B1。其中，相位θ的大小、超前或落後並非限定於本發明，其於不同實施例中，因馬達的不同，使得相位θ的數值大小隨之改變。

請再參照圖4及圖5，接著，步驟S05，輸出一開關控制訊號V。反應電動勢模組24係依據調整相位後之反應電動勢波形輸出開關控制訊號V至一比較器25。

請同時參照圖5及圖7所示，其中圖7為本發明之開關控制訊號及三角波的波形圖。最後，比較器25依據將開關控制訊號V與一三角波R產生一切換訊號I。其中，比較器25將切換訊號I輸出至扇葉A以用以切換開關元件（圖未繪示）。需述明的是，控制系統2係可輸出四切換訊號以控制四開關元件，或者控制系統2係可輸出二切換訊號，且再將二切換訊號分別經由二驅動級輸出相互補的訊號，進而可得到輸出四切換訊號，用以控制四開關元件。

值得說明的是，請同時參照圖3及圖8所示，其中圖3為習知風扇的振動頻譜圖；而圖8為本發明之風扇的振動頻譜圖。將兩圖相比較之後，可觀察到本發明之風扇的振動量係遠小於習知風扇的振動量，本發明之振動量大約為習知振動量的五分之ㄧ，藉以得知本發明之風扇之控制方法係有效減緩風扇的振動量。
請參照圖5所示，本發明更提供一種風扇之控制系統。控制系統2包括一偵測模組21、一控制模組22以及一反應電動勢模組24。偵測模組21係偵測一扇葉A的一轉速S及一轉子位置P。控制模組22連接偵測模組21，控制模組22依據轉速S及一預設轉速D產生一控制訊號C。反應電動勢模組24連接控制模組22及偵測模組21，反應電動勢模組24接收轉速S、轉子位置P及控制訊號C並產生一反應電動勢波形，並調整反應電動勢波形之相位，進而輸出一開關控制訊號V。

控制系統2更包括一波形產生模組23，其連接反應電動勢模組24，波形產生模組23係輸出一波形W至反應電動勢模組24。反應電動勢模組24依據轉速S、轉子位置P、波形W及控制訊號C產生反應電動勢波形。

控制系統2更包括一比較器25，其連接反應電動勢模組24，比較器25接收開關控制訊號V並與一三角波相比較以輸出一切換訊號I。

其中，偵測模組21、控制模組22、波形產生模組23、反應電動勢模組24以及比較器25，與上述實施例之中，偵測模組21、控制模組22、波形產生模組23、反應電動勢模組24以及與比較器25具有相同的技術特徵，故於此不再贅述。

綜上所述，本發明之風扇之控制方法及控制系統，首先以偵測模組之霍爾感測器偵測扇葉的轉速及轉子位置，並將轉速與預設轉速相比較，以產生增加、減少或維持不變之控制訊號。接著，反應電動勢模組係依據控制訊號、轉速、轉子位置及波形得到一反應電動勢波形，並調整反應電動勢波形之相位，以輸出一開關控制訊號。另外，藉由比較器將開關控制訊號與一三角波相比較，以輸出用以切換開關之切換訊號。

與習知技術相比較，本發明之風扇之控制方法及控制系統，係保有現有的風扇驅動電路及結構，僅更改風扇之控制方法及流程，即可使風扇的電流有效值及平均值降低，以提升風扇的效率，且減緩振動量，更可降低電氣壓力，減少元件及生產成本，並可延展電子元件的壽命及使用年限。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1．．．風扇
11、2．．．控制系統
111．．．控制單元
112、25．．．比較器
12．．．開關元件
13．．．馬達
21．．．偵測模組
22．．．控制模組
23．．．波形產生模組
24．．．反應電動勢模組
a．．．區域
A．．．扇葉
B．．．反應電動勢波形
B1．．．標準反應電動勢波形
C．．．控制訊號
D．．．預設轉速
I、T1~T4．．．切換訊號
P．．．轉子位置
R．．．三角波
S．．．轉速
S01~S05．．．步驟
V、V1、V2．．．開關控制訊號
W．．．波形
θ．．．相位
圖1為依據習知技術的風扇架構的示意圖；
圖2A為依據習知之開關控制訊號的二種態樣波形圖；
圖2B為依據習知之切換訊號的波形圖；
圖3為依據習知之風扇的振動頻譜圖；
圖4為依據本發明較佳實施例之風扇之控制方法的步驟流程圖；
圖5為依據本發明較佳實施例之風扇之控制系統的示意圖；
圖6為依據本發明之反應電動勢波形及標準反應電動勢波形的波形圖；
圖7為依據本發明之開關控制訊號及三角波的波形圖；以及
圖8為依據本發明之風扇的振動頻譜圖。
S01~S05．．．步驟

Claims (11)

  1. 一種風扇之控制方法，包括：
    偵測一扇葉的一轉速及一轉子位置；
    依據該轉速及一預設轉速產生一控制訊號；
    依據該控制訊號、該轉速、該轉子位置及一波形得到一反應電動勢波形；
    調整該反應電動勢波形之相位；以及
    輸出一開關控制訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中依據該轉速及一預設轉速產生一控制訊號，係比較該轉速及該預設轉速進而產生該控制訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該控制訊號係為增加之控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該控制訊號係為減少之控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該波形係自一馬達所擷取。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中調整該反應電動勢波形之相位，係將該反應電動勢波形與一標準反應電動勢波形相比較，以將該反應電動勢波形之相位調整與該標準反應電動勢波形之相位實質相等。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，更包括：
    依據該開關控制訊號與一三角波產生一切換訊號。
  8. 一種風扇之控制系統，包括：
    一偵測模組，偵測一扇葉的一轉速及一轉子位置；
    一控制模組，連接該偵測模組，該控制模組依據該轉速及一預設轉速產生一控制訊號；以及
    一反應電動勢模組，連接該控制模組及該偵測模組，該反應電動勢模組接收該轉速、該轉子位置及該控制訊號並產生一反應電動勢波形，並調整該反應電動勢波形之相位，進而輸出一開關控制訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制系統，更包括：
    一波形產生模組，連接該反應電動勢模組，該波形產生模組係輸出一波形至該反應電動勢模組。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之控制系統，其中該反應電動勢模組依據該轉速、該轉子位置、該波形及該控制訊號產生該反應電動勢波形。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之控制系統，更包括：
    一比較器，連接該反應電動勢模組，該比較器接收該開關控制訊號並與一三角波相比較以輸出一切換訊號。
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