JP3696186B2

JP3696186B2 - ファンの回転速度制御システム

Info

Publication number: JP3696186B2
Application number: JP2002218668A
Authority: JP
Inventors: スーチア−チャン; チェンイェー−ジョン; リンチュン−シェン
Original assignee: プロリフィックテクノロジーインコーポレーテッド
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: TW513625B; US6737860B2; US20030020460A1; JP2003052187A

Description

【０００１】
【発明の背景】
関連出願に関するクロスリファレンス
本出願書は、２００１年７月２７日に出願された***特許出願番号No.90118506を併合する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は総じて制御システムに関し、特にファンの回転速度制御システムに関する。
【０００３】
【関連技術の説明】
コンピュータテクノロジーの進歩に伴い、ノート形コンピュータ等の小型で軽量の電子製品が市場で主流の製品となっている。軽量小型電子製品においては通常、発生する熱を放散する能力により、システム安定性、性能、および耐久性が左右される。コンピュータシステムに於いては、発生した熱を迅速に放散する為に、通常、放熱装置が組み込まれており、適正な温度環境で正常に動作できるようになっている。
【０００４】
従来のコンピュータシステムに於いては、放熱ファンがブラシレスDCモータにより駆動される。従来は、巻き数の異なるコイルを回転子に組みつけて、異なる仕様に対応するファンを得ていた。例えば、定格回転速度の高いファンが必要な場合には、巻き数の多いコイルを組みつけ、定格回転速度の低いファンが必要な場合には、巻き数の少ないコイルを組みつけている。通電すると、巻き数の異なるコイルは強さの異なる磁場を発生させるので、モータの回転速度が異なり、それに応じてファンの回転速度が変わる。
【０００５】
仕様の異なるファンが市場で求められると、供給業者は、様々な巻き数のコイルをストックする必要がある。だが、様々なコイルをストックしなければならない為に、材料コストが高くつく。一方、コイルの巻き数が同じファンにおいては、ファンの回転速度は、組みつけ堅さ、ファンの偏心度、ファンの慣性差、コイルの形状ずれ等の影響を受ける。供給業者は、各種ファンの仕様に規定される定格回転速度を遵守すべく、ファンの回転速度に影響を及ぼす変動要素の調整に時間をさく必要がある。従って、本発明は時間とコストとを削減することを可能とする。というのは、従来の製品は、試験を行い、規定を満たさないものは排除しなければならないので、製造コストと製造時間との増加を来すからである。
【０００６】
【発明の概要】
上記に鑑みて、本発明の目的は、巻き数の同じコイルを用いて、制御システムの基準周波数を変えることにより、仕様の異なるファンの数通りの定格回転速度を得ることを可能とする、ファンの回転速度制御システムを提供することである。巻き数の異なる複数種のコイルを一度にストックする必要がないので、時間コストと製造コストとが削減できる。
【０００７】
本発明の目的に従い、本発明は、基準周波数を有する基準クロックに応じて、ファン回転速度信号に対応するファンの回転速度を制御する為のシステムを提供する。該システムは、ファン回転速度制御ユニットと、電圧発生回路と、駆動ユニットとを具備して成る。このファン回転速度制御ユニットは、基準クロックをファン回転速度信号と比較し、速度制御信号を出力する。電圧発生回路は、速度制御信号に対応するレベル信号を発生させる。駆動ユニットは、レベル信号に応じてファン回転速度を制御する為の駆動信号を発生させる。
ファン回転速度制御ユニットは、基準周波数に対応する基準回転速度を求める基準回転速度算出ユニットと、ファン回転速度信号に対応するファン回転速度を求めるファン回転速度算出ユニットと、基準回転速度とファン回転速度との差に応じて、ファン回転速度を加速、減速または維持することを表す速度制御信号を発生させるコンパレータとを含む。電圧発生回路が、速度制御信号に応じてレベル信号を発生させるチャージポンプを含む。
【０００８】
本発明の別の目的に従い、本発明は、回転速度がファン回転速度信号に対応するファン回転速度制御システムを提供する。該システムは、基準周波数発生器と、ファン回転速度制御ユニットと、電圧発生回路と、パルス幅変調(PWM) 発生回路と、ファン駆動回路とを具備して成る。基準周波数発生器は、基準周波数を有する基準クロックを発生させる。ファン回転速度制御ユニットは、基準クロックをファン回転速度信号と比較して速度制御信号を出力する。電圧発生回路は、速度制御信号を受け取り、それに応じたレベル信号を得る。パルス幅変調(PWM) 発生回路は、レベル信号に応じて矩形波信号を発生させる。ファン駆動回路は、矩形波信号を受け取り、ファンの回転速度を制御する為の駆動信号を発生させる。
【０００９】
【好適な実施形態の説明】
発明と見なされる内容を具体的に指摘すると共に明確に請求する特許請求の範囲を記載するが、本発明の目的および特徴ならびに更なる目的、特徴、および利点は、以下の説明および添付図面からより明確に理解されるであろう。
本発明は、フィードバック制御を用いて、ファンの回転速度に対応するファン回転速度信号の周波数を、基準周波数に近い値に調整する。基準周波数は調整可能であり、従って供給業者は、基準周波数を調整するだけで、異なる仕様の数通りの定格回転速度に応じるファンを得ることができる。
【００１０】
図1は、本発明の好適な一実施形態によるファンの回転速度制御システムを示す概略ブロック図である。図1において、本発明の制御は、ファン110の回転速度を制御するのに使用され、ファン110の回転速度はファン回転速度信号Hに対応する。基準周波数発生器102は、基準周波数Frefを有する基準クロックClk_refを発生させる為に使用される。ファン回転速度制御ユニット104は、基準クロックClk_refとファン回転速度信号Hとを同時に受け取り、両方の周波数を比較して、速度制御信号VCを発生させ、この制御信号VCを電圧発生回路106に出力する。電圧発生回路106は、速度制御信号VCに対応するレベル信号Vrefを発生させるのに使用される。このレベル信号Vrefは駆動ユニット108に入力され、レベル信号Vrefに応じてファン110の回転速度を制御する為の駆動信号Dを発生させる。
【００１１】
駆動ユニット108は、パルス幅変調(PWM) 発生回路112及び、ファン駆動回路114とで構成される。PWM発生回路112は、レベル信号Vrefに応じて矩形波信号Sを発生させる。ファン駆動回路114は、矩形波信号Sを受け取り、ファン110の回転速度を制御する為の駆動信号Dを発生させる。更に、ファン回転速度信号Hは、ホールセンサ116を使って、ファンの回転子の磁極の変動量を検出することにより、発生させることができる。
【００１２】
ファン回転速度制御ユニット104から与えられる速度制御信号VCは、加速制御信号であることも、減速制御信号であることも、速度維持制御信号であることもある。ファン回転速度信号Hの周波数が、基準クロックClk_refの基準周波数Frefよりも低い場合、ファン回転速度信号Hは、加速制御信号となる。ファン回転速度信号Hの周波数が、基準クロックClk_refの基準周波数Frefよりも高い場合、ファン回転速度信号Hは、減速制御信号となる。ファン回転速度信号Hの周波数が、基準クロックClk_refの基準周波数Frefと同じ場合、ファン回転速度信号Hは、速度維持制御信号となる。
【００１３】
PWM発生回路112により発生される矩形波信号Sのデューティ比は、レベル信号Vrefに応じて変動する。速度制御信号VCが加速制御信号の場合、レベル信号Vrefのレベルを上げて、矩形波信号Sのデューティ比を上げる。速度制御信号VCが減速制御信号の場合、レベル信号Vrefのレベルを下げて、矩形波信号Sのデューティ比を下げる。速度制御信号VCが速度維持制御信号の場合、レベル信号Vrefのレベルを維持して、矩形波信号Sのデューティ比を維持する。
【００１４】
本発明の制御回路において、基準周波数発生器102は、その時定数が調整可能なオシレータとすることができる。ユーザは、時定数を調整して、基準クロックClk_refの基準周波数Frefを変えることができる。各種仕様に基づく数通りの定格回転速度に対応するように設計されたファンにおいては、基準周波数Frefが調整可能なので、基準クロックClk_refの基準周波数を変更するだけでよい。即ち、基準周波数発生器102のオシレータの時定数を調整するだけでよい。時定数は、オシレータの抵抗器およびキャパシタの値により決まるので、ユーザは抵抗器およびキャパシタの値を調整するだけで、時定数を変更することができる。基準周波数Frefを調整することにより、ファン110の回転速度が変更でき、それに応じてファン回転速度信号Hの周波数を変更することができる。
【００１５】
次に、図1の各回路ブロックの例について、詳細に説明する。ファン回転速度制御ユニット104は、例えばフェーズロックループであってもよい。図2は、図1の制御ユニットがフェーズロックループである場合のファンの回転速度制御ユニットを詳細に示すブロック図である。基準クロックClk_refがカウンタ202に入力されると、カウンタ202は、ベースクロックClk_baseに基づいて基準クロックClk_refの継続時間を算出する。そして、この継続時間を基準回転速度算出ユニット204に入力して、基準周波数Frefに対応する基準回転速度Spd_refを求め、これをコンパレータ206に与える。更に、ファン回転速度信号Hが、カウンタ212に入力され、ここでベースクロックClk_baseに基づいて、ファン回転速度信号Hの継続時間が算出される。ファン回転速度信号Hの継続時間は更に、ファン回転速度算出ユニット214に入力され、ファン回転速度信号Hに対応するファン回転速度Spd_fanが求められる。ファン回転速度Spd_fanをデジタルフィルタ215で処理した後、その処理結果をコンパレータ206に与える。許容誤差はコンパレータ206に設定される。基準回転速度Spd_refからファン回転速度Spd_fanを差し引いた結果が許容誤差を越えると、コンパレータ206から与えられる速度制御信号VCは、加速制御信号となる。ファン回転速度Spd_fanから基準回転速度Spd_refを差し引いた結果が許容誤差を越えると、コンパレータ206から与えられる速度制御信号VCは、減速制御信号となる。ファン回転速度Spd_fanと基準回転速度Spd_refとの差が許容誤差に達しない場合は、コンパレータ206から与えられる速度制御信号VCは速度維持制御信号となる。
【００１６】
デジタルフィルタ215は、ローパスフィルタで構成することができる。このフィルタは、ファンの回転子の磁極の不均一なもしくは不規則な形状による、または動作時の不均一な磁界によるファン回転速度信号Hの継続時間の不規則な変動を排除し、システムの安定性を向上させる。
電圧発生回路106は、例えばチャージポンプで構成することができる。チャージポンプは、チャージ用キャパシタと幾つかのスイッチとで構成される。速度制御信号VCは、これらのスイッチを制御して、チャージ用キャパシタの充・放電を行う。チャージ用キャパシタの電圧は、レベル信号Vrefとして使用される。例えば、加速制御信号でチャージ用キャパシタの電圧を下げたり、減速制御信号でチャージ用キャパシタの電圧を上げたり、速度維持制御信号でチャージ用キャパシタの電圧を維持したりする。従って、レベル信号Vrefのレベルは、異なる速度制御信号VCに応じて変化する。
【００１７】
図3に示すように、PWM発生回路112はのこぎり波発生回路を用いて、のこぎり波302を発生させる。 PWM発生回路112はレベル信号Vrefのレベルに応じて、これに対応する矩形波信号Sを発生させる。例えば時間t1-t2の間、のこぎり波302のレベルは、レベル信号Vrefのレベルより高いので、方形波信号Sはハイレベルとなる。時間t2-t3の間、のこぎり波302のレベルはレベル信号Vrefのレベルより低いので、矩形波信号Sはローレベルとなる。従って、レベル信号Vrefが下がると、矩形波Sのデューティ比は上昇する。
【００１８】
ファン駆動回路114は複数のトランジスタを含み、図3に示すように、これらのトランジスタが電圧及び/又は電流を増幅して、矩形波信号Sに対応する駆動信号Dを発生させる。駆動信号Dがハイレベルの時、ファンモータの回転子のコイルに通電して磁界が発生するので、回転子は磁力を受ける。駆動信号Dがローレベルの時、ファンモータの回転子のコイルに通電しないので、回転子は磁力を受けない、即ち、回転子は慣性により回転する。従って、駆動信号がハイレベルである時間が長い程、ファンモータの回転速度は速くなるので、ファンの回転速度は上がる。つまり、駆動信号Dのデューティ比を調整することにより、ファンの回転速度を変更することができる。
【００１９】
上述したように、駆動ユニット108はPWM発生回路112とファン駆動回路114とにより構成される。この例の他に、駆動ユニット108は、同等の機能を有する他の回路で構成することも可能である。例えば、駆動ユニット108を、ファン110を直接駆動する電圧・電流コンバータで構成することができる。この場合、電圧Vrefは、矩形波電圧信号に変換できるようになっている。
本発明のフィードバック制御の利点として、販売用のファンを製造する際に、種々のずれによるファンの回転速度への影響を効果的に排除することができる。コイルの巻き数が同じファンの場合、組みつけ堅さやファンの偏心度やファンの慣性差や、コイル形状のずれ等が、ファンの回転速度に影響する。本発明のフィードバック制御システムによると、フィードバック制御システムは自動的に、それぞれのファンの上述したずれや差を補償する。従って、該フィードバック制御システムを使用する場合は、従来技術とは異なり、ユーザはファンの回転速度に影響を及ぼすような変動要因を調整するだけで、様々なタイプのファンのそれぞれの仕様に定められた定格回転速度に応じることができる。このようにして、本発明は時間コストを削減することができる。
【００２０】
つまり、異なる仕様のファンが市場で求められている場合、供給業者は本発明の制御システムを使って基準周波数を調整し、仕様の異なるファンの異なる定格回転速度を得ることができる。従って、従来の方法とは異なり、製造者が巻き数の異なる数通りのコイルを販売用にストックする必要はない。供給業者は一種類のコイルを用意するだけで、仕様の異なる数通りのファンの要求に答えることができる。基準周波数発生器の抵抗器とキャパシタとの値を調整するだけなので、調整は極めて簡単であり、大幅なコスト削減が可能となる。
【００２１】
更に、本発明の制御システムは、ファンの回転速度を短時間で調整する機能を提供する。回転速度制御ユニットがデジタルフェーズロックループである場合、発生する速度制御信号VCが加速信号か、減速信号か、速度維持信号かに限られるので、過渡応答時間が短く、ファンの回転速度をすぐに基準回転速度に合わせることができる。
上記実施形態によるファンの回転速度制御システムによると、ファンを制御システムに組みつける時に、巻き数の同じコイルを使って、制御システムの基準周波数を変更することにより、仕様の異なるファンの数通りの定格回転速度を得ることができる。巻き数の異なるコイルを一度にストックする必要がない為、時間コスト及び製造コストを削減することが可能である。
【００２２】
本発明を、好適な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。本実施形態に対する種々の変更は、当業者にとって明白である。従って、特許請求の範囲は、かかる変更の何れをも包含すべく、最も広義に解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施形態によるファンの回転速度制御システムを示す概略ブロック図である。
【図２】図1の制御ユニットがフェーズロックループである場合のファンの回転速度制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
【図３】 PWM発生回路におけるのこぎり波、矩形波信号S、およびPWM発生回路から出力される駆動信号Dの波形を示す波形図である。

Claims

基準周波数を有する基準クロックに応じて、ファン回転速度信号に対応するファンの回転速度を制御する為のシステムであって、
上記基準クロックを上記ファン回転速度信号と比較して、速度制御信号を出力する為のファン回転速度制御ユニットと、
上記速度制御信号に対応するレベル信号を発生させる為の電圧発生回路と、
上記レベル信号に応じて上記ファンの回転速度を制御する為の駆動信号を発生させる為の駆動ユニットとを備え、
上記ファン回転速度制御ユニットが、
基準周波数に対応する基準回転速度を求める基準回転速度算出ユニットと、
ファン回転速度信号に対応するファン回転速度を求めるファン回転速度算出ユニットと、
上記ファン回転速度を処理し、上記ファン回転速度信号の継続時間の不規則な変動を排除するフィルタと、
上記基準回転速度算出ユニットおよび上記フィルタに接続され、上記基準回転速度と上記フィルタにより処理された上記ファン回転速度との差に応じて、上記ファン回転速度を加速、減速または維持することを表す速度制御信号を発生させるコンパレータとを含み、
上記電圧発生回路が、上記速度制御信号に応じて上記レベル信号を発生させるチャージポンプを含むことを特徴とするシステム。
上記基準周波数が調整可能であり、上記基準周波数を調整することにより、上記ファンの回転速度を変更し、それに応じて上記ファン回転速度の周波数が変更されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
上記駆動ユニットはPWM法により、上記レベル信号に応じて上記駆動信号のデューティ比を変更し、それにより上記ファンの回転速度が変更されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
上記ファン回転速度信号を得る為に、上記ファンの回転子の磁極の変動量を検出する為のホールセンサを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
上記ファン回転速度制御ユニットから出力される上記速度制御信号は、加速制御信号、減速制御信号、または速度維持制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数よりも低い場合、上記速度制御信号は上記加速制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数よりも高い場合、上記速度制御信号は上記減速制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数と略同程度である場合、上記速度制御信号は上記速度維持制御信号であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
回転速度がファン回転速度信号と対応するファンの回転速度制御システムであって、
基準周波数を有する基準クロックを発生させる為の基準周波数発生器と、
上記基準クロックを上記ファン回転速度信号と比較して速度制御信号を出力する為のファン回転速度制御ユニットと、
上記速度制御信号を受け取って、これに応じたレベル信号を得る為の電圧発生回路と、
上記レベル信号に応じた矩形波信号を発生させる為のパルス幅変調(PWM)発生回路と、
上記矩形波信号を受け取り、上記ファンの回転速度を制御する駆動信号を発生させる為のファン駆動回路とを備え、
上記ファン回転速度制御ユニットが、
基準周波数に対応する基準回転速度を求める基準回転速度算出ユニットと、
ファン回転速度信号に対応するファン回転速度を求めるファン回転速度算出ユニットと、
上記ファン回転速度を処理し、上記ファン回転速度信号の継続時間の不規則な変動を排除するフィルタと、
上記基準回転速度算出ユニットおよび上記フィルタに接続され、上記基準回転速度と上記フィルタにより処理された上記ファン回転速度との差に応じて、上記ファン回転速度を加速、減速または維持することを表す速度制御信号を発生させるコンパレータとを含み、
上記電圧発生回路が、上記速度制御信号に応じて上記レベル信号を発生させるチャージポンプを含むことを特徴とするシステム。
上記基準周波数は調整可能であり、上記基準周波数を調整することにより、上記ファンの回転速度を変更し、それに応じて上記ファン回転速度信号の周波数が変更されることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
上記基準周波数発生器は、ユーザが、時定数を調整して上記基準周波数を変更することができるように、調整可能な上記時定数を有するオシレータを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
上記ファン回転速度信号を得る為に、上記ファンの回転子の磁極変動量を検出する為のホールセンサを更に備えたことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
上記ファン回転速度制御ユニットから出力される上記速度制御信号は、加速制御信号、減速制御信号、または速度維持制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数よりも低い場合、上記速度制御信号は上記加速制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数よりも高い場合、上記速度制御信号は上記減速制御信号であり、
上記ファン回転速度信号の周波数が上記基準クロックの上記基準周波数と略同程度である場合、上記速度制御信号は上記速度維持制御信号であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
上記矩形波信号のデューティ比が、上記レベル信号に応じて変更され、
上記速度制御信号が上記加速制御信号である場合、上記レベル信号のレベルを下げて上記矩形波のデューティ比を上げ、
上記速度制御信号が上記減速制御信号である場合、上記レベル信号のレベルを上げて上記矩形波のデューティ比を下げることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
上記ファン回転速度制御ユニットが、上記基準回転速度算出ユニットに接続され、上記基準クロックおよびベースクロックに応じて上記基準クロックの継続時間を算出する第１カウンタをさらに含み、
上記基準回転速度算出ユニットは、上記基準クロック信号の継続時間に応じて上記基準回転速度を算出することを特徴とする請求項１記載のシステム。
上記ファン回転制御ユニットが、上記ファン回転速度算出ユニットに接続され、上記ファン回転速度信号の継続時間を算出する第２カウンタをさらに含み、
上記ファン回転速度算出ユニットが、上記ファン回転速度信号の継続時間に応じて上記ファン回転速度を算出することを特徴とする請求項１記載のシステム。