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)域中的一個分支，因其控制方式簡單，應(yīng)用簡便，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：單相風(fēng)扇的換相應(yīng)該是超前還是滯后？

01無刷風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程

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

圖2：無刷風(fēng)扇電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程

對單相風(fēng)扇電機(jī)而言，電流方向是通過H橋的通斷來控制，轉(zhuǎn)子位置通過霍爾傳感器的輸出來判斷，而H橋的通斷控制，是基于霍爾的傳感信號，因此霍爾傳感信號是驅(qū)動信號和轉(zhuǎn)子實(shí)時位置之間的橋梁，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)子逆時針為旋轉(zhuǎn)方向：

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖3位置時，此時根據(jù)霍爾的擺放位置，霍爾輸出處于從低到高的上升沿，此時為保證轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)繞組應(yīng)該流過從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，此時霍爾輸出變?yōu)閺母叩降偷南陆笛兀藭r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SW2和SW3閉合；

圖4：示意圖2

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

02為什么需要對換相過程做超前或是滯后的角度補(bǔ)償？

以上這樣一個換相過程看似是十分理想的情況，然而，為什么我們需要對換相過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)電動勢為BEMF，流過兩相間的相電流為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)電動勢BEMF，加上相電流Io與繞組回路上的等效阻抗之積；對于風(fēng)扇定子繞組來說，等效阻抗由等效電阻R和等效電感L兩部分組成。

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

圖5：單相風(fēng)扇換相等效驅(qū)動電路圖和矢量圖

我們也可以通過波形圖來表征這個過程：

如圖6，在霍爾高低電平切換時風(fēng)扇換相，等效電壓OUT1-OUT2通過零點(diǎn)，反電動勢此時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)電動勢一個角度θ；這部分的滯后，會造成相電流和感應(yīng)電動勢的乘積有一個負(fù)值部分，從而電機(jī)會產(chǎn)生“負(fù)轉(zhuǎn)矩”。

圖6：單相風(fēng)扇換相波形圖

這個換相時的“負(fù)轉(zhuǎn)矩”會大大影響風(fēng)扇效率，同時，也會在換相時產(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)化換相時的噪音；應(yīng)保證相電流和感應(yīng)電動勢在同相位，消除這個乘積里的負(fù)值部分，也就是說應(yīng)該對霍爾切換的信號做一個超前的補(bǔ)償，這個過程也叫做超前角控制。

03超前補(bǔ)償過程

接下來，我們看看超前補(bǔ)償?shù)倪^程：

將霍爾角度提前，即霍爾高低電平切換提前，此時受換相信號控制的相等效電壓OUT1-OUT2也提前進(jìn)入過零點(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)電動勢能夠位于相同相位，此時能夠得到最大轉(zhuǎn)矩。

此時從矢量圖中，我們看到當(dāng)Io跟隨換相即霍爾信號的提前而旋轉(zhuǎn)過一個合適的角度θ后，此時和感應(yīng)電動勢位于同相位，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

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會擺放在相鄰繞組之間靠近矽鋼片大頭的位置，正對矽鋼片大頭的邊緣，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，若我們在霍爾擺放的物理位置上有一些偏差，MPS針對每一顆風(fēng)扇驅(qū)動物料也都有其對應(yīng)的上位機(jī)軟件，我們也可以通過在上位機(jī)中對霍爾超前/滯后角度進(jìn)行微調(diào)，以補(bǔ)償這個擺放偏差，以達(dá)到更高的效率和更好的噪音效果。

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