TWI802912B - 直流馬達風扇的轉速控制方法 - Google Patents

直流馬達風扇的轉速控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種直流馬達風扇的轉速控制方法，用以依據一溫度訊號啟動和調整直流馬達風扇的轉速，包括：在一啟動時段以大於維持直流馬達風扇轉動的最低電壓的一第一電壓啟動直流馬達風扇，在啟動時段結束後的一低負載時段以能維持直流馬達風扇轉動的最低電壓供給直流馬達風扇，在溫度訊號表示的溫度達到預設的一散熱溫度區間時，依據溫度訊號以正比的關係曲線調整供給直流馬達風扇的一工作電壓，用以調整直流馬達風扇的轉速；本發明直流馬達風扇的轉速控制方法具有高啟動扭矩、降噪、節能以及低成本的優點。

Description

直流馬達風扇的轉速控制方法
本發明涉及直流馬達的轉速控制技術，特別是一種直流馬達風扇的轉速控制方法。
為了防止電子裝置或設備因為發熱而產生效率降低或是故障的問題發生，大部分的電子裝置或設備都配置有散熱風扇。例如早期的個人電腦是沒有散熱風扇的，舊型的CPU只需要散熱片就可以將溫度控制在可接受的範圍內。然而隨著CPU的速度與效能越來越高，現今的CPU需要使用散熱風扇才能確保的正常運作。舊型的散熱風扇沒有轉速控制的概念，啟動後就以固定的轉速進行散熱，定速型的散熱風扇的缺點在於散熱能力固定，要提高散熱能力必須提高轉速，轉速越高噪音越大。為解決上述缺點並能實現省電的目標，散熱風扇的轉速調整技術應運而生，需要散熱風扇降速與減速的另一種原因在於低轉速(或是低電壓)的散熱風扇價格較高，一般廉價的散熱風扇轉速是比較高的，轉速越高噪音越大。
常見用於控制或調整散熱風扇轉速的方式有兩種，分別是VC(Voltage Control)電壓控制，以及PWM(Pulse Width Modulation)脈波寬度調變，依據使用的散熱風扇的規格及種類，可以選擇適合的轉速控制方式。一般的散熱風扇一般是兩根導線，直流散熱風扇一般紅黑兩條分為正負線，為了支援更多功能上的需求，具有三條導線或是四條導線的散熱風 扇也被開發且上市販售。除了基本的兩條導線之外，多出的導線基本上是作為信號線於提供不同的功能，常見的功能包括：(1)FG(測速)功能：用於輸出散熱風扇的即時轉速，一般是黃色的導線。(2)RD(報警)功能：用於檢測散熱風是否正常運轉，當散熱風扇停止運轉時會發出警報。(3)PWM(調速)功能：利用脈寬調製信號控制。
電壓控制是通過改變電源線的輸出電壓來改變散熱風扇的轉速，例如個人電腦可以直接在電源供應器提供的6.0V-DC和12.0V-DC兩種電壓之間進行切換，以實現控制散熱風扇轉速的功能。電壓控制的優點在於電路簡單，即便使用一般只有兩根導線的散熱風扇也能實現利用電壓控制的功能，散熱風扇的成本低，其缺點在於，該散熱風扇的最低轉速就是以該電壓(例如6.0V-DC)驅動且為最低轉速(如600rpm)，進而在溫度升高時線性加速風扇的運轉速度至最高轉速(如1200rpm)，因此該散熱風扇是在工作之最低至最高轉速(如600rpm至1200rpm)作變化，可以了解的，風扇轉速愈高，其消耗功率與噪音分貝值就會增大，如果選用廉價或者品質不佳的散熱風扇，在低電壓轉速時產生的噪音就已經相當擾人，當風扇轉速隨溫度升高，更是工作環境中噪音的來源。
在已授權的台灣發明專利(公告號TW I451673B)提出了一種利用PWM控制技術的風扇轉速控制方法，係包含：在一啟動時段中以一風扇驅動單元產生一啟動脈寬調變信號送至一風扇馬達線圈，以及在該啟動時段結束後以該風扇驅動單元產生一穩態脈寬調變信號送至該風扇馬達線圈，其中該啟動脈寬調變信號之工作週期比值大於該穩態脈寬調變信號之工作週期比值。一種實施上述方法之裝置，係包含一控制單元及該風扇驅 動單元，該控制單元具有一分壓電路及一電容器，該電容器的二端分別連接該分壓電路之高電壓端及串接中點，該風扇驅動單元連接該串接中點，並將該串接中點輸出之控制電壓轉換為該二脈寬調變信號之一。
支援PWM控制功能的散熱風扇的優點在於可有效針對溫度控制或調整散熱風扇的轉速，並且在散熱風扇的噪音抑制上有相當大的幫助。但缺點在於該類散熱風扇內部需內建一顆PWM控制晶片(PWM Signal Control IC)，製造成本相對提高，在價格上也會比一般的散熱風扇來得高，若是裝配於個人電腦使用，個人電腦的主機板也要有支援PWM控制的功能。
本發明的目的在於提出一種直流馬達風扇的轉速控制方法，用以依據一溫度訊號啟動和調整該直流馬達風扇的轉速，具有高啟動扭矩、降噪、節能以及低成本的優點，期盼以最價廉經濟的通用型風扇，通過本控制方法，達到具有高效功率輸出與低負載時更寧靜、節能的效果表現。
為實現上述目的，本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一實施例，包括下列步驟：
在一啟動時段以一第一電壓啟動直流馬達風扇，並在啟動時段以第一電壓供給直流馬達風扇；
在啟動時段結束後的一低負載時段以一第二電壓供給直流馬達風扇，其中第二電壓是能維持直流馬達風扇轉動的最低電壓；
在溫度訊號表示的溫度大於等於預設的一溫度閥值的一散熱溫度區間時，以一工作電壓供給直流馬達風扇，在散熱溫度區間內依據溫度訊號以正比的關係曲線調整工作電壓，且工作電壓的上限為直流馬達風扇的額定電壓；以及在溫度訊號表示的溫度從散熱溫度區間降至溫度閥值以下時，返回低負載時段並以第二電壓供給直流馬達風扇。
作為本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一較佳實施例，其中啟動時段的時間長度為3-10秒。
本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的另一實施例，包括下列步驟：在一啟動時段以一第一電壓啟動直流馬達風扇，並在啟動時段以第一電壓供給直流馬達風扇；在啟動時段結束後的一工作時段以一工作電壓供給直流馬達風扇，工作電壓的起始電壓為一第二電壓，第二電壓是能維持該直流馬達風扇轉動的最低電壓；以及在工作時段依據溫度訊號以正比的關係曲線調整工作電壓，且工作電壓的上限為直流馬達風扇的額定電壓。
作為本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一較佳實施例，其中直流馬達風扇的額定電壓為DC 12.0V，第一電壓為DC 5.0V，第二電壓為DC 3.0V。
本發明方法的優點及功效在於，在啟動時段以大於第二電壓的第一電壓啟動直流馬達風扇，可獲得高啟動扭矩和啟動效率；另一方面，在啟動時段結束後的低負載時段以低於第一電壓的第二電壓供應直流馬達風扇，第二電壓是能維持該直流馬達風扇轉動的最低電壓，從第一電壓降至第二電壓時直流馬達風扇可藉由轉動慣性持續轉動，並且在低負載時段具備降噪功能。本發明方法可以使用一般具有兩條導的直流馬達風扇，相對於使用三條或四條導線、以及支援PWM控制功能的直流馬達風扇而言具有降低成本的優點。
S1:啟動時段
S2:低負載時段
S3:散熱溫度區間
S4:工作時段
T0:初始溫度
T1:第一溫度
T2:溫度閥值
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:額定電壓
Vk:工作電壓
第1圖，是本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一實施例的電壓控制曲線示意圖。
第2圖，是本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的另一實施例的電壓控制曲線示意圖。
在下文的實施方式中所述的位置關係，包括：上，下，左和右，若無特別指明，皆是以圖式中組件繪示的方向為基準。其中提及的方向(例如上、下、左、右、前和後)是依據圖式顯示的內容，用於說明實施例中各個元件或結構之間的相對關係(例如位置關係、連接關係和動作關係)。
首先請參閱第1圖，是本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一實施例的電壓控制曲線示意圖。本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的一實施例，本發明方法用以依據一溫度訊號啟動和調整直流馬達風扇的轉速，包括下列步驟：
在一啟動時段S1以一第一電壓V1啟動該直流馬達風扇，並在啟動時段S1以第一電壓V1供給直流馬達風扇；
在啟動時段S1結束後的一低負載時段S2以一第二電壓V2供給直流馬達風扇，其中第二電壓V2是能維持直流馬達風扇轉動的最低電壓；在溫度訊號表示的溫度達到預設的一溫度閥值T2和該溫度閥值T2以上的一散熱溫度區間S3(意即溫度訊號表示的溫度大於等於預設的一溫度閥值T1)時，以一工作電壓Vk供給直流馬達風扇，在散熱溫度區間S3內依據該溫度訊號以正比的關係曲線調整工作電壓Vk(意即溫度上升時調升工作電壓Vk，溫度下降時調降工作電壓Vk)，且工作電壓Vk的上限為直流馬達風扇安全工作能施加的最大電壓(即額定電壓V3)；以及在溫度訊號表示的溫度從散熱溫度區間S3降至溫度閥值T2以下時(意即溫度訊號表示的溫度小於預設的溫度閥值T2)，返回低負載時段S2並以第二電壓V2供給直流馬達風扇。
作為本發明方法的一種較佳實施方式，是使用一般具有兩條導的直流馬達風扇，相對於使用三條或四條導線、以及支援PWM控制功能的直流馬達風扇而言具有降低成本的優點，本發明方法應用的直流馬達風扇可配置於個人電腦或是電源供應器用作散熱風扇，個人電腦的主機板或是電源供應器配置有溫度感應器(sensor)用以檢測溫度進而獲得相應的溫度訊號，然後通過本發明方法依據溫度訊號啟動和調整直流馬達風扇的轉速。
在本發明的一較佳實施方式，其中直流馬達風扇的額定電壓V3為DC 12.0V，第一電壓V1為DC 5.0V，第二電壓V2為DC 3.0V。其中第一電壓V1大於第二電壓V2，可以在啟動時以較大的啟動扭矩啟動直流馬達風扇，提高啟動效率，並且能夠在啟動時段S1均衡各個電子元件的溫度，提供預散熱或是預降溫的功能，還可以利用溫度感應器(sensor)檢測獲得的溫度訊號判斷直流馬達風扇是否異常，例如溫度訊號表示的溫度在啟動時 段S1的溫度異常地上升，即表示直流馬達風扇的啟動發生異常；雖然不同廠商設計和製造的電腦主機板或是電源供應器的規格及性能會有所差異，但是基於現今製造技術的進步，電子元件在啟動的短時間內應不致會有溫度快速上升的問題，通過上述檢測啟動時段S1溫度是否異常的方法，應能判斷直流馬達風扇是否異常；作為本發明的一較佳實施方式，其中啟動時段S1的時間長度為為3-10秒。本發明方法的另一個優點在於，從第一電壓V1降至第二電壓V2時直流馬達風扇可藉由轉動慣性持續轉動，並且在低負載時段S2具備降噪功能。
以第1圖繪示的實施例而言，正常情形下在個人電腦或是電源供應器啟動前的初始溫度T0應為室溫，在啟動時段S1結束時一般會略上升至第一溫度T1，本發明方法預設的溫度閥值T2大於第一溫度T1，溫度閥值T2並非固定，依不同廠商設計和製造的電腦主機板或是電源供應器的規格及性能會有所差異，基本上可將溫度閥值T2視為應啟動散熱機制的最低溫度，當電腦主機板或是電源供應器的溫度大於或等於溫度閥值T2時，即應開始調整直流馬達風扇的轉速以加強散熱效能低負載時段。因此，本發明方法當電腦主機板或是電源供應器的溫度大於第一溫度T1而且小於溫度閥值T2時，以能維持直流馬達風扇轉動的最低電壓(即是第二電壓V2)供給予直流馬達風扇，降低風扇運轉噪音而具有靜音，提供系統低負載時散熱需求與兼具節能的功效，在散熱溫度區間S3內依據該溫度訊號以正比的關係曲線調整工作電壓Vk，能夠適時且適當地調整直流馬達風扇的轉速，以提供足夠的散熱解熱能力。
請參閱第2圖，是本發明直流馬達風扇的轉速控制方法的另 一實施例的電壓控制曲線示意圖。第2圖繪示的直流馬達風扇的轉速控制方法，用以依據一溫度訊號啟動和調整直流馬達風扇的轉速，包括下列步驟：在一啟動時段S1以一第一電壓V1啟動直流馬達風扇，並在啟動時段S1以第一電壓V1供給直流馬達風扇；在啟動時段S1結束後的一工作時段S4以一工作電壓Vk供給直流馬達風扇，工作電壓Vk的起始電壓為第二電壓V2，第二電壓V2是能維持直流馬達風扇轉動的最低電壓；以及在工作時段S4依據溫度訊號以正比的關係曲線調整工作電壓Vk(意即溫度上升時調升工作電壓Vk，溫度下降時調降工作電壓Vk)，且工作電壓Vk的上限為直流馬達風扇安全工作能施加的最大電壓(即額定電壓V3)。
雖然本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。
S1:啟動時段
S2:低負載時段
S3:散熱溫度區間
T0:初始溫度
T1:第一溫度
T2:溫度閥值
V1:第一電壓
V2:第二電壓
V3:額定電壓
Vk:工作電壓

Claims (4)

  1. 一種直流馬達風扇的轉速控制方法，用以依據一溫度訊號啟動和調整該直流馬達風扇的轉速，包括下列步驟：在一啟動時段以一第一電壓啟動該直流馬達風扇，並在該啟動時段以該第一電壓供給該直流馬達風扇；在該啟動時段結束後的一低負載時段以一第二電壓供給該直流馬達風扇，該第二電壓是能維持該直流馬達風扇轉動的最低電壓；在該溫度訊號表示的溫度達到預設的一溫度閥值和該溫度閥值以上的一散熱溫度區間時，以一工作電壓供給該直流馬達風扇，在該散熱溫度區間內依據該溫度訊號以正比的關係曲線調整該工作電壓，且該工作電壓的上限為該直流馬達風扇的額定電壓；以及在該溫度訊號表示的溫度從該散熱溫度區間降至該溫度閥值以下時，返回該低負載時段並以該第二電壓供給該直流馬達風扇；其中該直流馬達風扇的該額定電壓為DC 12.0V，該第一電壓為DC 5.0V，該第二電壓為DC 3.0V。
  2. 如請求項1所述的直流馬達風扇的轉速控制方法，其中該啟動時段的時間長度為3-10秒。
  3. 一種直流馬達風扇的轉速控制方法，用以依據一溫度訊號啟動和調整該直流馬達風扇的轉速，包括下列步驟：在一啟動時段以一第一電壓啟動該直流馬達風扇，並在該啟動時段以該第一電壓供給該直流馬達風扇；在該啟動時段結束後的一工作時段以一工作電壓供給該直流馬達 風扇，該工作電壓的起始電壓為一第二電壓，該第二電壓是能維持該直流馬達風扇轉動的最低電壓；以及在該工作時段依據該溫度訊號以正比的關係曲線調整該工作電壓，且該工作電壓的上限為該直流馬達風扇的額定電壓；其中該直流馬達風扇的該額定電壓為DC 12.0V，該第一電壓為DC 5.0V，該第二電壓為DC 3.0V。
  4. 如請求項3所述的直流馬達風扇的轉速控制方法，其中該啟動時段的時間長度為3-10秒。
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