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汽车中电子散热风扇是怎么进行控制的

日期: 2019-05-20
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  散热风扇在我们的生活中非常常见。散热风扇有一个种类叫做电子散热风扇,在汽车中是非常常见的。电子散热风扇在汽车中一般会具有不同的档位,那么不同档位的电子散热风扇是怎么进行控制的呢?下面我们来了解一下。

  在汽车电子系统之中,温度的管理一直是个挑战,一般会要求系统能够正常工作在-40°C ~ + 65°C的环境温度之下。而机壳之内的环境温度还会有20°C左右的温升,所以pcb板实际需要承受的最高环境温度会高达+ 85°C。

  然后,进一步着眼于局部区域,如电源、cpu等模块将会是发热大户,更一步加剧了机壳内的环境温度,严苛的环境实际上已经逼近很多芯片的耐温极限了。因此,在系统设计的初期,必须规划好热管理(Thermal Management)策略以及设计对应的措施。

  比较简单粗暴,但是有效的散热措施就是增加一台散热风扇,当然这会增加设计成本及机器噪音。所以,我们在设计风扇电路时的要求也是基于这两个基本的出发点:

  1)、电路必须简单,低成本;

  2)、风扇的转速与噪音成正比,所以要求风扇的转速可测、可控。系统会根据环境温度调整风扇转速,最好是无级调速,力求散热效率与噪音之间的平衡。

  风扇的结构:

  风扇的核心部件是一只外转子的无刷直流电机。所谓外转子,是指线圈不动(定子),磁铁旋转(转子);所谓无刷直流电机,是没有电刷的直流电机,使用霍尔感应器代替电刷。

  图1.1 散热用风扇

  在原理上,一成不变的直流电压是无法让电机持续运转的,因为它会被“异性”牢牢地吸引住,携手到白头。电机持续运转的前提是,有一方必须“花心”,转子也好,定子也行,所以转子与定子之间“分分合合”,不断寻找新欢,然后就转动了起来。

  当电机转过180°时(这是相位角度,注意不是物理角度),正好线圈感应的N和S极与磁铁的S和N异性相吸,此刻将通往线圈的电压交换正负极,然后由“异性相吸”转变为“同性相斥”,所以转子又得以转过180°,然后继续变换正负极,电机得以持续转动。

  不断“挑唆”线圈变换正负极的装置叫做换相器,它可以是机械式的电刷,也可以是电子式的霍尔感应器。显然机械式的换相器简单,成本低,但是噪音大,有磨损,寿命短,如图1.2示意;电子式的霍尔感应器,寿命长,但是需要专门的芯片来辅助,成本高,如图1.3示意。

  图1.2 直流电机的工作原理模型

  图1.3 无刷直流电机的工作原理模型

  图1.4与图1.5是散热风扇的拆解,这是外转子的无刷直流电机,转子是磁极,定子是线圈,线圈被安装于一个PCB基板上,基板上还有一个霍尔感应器,用于感应转子上的磁极变化。

  图 1.4 散热风扇拆解(正面)

  图 1.5 散热风扇拆解(反面)

  图1.6 霍尔感应器与磁极变化

  霍尔感应器头顶上的转子在转动过程中,N/S磁极交错变化,霍尔会相应的输出高低交错变化的信号,然后输出信号被输入到控制芯片进行处理,芯片据此在合适的时机进行换相操作。

  转速侦测:

  霍尔输出的信号还对应于电机的转速,不过需要一点换算,在换算时首先需要知道一个参数,因为霍尔是对每个磁极做出反应的,所以如果知道了电机一共有多少个磁极(N和S),然后就可以换算出电机的转速了。

  风扇电机的磁极一般是4极或8极,当然可以更多,极数越多转动越细腻、越平稳,当然这对于风扇来说没必要。

  图1.7 电机的转速信号的换算

  图1.7是霍尔信号的输出与电机的转速之间的换算关系。

  RPM是每分钟的转速,FG是霍尔信号的频率,FG代表每秒钟感应到了多少次N/S磁极的交替。POLE是指一共有多少个N及S极,如4个极(2个N,2个S)以及8个极(4个N,4个S),(FG*2/POLE)是换算为每秒钟的电机转速,一分钟等于60秒,所以最后再乘以60换算为常用单位RPM(转/分钟)。

  换相机制:

  支撑电机转动的基础原理是“异性相吸,同性相斥”。永磁铁的磁极是固定的,在这里它是绕轴转动的的转子;然后,固定在基板上的线圈是定子,它随电流方向的不同而呈现不同的极性,N或S极,它是可变性的。

  首先,控制芯片通过霍尔感应器探测得知当前在线圈附近的磁极极性是N还是S,然后通知线圈感应出与之相反的极性。转子闻到了异性的味道,会立刻傻傻地跑过去。当转子刚好跑到线圈的中心位置的时候,控制芯片又立刻通知线圈再次变性,成为与转子同性。可想而知,转子十分“恼火”,远看以为是一个大美女,跑到跟前一瞧,“靠”,居然是男的!不过已经来不及了,由于惯性的原因,转子已经跨越了中心线。而与之相邻的磁极正在向线圈靠近,因为它是异性的,所以她瞧见的是一位“大帅哥”正在等她,于是她加速、主动地追了过来,当然结果也是令人失望的,然后拂袖而去,接着又有新的磁极再次“上当”。如此周而复始,转子就在控制芯片的“哄骗”之下,转动了起来。

  如此调侃电机的换相过程,虽不严谨,但是原理上基本就是如此,如图1.8示意。

  综上所述,通过这篇文章,我们对汽车中电子散热风扇的控制原理和具体方法有了更多的了解。我们在进行汽车维修的时候,有时候需要对电子散热风扇进行排查,了解有关电子散热风扇控制机理的知识有利于我们进行排查。


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