臺灣博碩士論文加值系統

本論文係探討轉速迴授式單相無刷直流風扇控制及驅動方式之改良對策及其實現。有鑑於目前市場上應用於桌上型電腦、手提電腦、工業電腦、伺服器等之無刷直流風扇傳統控制方式效率不佳及其安全性仍隱藏著隱憂而作全面改善。本文將提出新的控制方式排除風扇於運轉中之可能發的危險性，並以8位元微處理器取代傳統驅動IC控制其轉速、電流穏定度、效率及其安全性處理，並使其控制方式更彈性化。而為了使驅動風扇馬達之PWM輸出波型更即時且更精準，本文所使用之微處理器程式語言將以組合語言編寫。此外，以微處理器控制搭配轉速回授方式更能減少因系統老化及電源電壓不穏造成轉速下降所帶來的惡性循環。最後藉由實驗結果來驗證所提出之新式控制方式將有效改善電流穏定度、效率及其安全性。

This paper is to explore the new control way of single-phase brushless DC fan. It propose countermeasures to improve the fan operating conditions with speed-feedback-control. In consideration of the weakness in current brushless DC fan control way, this paper will present a new control method to exclude the risk that may occur in fan operation. We use an 8bit single chip microcontroller as the alternative solution to control fan speed, current stability, efficiency and safety. In order to make sure the process speed of microcontroller is fast enough to respond to hall signal changing immediately and more precise, we use the Assembly language to coding the microprocessor program. Using a microcontroller to control DC fan is helpful to reduce the riskiness that consist of component aging and unstable power supply. Finally, the new control method can be used to improve the fan efficiency and safety. It will be proved by experimental results.

誌謝…………………………………………………………………… I
摘要…………………………………………………………………… II
Abstract………………………………………………………………… III
目錄…………………………………………………………………… IV
圖目錄………………………………………………………………… VII
表目錄………………………………………………………………… X
第一章 序論 ……………………………………………………… 1
1.1 研究背景 …………………………………………… 1
1.2 研究動機與目的 …………………………………… 2
第二章 介紹 ……………………………………………………… 4
2.1 散熱風扇種類 ……………………………………… 4
2.2 散熱風扇基本結構 ………………………………… 5
2.2.1 機構結構 ………………………………… 5
2.2.2 風扇電磁動力原理 ……………………… 6
2.2.3 電路結構 ………………………………… 8
2.2.4 H-Bridge驅動電路原理 …………………… 11
2.2.5 霍爾感測器介紹 ……………………………12

第三章 傳統控制方式 ………………………………………………15
3.1 傳統控制方式介紹 ……………………………………15
3.2 傳統控制方式所使用晶片及其架構 …………………17
3.3 傳統控制方式優缺點 …………………………………21
第四章 新式控制方式 …………………………………………………23
4.1 微處理器介紹 ……………………………………………23
4.2 新式控制方式介紹 ………………………………………26
4.2.1 風扇緩起動程序 ………………………………28
4.2.2 風扇運轉中程序 ………………………………33
4.2.3 計時中斷設定 ………………………………34
4.2.4 如何利用計時器產生PWM波型 ………………36
4.2.5 PWM頻率的選擇 ……………………………37
4.3 創新安全機制與控制技巧 ……………………………39
4.3.1 風扇卡死計時中斷 ……………………………39
4.3.2 過電流保護偵測 ……………………………40
4.3.3 轉速迴授控制 …………………………………42
4.3.4 風扇轉速控制-緩變化技巧 ……………………46
4.3.5 風扇系統老化偵測機制 ………………………49
4.3.6 轉子定位誤差 …………………………………50
4.4 新式控制方式優缺點 ……………………………………57
第五章 結論與未來展望 ………………………………………………58
參考文獻 …………………………………………………………………60

圖目錄
圖2.1直流無刷散熱風扇基本結構 ……………………………………5
圖2.2電磁動力原理 ……………………………………………………7
圖2.3磁框組成 …………………………………………………………7
圖2.4磁框與矽鋼片組合 …………………………………………………8
圖2.5直流無刷風扇電機結構 ……………………………………………8
圖2.6直流無刷風扇電機結構 ……………………………………………9
圖2.7雙線式電路結構 …………………………………………………10
圖2.8單線式電路結構 …………………………………………………10
圖2.9(a) H-Bridge驅動電路原理 ………………………………………11
圖2.9(b) H-Bridge驅動電路原理 ………………………………………11
圖2.10霍爾感測器原理 …………………………………………………13
圖2.11霍爾感測器內部組成 ……………………………………………14
圖3.1 溫度感測元件曲線 ………………………………………………15
圖3.2 開迴路控制方式流程圖 …………………………………………16
圖3.3 LB11967V 內部區塊圖 …………………………………………17
圖3.4 LB11967V 應用電路圖 …………………………………………18
圖3.5 LB11967V 控制時序圖 …………………………………………20
圖4.1 Freescale MC9S08SH8 Block Diagram ………………………………23
圖4.2 類比數位轉換器區塊圖 …………………………………………25
圖4.3 新式控制方式大致流程 …………………………………………26
圖4.4 新式控制方式應用電路 …………………………………………27
圖4.5 緩啟動三模式曲線 ………………………………………………29
圖4.6 緩啟動程序流程圖 ………………………………………………30
圖4.7 風扇運轉中程序流程圖 …………………………………………32
圖4.8 運轉中程序處理 …………………………………………………33
圖4.9 計時中斷 ………………………………………………………34
圖4.10 PWM波型產生方式 ……………………………………………37
圖4.11 人耳對聲音感知範圍 ……………………………………………38
圖4.12 比較器中斷內部結構 ……………………………………………41
圖4.13 Hall Sensor訊號偵測轉速 ……………………………………43
圖4.14 實際rpm與計時器計數值 ……………………………………44
圖4.15 PWM對風扇轉速(一) ……………………………………………47
圖4.16 PWM對風扇轉速(二) ……………………………………………47
圖4.17 設定轉速判別點 ………………………………………………48
圖4.18 設定轉速判別容許範圍 ………………………………………49
圖4.19 風扇老化與電源異常判定 ………………………………………50
圖4.20 動態角度誤差 …………………………………………………52
圖4.21 動態角度誤差(PWM衝突) ……………………………………52
圖4.22 動態角度誤差(PWM停止) ……………………………………53
圖4.23 動態角度誤差之對策 …………………………………………55

表目錄
表2.1 H-Bridge控制真值表 ……………………………………………12
表4.1 各微處理器型號適用風扇 ………………………………………24

[1] BF&M ,FAN knowledge summary , 2013 ……………………………………… 5
[2] Vincent Ko , Machine Deisgn webside , 2006 …………………………………...7
[3] ON semi LB11967V Datasheet …………………………….…………………… 15
[4] 雷雪洪,直流風扇電路工作原理, 2014 ……………………………… 8
[5] ElectronicsTutorials website , The Hall effect Sensor , 2015 …………………… 13
[6] Freescale , Freescale MC9S08SH8 datasheet , Rev. 0, 07/2014 ………………… 23
[7] 楊哲彰, 元智大學 老人福祉科技研究中心,2005/4/4……………..24
[8] Roland Einspieler , 電子工程專輯,新型定位感測器,2014/12/5 ………51