一种新型冷却风扇控制系统的设计

第４４卷　第１期　２０１１拄　徽絮枷　ＭＩＣＲＯＭＯＴ０ＲＳ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１　１月　Ｊａｎ．２０１１　一种新型冷却风扇控制系统的设计　毛　焱，陈　呜　（中山大学物理科学与工程技术学院，广州５１０００６）　摘要：提出了一种新型的冷却风扇控制系统，采用Ｃ８０５１Ｆ３３０单片机作为系统的控制单元；温度传感器选择　ＤＳ１８Ｂ２０，ＩＲ２１３０驱动桥式逆变器。此设计大大缩小控制系统的体积，并可依据温度适当调速，适用于多种应用　场合。　关键词：ＤＳ１８Ｂ２０；Ｃ８０５１Ｆ３３０；ＩＲ２１３０；两相无刷直流电机　中图分类号：ＴＭ３０１．２：ＴＭ３６＋１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—６８４８（２０１１）０ｌ一０１０４—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｆａｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＭＡＯ　Ｙａｎ，ＣＨＥＮ　Ｍｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｎ　Ｙａｔ—ｓｅｎ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｆａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈｅａｐ　Ｃ８０５　１　Ｆ３３０　ＳＣＭ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｖｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｈｏｓｅｄ　ＤＳ１８Ｂ２０　ｗｈｏｓｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ，ＩＲ２１３０　ｄｒｉｖｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｙｐｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｒ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｖｏｌｕｍｅ，ｉｔｓ　ｓｐｅｅｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｒｏｐｆｉ—　ａｔｅｌｙ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＳ１８Ｂ２０；Ｃ８０５１Ｆ３３０；ＩＲ２１３０；ｔｗｏ．ｐｈａｓｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　器，驱动电路独立其外，这样不仅能实现外部散热，　Ｕ　弓ｌ　再　随着集成芯片的不但发展，越来越多的高能量　也利于解决自身散热。另外单片机可以根据读取的　不同温度值来产生不同占空比的ＰＷＭ控制信号，实　现无刷电机调速，达到节能目的。本系统所选用的　密度，高发热的电力电子器件整合在一起。我们在　享受其小巧的同时，也面临着芯片发热量急剧上升　器件廉价，一定程度上也降低了总体成本。　的问题。目前逆变电源，家用电器等设备都普遍使　用了冷却风扇，它们大多采用专用集成芯片来做控　制器，这样在解决外部散热的同时，没有注意到风　扇系统本身的散热问题。本系统采用单片机做控制　１硬件电路设计　控制系统原理图如图１所示。　ＤＱ　Ｈ１　Ｈ２　图１控制系统原理　收稿日期：２００９－０７－２１　作者简介：毛　焱（１９８６），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。　陈鸣（１９６０），男，通讯作者，副教授，研究方向太阳能利用技术。　１期　毛焱等：一种新型冷却风扇控制系统的设计　・ｌｏｓ・　单片机每隔适当的时间（即采样时间ｔ，可根据　不同的实际应用场合而定）从温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０　读取实时温度。ＤＳ１８Ｂ２０工作过程如下：单片机向　ＤＳ１８Ｂ２０发送复位脉冲，后ＤＳ１８Ｂ２０回发响应脉　初始化ＤＳ１８Ｂ２０　跳过读传感器序列　温度转换　等待，复位ＤＳＩ８Ｂ２０　冲。单片机检测到温度传感器的存在之后便可以发　出器件ＲＯＭ操作命令。ＲＯＭ指令包括读ＲＯＭ、符　合ＲＯＭ、跳过ＲＯＭ、搜索ＲＯＭ等指令。鉴于系统　跳过读传感器序列　读取温度数据　采用单一温度传感器，所以直接发送跳过ＲＯＭ的命　令。发送完后，单片机向ＤＳ１８Ｂ２０发送存储器操作　命令进行温度转换。经过数据处理将转换后的温度　值以二字节补码形式存放在暂存存储器的０，１字　节，单片机可以通过ＤＱ端读到该数据。　单片机读取到温度值后，同设定值比较，若大　于设定温度，就控制启动电机，并根据温度值所在　的具体范围调制适当的ＰＷＭ控制信号，实现不同的　温度下电机有不同的转速，达到节能目的。本系统　的仅用２路ＰＷＭ应用于逆变器的上半桥，用于调速　和换相；下半桥的ＭＯＳＦＥＴ仅用作换相控制。另外，　电机的霍尔位置传感信号　和　同单片机的Ｐｏ．５　和Ｐ０．７相连，用于确定换相顺序。　驱动电路中ｃ　和Ｃ　是自举电容，电容大小都　是１　Ｉ．ＬＦ，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能　量，ＶＤ　和ＶＤ　的作用是防止上桥臂导通时的直流　母线电压加到ＩＲ２１３０的电源上而使器件损坏，因此　ＶＤ　和ＶＤ：应有足够的反向耐压。另外，为了满足　主电路功率管开关频率的要求，ＶＤ　和ＶＤ　应选快　速恢复二极管，此处为ＢＹＵ２６Ｃ。Ｒ　一Ｒ　是ＭＯＳ－　ＦＥＴ的栅极驱动电阻，大小为１　ｋＦｔ。ＩＲ２１３０的　ＨＩＮ１和ＨＩＮ２、ＬＩＮ１和ＬＩＮ２作为功率管的输入驱动　信号与单片机的Ｐ１．１一Ｐ１．４连接，由单片机产生　ＰＷＭ控制信号，ＨＩＮ１和ＨＩＮ２是上桥臂管的驱动输　入，ＬＩＮ１和ＬＩＮ２是下桥臂管的驱动输入。Ｒ：和　组成过流检测电路，其中作为分压用的可调电阻　大小为２Ｏ　ｎ，当ＩＴＲＩＰ检测到电压超过了０．５　Ｖ，　ＩＲ２１３０内部的保护电路迅速启动，一方面使ＩＲ２１３０　的输出全部为低电平，保护功率管；另一方面通过　ＦＡＵＬＴ输出报警信号。　２软件设计　系统的软件设计是采用Ｃ５１编程来实现。程序　设计包括ＤＳ１８Ｂ２０初始化程序、复位程序、温度转　换程序、延时程序，读取温度程序、启动电机程序、　ＰＷＭ调制程序和制动电机程序。其中图２是温度传　感器控制流程图，图３为调速控制流程图。　图２温度传感器控制流程图　图３调速控制流程图　图３中的　、　、　（Ｔｏ＜Ｔ１＜　）是根据现场　环境设定的特殊温度值。读取传感温度　之前的采　样时间ｔ也可根据实际应用条件合理选择。ＰＷＭ１、　ＰＷＭ２是不同占空比的脉宽调制信号。当Ｔ＜Ｔｏ时，　单片机输出ＰＷＭ１，此时电机处于停机状态；当　＜Ｔ时，根据温度所在的具体范围选择不同　的ＰＷＭ。　３仿真试验　为了验证文章中提出的控制系统，对此系统做　了Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真试验　Ｊ。电机参数选择　如下：　定子绕组电阻为３　ｎ，定子绕组电感为６　ｍＨ，转　子转动惯量为０．８×１０—３　ｋｇ・ｎｌ　，转矩常数为０．７，负　载转矩为０，极对数为２。当温度从５０。一６０。Ｃ范围向　６０。一７０。Ｃ范围变化时，ＰＷＭ发生变化，由此得到的　相关仿真图形如图４、图５和图６所示。　当检测到的温度上升到新的范围后，单片机调制　出更大占空比的ＰＷＭ，如图４所示。此时电机的转速　从当前稳态向新的稳态变化，如图５所示。而电磁转矩　也会发生如图６的变化。　・ＪＤ６・　徽１ｌ｝扣　４４卷　从以上图形中可以清楚看出，最初电机能迅速达到　给定转速，当占空比发生变化后转速能迅速达到新　的稳态值，而转矩变化也令人满意。系统的快速性　和稳定得到了可靠保证，适合很多风扇冷却系统的　要求。　４　结　语　本文设计的冷却风扇控制系统成本低廉，小巧　图４　ＰＷＭ波形图　实用，适用于很多产热量大的设备场合。简洁的硬　件外围电路也增强了系统的可靠性。另外依据温度　调速也只需简单的程序设计就可以实现，充分发挥　节能又方便实现散热。　参考文献　［１］徐玮．５１单片机综合学习系统一ＤＳ１８Ｂ２０温度实验篇［Ｊ］．电　子制作，２００８（５）：２８—３０．　［２］　张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版　图５转速响应曲线　社，２００４．　［３］　孙建忠，白风仙．特种电机及其控制［Ｍ］．北京：中国水利水　电出版社，２００５．　［４］刘刚，王志强，房建成．永磁无刷直流电机控制技术与应用　［Ｍ］．北京：机械工、　出版社，２００８．　图６电磁转矩曲线　月刊）　阅，本刊亦可破订、零购。　！欢迎刊登广告！　国际刊　电话：