上期回顧：負(fù)壓的產(chǎn)生方式

本期內(nèi)容

風(fēng)扇，作為電機(jī)細(xì)分領(lǐng)域中的一個(gè)分支，因其控制方式簡(jiǎn)單，應(yīng)用簡(jiǎn)便，在散熱領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。其應(yīng)用的領(lǐng)域幾乎覆蓋了我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中每一環(huán)：如消費(fèi)類筆記本電腦中的散熱風(fēng)扇，工業(yè)類設(shè)備中的風(fēng)冷散熱器，以及汽車中的座椅通風(fēng)風(fēng)扇等。

其中，單相風(fēng)扇因其繞組方式簡(jiǎn)單，成本較低，在小功率類別風(fēng)扇中有著尤為廣泛的應(yīng)用。今天給大家分享：?jiǎn)蜗囡L(fēng)扇的換相應(yīng)該是超前還是滯后？

01無(wú)刷風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程

我們知道，無(wú)刷風(fēng)扇電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是定子繞組周期性通過(guò)相反方向的電流，以產(chǎn)生方向周期性時(shí)變的磁場(chǎng)，以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁體在感應(yīng)磁場(chǎng)中定向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程。

圖2：無(wú)刷風(fēng)扇電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程

對(duì)單相風(fēng)扇電機(jī)而言，電流方向是通過(guò)H橋的通斷來(lái)控制，轉(zhuǎn)子位置通過(guò)霍爾傳感器的輸出來(lái)判斷，而H橋的通斷控制，是基于霍爾的傳感信號(hào)，因此霍爾傳感信號(hào)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置之間的橋梁，其正確的反饋是風(fēng)扇電機(jī)能否順利控制運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。

具體示意圖如圖所示，以電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針為旋轉(zhuǎn)方向：

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖3位置時(shí)，此時(shí)根據(jù)霍爾的擺放位置，霍爾輸出處于從低到高的上升沿，此時(shí)為保證轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)繞組應(yīng)該流過(guò)從OUT1流向OUT2的電流，H橋中的SW1和SW4閉合；

圖3：示意圖1

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖4位置時(shí)，此時(shí)霍爾輸出變?yōu)閺母叩降偷南陆笛兀藭r(shí)電機(jī)繞組電流方向應(yīng)該從原先的OUT1到OUT2，轉(zhuǎn)變?yōu)镺UT2流向OUT1，此時(shí)SW2和SW3閉合；

圖4：示意圖2

單相風(fēng)扇的換相過(guò)程就是這樣一個(gè)基于霍爾信號(hào)高低電平切換從而切換繞組電流的流向的過(guò)程。

02為什么需要對(duì)換相過(guò)程做超前或是滯后的角度補(bǔ)償？

以上這樣一個(gè)換相過(guò)程看似是十分理想的情況，然而，為什么我們需要對(duì)換相過(guò)程做超前或是滯后的角度補(bǔ)償呢？

讓我們看向單相風(fēng)扇的等效驅(qū)動(dòng)電路：

我們把兩相施加的等效電壓分別設(shè)為Out1和Out2，定子繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為BEMF，流過(guò)兩相間的相電流為Io；由電壓公式，可得到兩相間等效電壓Out1-Out2，等于兩相回路上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)BEMF，加上相電流Io與繞組回路上的等效阻抗之積；對(duì)于風(fēng)扇定子繞組來(lái)說(shuō)，等效阻抗由等效電阻R和等效電感L兩部分組成。

由此，我們可以通過(guò)矢量圖，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和相電流的關(guān)系，由于繞組回路上這個(gè)電感分量的存在，實(shí)際此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是超前于相電流一個(gè)角度θ的。

圖5：?jiǎn)蜗囡L(fēng)扇換相等效驅(qū)動(dòng)電路圖和矢量圖

我們也可以通過(guò)波形圖來(lái)表征這個(gè)過(guò)程：

如圖6，在霍爾高低電平切換時(shí)風(fēng)扇換相，等效電壓OUT1-OUT2通過(guò)零點(diǎn)，反電動(dòng)勢(shì)此時(shí)和等效電壓處于同相位；由于繞組回路中電感分量的存在，相電流Io滯后于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一個(gè)角度θ；這部分的滯后，會(huì)造成相電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的乘積有一個(gè)負(fù)值部分，從而電機(jī)會(huì)產(chǎn)生“負(fù)轉(zhuǎn)矩”。

圖6：?jiǎn)蜗囡L(fēng)扇換相波形圖

這個(gè)換相時(shí)的“負(fù)轉(zhuǎn)矩”會(huì)大大影響風(fēng)扇效率，同時(shí)，也會(huì)在換相時(shí)產(chǎn)生一定的電磁噪音，影響風(fēng)扇的運(yùn)行效果。

因此，為獲得更大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高風(fēng)扇效率，有效優(yōu)化換相時(shí)的噪音；應(yīng)保證相電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在同相位，消除這個(gè)乘積里的負(fù)值部分，也就是說(shuō)應(yīng)該對(duì)霍爾切換的信號(hào)做一個(gè)超前的補(bǔ)償，這個(gè)過(guò)程也叫做超前角控制。

03超前補(bǔ)償過(guò)程

接下來(lái)，我們看看超前補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程：

將霍爾角度提前，即霍爾高低電平切換提前，此時(shí)受換相信號(hào)控制的相等效電壓OUT1-OUT2也提前進(jìn)入過(guò)零點(diǎn)，隨之，相電流Io也跟隨相等效電壓提前。這樣，我們可以發(fā)現(xiàn)，只要補(bǔ)償?shù)某敖嵌群线m，可以保證在補(bǔ)償之后，Io和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠位于相同相位，此時(shí)能夠得到最大轉(zhuǎn)矩。

此時(shí)從矢量圖中，我們看到當(dāng)Io跟隨換相即霍爾信號(hào)的提前而旋轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)合適的角度θ后，此時(shí)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)位于同相位，兩項(xiàng)乘積達(dá)到最大值。

圖7：超前補(bǔ)償后的波形圖和矢量圖

以MP6653為例，這是一顆集成了霍爾傳感器的35V/1.2A，單相風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)IC，支持閉環(huán)控制方式且轉(zhuǎn)速曲線可編程；

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圖8：MPQ6653特性與優(yōu)勢(shì)

在MP6653的規(guī)格書上，我們檢索到該芯片內(nèi)置的霍爾傳感器，是位于3，4腳正中間的位置，因此，我們可以看到，在眾多實(shí)際案例中，IC會(huì)擺放在相鄰繞組之間靠近矽鋼片大頭的位置，正對(duì)矽鋼片大頭的邊緣，而不是位于相鄰繞組的正中間位置；這其實(shí)就是在實(shí)際案例中，做出的霍爾超前角控制。

圖9：實(shí)際案例中霍爾超前角控制擺放位置

當(dāng)然，若我們?cè)诨魻枖[放的物理位置上有一些偏差，MPS針對(duì)每一顆風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)物料也都有其對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件，我們也可以通過(guò)在上位機(jī)中對(duì)霍爾超前/滯后角度進(jìn)行微調(diào)，以補(bǔ)償這個(gè)擺放偏差，以達(dá)到更高的效率和更好的噪音效果。

圖10：通過(guò)MPS上位機(jī)對(duì)霍爾超前/滯后角度進(jìn)行微調(diào)