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汽车中电子散热风扇是怎么进行控制的
作者:137 发布日期:2020-08-06

  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。

 

由于不同客户对使用环境的不同,耐温,防水,防尘,风量等,风扇的选型及价格可咨询深圳市多罗星科技有限公司专业的技术人员及业务员。

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