CN1407711A

CN1407711A - 无刷式直流风扇马达的速度控制电路

Info

Publication number: CN1407711A
Application number: CN02144386A
Authority: CN
Inventors: 喜军南
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-04-02
Also published as: US20020197068A1; US20040164692A1; US6879120B2; EP1271759A3; JP2003003990A; EP1271759A2

Abstract

本发明提供了一种无刷式直流风扇马达的速度控制电路，它可以：不需要PWM振荡器就可以进行低成本高精度的马达速度控制，特别是，用于电子仪器壳体内的散热，能够有效调节壳体内的温度。在根据驱动电路22a的控制输入端22b的电压，控制进行旋转速度控制的无刷式直流风扇马达22中，具有在第1输入端中输入速度控制用电压信号、在第2输入端输入基准电压的差动放大器。该差动放大器AMP的输入输出特性为线性，可以设定所希望倾斜度的上升沿特性，不将PWM信号用作输入信号，就可以进行高精度的速度控制。给驱动电路的控制输入端提供来自该差动放大器AMP输出端的电压信号。

Description

无刷式直流风扇马达的速度控制电路

本发明所属技术领域

本发明涉及作为电子机器等壳体内散热用送风机、合适的无刷式直流风扇马达，特别是涉及其速度控制电路。

现有技术

例如，如同个人计算机以及复印机等OA(办公自动化)机器那样，在将多数电子元件放置在比较窄小壳体内的电子仪器中，从上述电子原件中散发出的热量充斥在壳体内，具有造成电子原件热损坏的顾虑。

因此，在这样的电子器件壳体侧壁以及其顶部面上设置通气口，在该通气口中安装风扇马达以便将壳体内热量向外部排出。

在这种风扇马达中，使用无刷式直流风扇马达的情况下，为了能有效调节壳体内的温度，有必要对该无刷式直流风扇马达进行高精度速度控制。

在图2中示出了根据这样的要求所构成的现有技术的无刷式直流风扇马达的速度控制电路。

图中，21为无刷式直流风扇马达(电路)22的速度控制电路。这里，示出了2相驱动马达22。

如图所示，无刷式直流风扇马达22具有励磁线圈L1、L2、开关单元SW1、SW2、齐纳二极管ZD1、ZD2、电阻R1-R4、二极管D1以及驱动电路22a。

此时，在定子上(图中没有示出)具有励磁线圈L1、L2，通过根据来自驱动电路22a的控制信号而交替导通/截止的开关单元SW1、SW2，使励磁线圈L1、L2交替切换通电从而形成旋转磁场。转子(图中没有示出)由于其上带有的永久磁铁追随上述旋转磁场旋转而旋转。

另外，在驱动电路22a中输入了作为励磁线圈L1、L2的切换通电定时信号的、来自检测上述转子旋转位置的传感器的位置信号S1、S2。

速度控制电路21由电阻R5-R10以及NPN型晶体管Q1构成。在该速度控制电路21的输入端子IN中，OA仪器壳体(图中没有示出)内的温度为脉冲宽度调制(PWM)信号(PWM信号)，即将上述壳体内温度置换为电压的H(高)、L(低)电平的脉冲宽度(时间)比的信号作为输入信号而输出。

速度控制电路21维持其输出信号的电平，在驱动电路22a中，使提供给马达22的开关单元SW1、SW2的控制信号有效或无效。

具体而言，速度控制电路21在其输出端OUT(驱动电路22a的控制输入端子22b)的电压Vb不足预定值(L电平)时，使上述控制信号有效。由此，开关单元SW1、SW2可以交替导通/截止。电压Vb位于预定值(H电平)以上时，使上述控制信号无效，使开关单元SW1、SW2截止。

即，使励磁线圈L1、L2相互通电，将驱动力提供给转子，或截止(阻断)到达励磁线圈L1、L2上的通电，解除提供给转子的驱动力，从而控制马达22的旋转速度。

在这样的速度控制电路21中，壳体内温度上升，输入到输入端IN的PWM信号的H电平时间增加，提供给晶体管Q1基极电压的H电平时间也增加，输出端OUT的电压Vb的L电平时间增加。

因而，提供给驱动电路22a的输入电压的L电平时间，即上述控制信号为有效的时间也增加，提供给转子(图中没有示出)的驱动力的持续时间也变长，马达旋转速度增加。

借此，增加了散热效果，从而使上述壳体内的温度变低。这样，如果使对壳体内的温度进行脉宽调制的PWM信号作为速度控制电路21的输入信号的话，用H、L电平之比可以精细地控制驱动电路22a，由于能够以精确速度控制马达22，则可以以较好的效率来调节壳体内温度。本发明所解决的技术问题

在上述现有的速度控制电路21中，由于下列理由，在输入信号中使用PWM信号。即，正如来自热敏电阻的温度检测输出电压那样，将使用电平连续变化所得到的电压，用作晶体管Q1的基极输入信号，在取出来自比较器的输出电压的情况中，可以在晶体管Q1的上升沿特性曲线上的某个电压电平上设定工作点。

但是，晶体管Q1上升沿特性陡峭，并且是非直线，因此上述工作点的设定困难。为此，以某个温度(输入信号的电压电平)为基准，使提供给开关单元SW1、SW2的控制信号有效或无效，并提高速度控制精度困难。

此外，在将PWM信号用作输入信号的情况下，由于温度可以以脉冲宽度即时间轴上长短来表示，因此没有必要精确设定上述工作点，从而，使其设定变得简单。因此，现有的速度控制电路21在输入信号中使用PWM信号。

但是，根据现有的速度控制电路21，需要用于将进行速度控制的适当基础的物理量，这里是温度，变换为电信号的元件，例如除了定子之外，还需要用于将电信号转换为PWM信号的高价PWM用振荡器等，所以，存在前端电路中所需的成本大幅提高的问题。

为了解决上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种无刷式直流风扇马达速度控制电路，它可以：不需要在前端电路中使用高价元件以及电路，就可以以低成本进行高精度的速度控制成为可能，尤其是，用于电子仪器壳体内的散热，从而可以有效调节该壳体内的温度。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的第一方面的特征在于，在无刷式直流风扇马达中，通过驱动电路进行旋转驱动，并通过该驱动电路的控制输入端的电压控制来控制旋转速度；并且具有在第1输入端中输入速度控制用电压信号、在第2输入端输入基准电压的差动放大器，该差动放大器的输入输出特性为线性，可以设定所希望倾斜度的上升沿特性，并将来自该差动放大器的输出端电压信号提供给前述驱动电路的控制输入端。

本发明的特征在于，在本发明的第一方面中记载的发明中，将差动放大器的基准电压信号，在电路驱动用电源以及接地间连接的分压电阻的分压点处提供，适当设定该分压电阻的电阻值，从而获得所希望的最低旋转速度。

本发明的特征在于，在本发明的第一及第二方面中记载的发明中，通过放大倍数设定用第1电阻，将速度控制用电压信号输入到差动放大器的第1输入端，在该差动放大器的第1输入端以及输出端之间，连接有放大倍数设定用第2电阻，适当设定这些放大倍数设定用第1电阻以及第2电阻的电阻值，可获得有关前述差动放大器所希望的放大倍数，可以设定所希望的旋转速度变化率。

本发明的特征在于，在本发明的第一、二及第三方面中记载的发明中，分别通过电容器，将差动放大器的第1输入端以及第2输入端接地。

本发明的特征在于，在本发明第1-4方面任一个中记载的发明中，通过旋转速度微调用电阻，将来自差动放大器的输出端的电压信号提供给驱动电路的控制输入端。

本发明的特征在于，在本发明的第1-5方面的任一个中记载的发明中，通过电容，将从差动放大器的输出端到驱动电路的控制输入端的电压信号传送路径中所希望的位置接地。

附图简述

图1是示出了根据本发明的无刷式直流风扇马达的速度控制电路的一个实施例的图。

图2是示出了现有的无刷式直流风扇马达的速度控制电路图。

具体实施方式

以下，基于附图描述本发明的实施例。

该图中，11是无刷式直流风扇马达(电路)22的速度控制电路。这里，示出了2相驱动马达32。+V为马达驱动电源，+Vcc表示速度控制电路的驱动电源。

上述无刷式直流风扇马达22具有励磁线圈L1、L2、开关单元SW1、SW2、齐纳二极管ZD1、ZD2、电阻R1-R4、二极管D1以及驱动电路22a。

这种情况中，在定子(图中没有示出)中带有励磁线圈L1、L2，通过根据来自驱动电路22a的控制信号而交替导通/截止的开关单元SW1、SW2，交替切换通电从而形成旋转磁场。转子(图中没有示出)以其上带有的永久磁铁追随上述旋转磁场旋转的方式旋转。

此外，在驱动电路22a中，检测上述转子(永久磁铁)旋转位置的传感器，输入了例如是来自霍尔元件的位置信号S1、S2，作为使励磁线圈L1、L2切换通电的定时信号。

速度控制电路11包含电阻R11-R18、电容C1-C3以及差动放大器AMP并由此构成。该速度控制电路21保持其输出信号的电压电平，使提供给上述驱动电路22a的、马达22的开关单元SW1、SW2的控制信号有效或无效。

具体而言，速度控制电路21在其输出端OUT(驱动电路22a的控制输入端22b)的电压电平不足预定值(L电平)时，使上述控制信号有效。借此，开关单元SW1、SW2交替ON/OFF(导通/截止)。在电压电平Vb为预定值以上(H电平)时，使上述控制信号无效，开关单元SW1、SW2截止。

即，使励磁线圈L1、L2交替通电，将驱动力提供给转子，或者使提供给励磁线圈L1、L2的通电截止(阻断)，解除提供给转子的驱动力，控制马达22的旋转速度。

下面，详细描述速度控制电路11。

差动放大器AMP，可以是由于其输入输出特性为线性，从而容易设定所希望的倾斜度上升沿特性的差动放大器，这里该差动放大器是由运算放大器组成。在该差动放大器(运算放大器)AMP的反向输入端-，通过电阻R13输入了输入到输入端IN的马达旋转速度的控制电压信号Vi。此外，在该差动放大器AMP的非反向输入端+，通过连接在上述电源+Vcc和接地端之间的分压电阻(电阻R11、R12)，借助于电阻R14输入设定了电压电平的基准电压信号Va。

上述控制电压信号Vi在这里为根据OA仪器壳体内的温度电平而连续变化所获得的电压信号，例如可以是通过热敏电阻(图中没有示出)检测出温度的输出电压信号。此外，基准电压信号Va是对应于预定的规定检测温度的电压，换言之，是相当于最低旋转速度的电压，利用该电压的设定值，设定与规定的检测温度对应的马达22的最低旋转速度。

电阻R15，和电阻R13一起，来设定差动放大器AMP的放大倍数(上升沿特性的倾斜度)，换言之，它是设定了马达22的旋转速度变化率的电阻，将电阻R15连接在差动放大器AMP的反向输入端-以及输出端之间。

电阻R16、R17是用于将驱动电路22a的控制输入端22b设定为规定电压电平的电阻。速度控制电路21的输出信号Vo，在基准规定的范围上，控制以上述电阻R16、R17设定的输出端OUT的电压电平Vb的电压。

此外，电阻R13、R14设定为相同的电阻值。符号R13、R15表示其各个电阻值，符号Vi、Va表示其各个电平(电平)。

以上结构中，用下式(1)求出差动放大器AMP的输出电压Vo。

VO＝-{(Vi-Va)·(R13/R15)} ---..(1)

用下式(2)求出控制输入端22b的电压电平Vb。

Vb＝-Va(R13/R15)·Vi+Va(R13/R15)….(2)

由于稍微调整了驱动电路22a的控制输入端22b的电压电平Vb，因此，利用***到差动放大器AMP输出端o以及上述控制输入端22b之间的电阻R18，可以有效地微调马达旋转速度。

电容C1位于差动放大器AMP的反向输入端-以及接地端之间，电容C2位于差动放大器AMP的非反向输入端+以及接地端之间，用分别***的噪声消除用电容以便有效获得稳定的旋转速度。

电容C3为连接在驱动电路22a的控制输入端22b以及接地端之间的平滑用电容。电容C3虽然不是本发明速度控制电路11所必须的，但是如果将其添加上，则可以在输入信号中使用PWM信号。

下面说明其操作。

差动放大器AMP利用电阻R13、R15所设定的放大倍数来放大控制用电压信号Vi和基准电压信号Va的电压电平的差，并输出所获得的电压信号。此时，差动放大器AMP的输出电压Vo和控制用电压信号Vi极性相反(参照上式(1))。

此时，OA仪器壳体内的温度上升，由热敏电阻(图中没有示出)进行的温度检测输出电压变低，输入到速度控制电路21的输入端IN(差动放大器AMP的反向输入端-)的控制用电压信号Vi的电压电平下降。这样一来，来自差动放大器AMP输出端o的输出电压Vo上升为用上式(1)求出的电压，速度控制电路21的输出端OUT(驱动电路22a的控制输入端22b)的电压电平Vb也上升为由上式(2)求得的电压。

该上升后的电压电平Vb变为使提供给马达22的开关单元SW1、SW2的控制信号有效的电压电平以上时，该控制信号变为有效。

由此，使马达22的开关单元SW1、SW2交替地导通/截止，使励磁线圈L1、L2交替通电，给转子提供驱动力。其结果，马达22开始旋转或加速旋转，向外部开始排出上述壳体内的热量或排出量增大，降低该壳体内的温度。

上述操作电压电平Vb继续下降，直到下降到不足使到达开关单元SW1、SW2的控制信号有效的电压电平，上述壳体内的温度持续下降。

壳体内温度降低，由热敏电阻进行的温度检测输出电压上升时，输入到速度控制电路21的输入端IN(差动放大器AMP的反向输入端-)的控制电压信号Vi的电压电平上升。这样一来，来自差动放大器AMP的输出端o的输出电压Vo下降为用上式(1)求出的电压，速度控制电路21的输出端OUT(驱动电路22a的控制输入端22b)的电压电平Vb也下降为由上式(2)求得的电压。

下降后的电压电平Vb达到使提供给马达22的开关单元SW1、SW2的控制信号无效的电压电平时，该控制信号无效。

由此，马达22的开关单元SW1、SW2截止，对励磁线圈L1、L2的通电截止(阻断)，解除提供给上述转子的驱动力。其结果，该转子由于惰性旋转即变为减速旋转，壳体内的热量的排除缓缓减弱，不久，转子停止，热量排出也结束。

转子停止或减速过程中，壳体内温度上升，速度控制电路21的输出端OUT的电压电平Vb变为使提供给马达22的开关单元SW1、SW2的控制信号有效的电压电平以上，再次使上述开关单元SW1、SW2导通/截止。

由此，励磁线圈L1、L2交替通电，将驱动力提供给转子，从而开始旋转或加速旋转。其结果，向外部开始排出上述壳体内的热量或排出量增大，应该降低该壳体内的温度。下面，反复进行该操作，可以有效调节壳体内温度，并结束于一定范围内。

这种情况中，变为将PWM信号用作输入信号，可以精确地对马达22进行速度控制，能够很好调节壳体内温度。

即，本发明中，不是使用如同现有技术那样的晶体管(参照图2中的Q1)，而使用以运算放大器为代表的、输入输出特性为线性的、能容易设定所希望倾斜度的上升沿特性的差动放大器。因而，以某个温度(输入信号的电压电平)为基准，使提供给开关单元SW1、SW2的控制信号有效或无效，不将PWM信号用作输入信号，也就是，利用通过热敏电阻等便宜的传感器来检测温度后输出的电压信号，可以提高速度控制情况下的精度。

此外，在上述实施例中，虽然以作为控制对象、2相驱动无刷式直流风扇马达为例来描述，但是，以3相驱动等、多相驱动无刷式直流风扇马达作为控制对象也可以。

上述实施例虽然描述了用温度检测来对无刷式直流风扇马达进行速度控制的情况，但是也可以根据其它物理量，例如温度或烟和气体浓度等，对无刷式直流风扇马达进行控制。

如上所述，根据本发明的无刷式直流风扇马达的速度控制电路，在电路前端没有必要用高价元件和电路，也可以低成本实现高精度的马达速度控制，特别地，用在电子仪器壳体内的热量散发方面，可以获得有效调节其壳体内温度的效果。

根据本发明，可以通过简单方法来施加电阻以及电容或设定其值等，谋求最低旋转速度、旋转速度变化率、旋转速度微调、尤其是旋转速度的稳定。此外，还可以在输入信号中使用PWM信号。

Claims

1.一种无刷式直流风扇马达速度控制电路，在无刷式直流风扇马达中，通过驱动电路进行旋转驱动，并通过该驱动电路的控制输入端的电压控制来控制旋转速度，

具有输入到第1输入端的速度控制用电压信号、输入到第2输入端的基准电压的差动放大器，

其特征在于，该差动放大器的输入输出特性为线性，可以设定所希望倾斜度的上升沿特性，并将来自该差动放大器输出端的电压信号提供给前述驱动电路的控制输入端。

2.如权利要求1中记载的无刷式直流风扇马达速度控制电路，其特征在于，将差动放大器的基准电压信号，在电路驱动用电源以及接地间连接的分压电阻的分压点处提供，适当设定该分压电阻的电阻值，从而获得所希望的最低旋转速度。

3.如权利要求1或2中记载的无刷式直流风扇马达速度控制电路，其特征在于，将速度控制用电压信号通过放大倍数设定用第1电阻，输入到差动放大器的第1输入端，在该差动放大器的第1输入端以及输出端之间连接放大倍数设定用第2电阻，适当设定这些放大倍数设定用第1电阻以及第2电阻的电阻值，可获得有关前述差动放大器所希望的放大倍数，可以设定所希望的旋转速度变化率。

4.如权利要求1、2或3中记载的无刷式直流风扇马达速度控制电路，其特征在于，使差动放大器的第1输入端以及第2输入端，分别通过电容器而接地。

5.如权利要求1-4中任一个记载的无刷式直流风扇马达速度控制电路，其特征在于，通过旋转速度微调用电阻，将来自差动放大器的输出端的电压信号提供给驱动电路的控制输入端。

6.如权利要求1-5任一个中记载的无刷式直流风扇马达速度控制电路，其特征在于，通过电容，将从差动放大器的输出端到驱动电路的控制输入端的电压信号传送路径中所希望的位置接地。