一种风扇控制装置、方法及多风扇控制装置、方法

摘要

本发明提供了一种风扇控制装置及方法，该装置包含转速检测单元、鉴相器、控制单元，转速检测单元检测风扇转速，转换为风扇转速信号，输出到鉴相器；鉴相器接收所述风扇转速信号，和一输入参考信号进行比较，输出一相位差信号至控制单元；控制单元根据相位差信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至风扇，控制风扇转速，重复上述各步骤，使得风扇转速信号和输入参考信号同步，相位差信号恒定，风扇转速恒定。本发明还提供一多风扇控制装置及方法，使用一移相器对同一输入参考信号移相得到的信号分别作为系统中个风扇的输入参考信号，降低多风扇对电源的干扰。

权利要求

1.一种风扇控制装置，其特征在于，包含转速检测单元、鉴相器、控制单元，其中：所述转速检测单元，用于检测风扇转速，转换为风扇转速信号，输出到鉴相器；

所述鉴相器，用于接收所述风扇转速信号，和一输入参考信号进行比较，输出一相位差信号至所述控制单元；

所述控制单元，用于根据所述相位差信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至风扇，控制风扇转速。

2.如权利要求1所述的风扇控制装置，其特征在于，所述控制单元进一步包括低通滤波器、风扇驱动器，其中，所述低通滤波器，用于对所述相位差信号进行滤波放大后，输出一模拟控制信号至风扇驱动器；

所述风扇驱动器，用于将所述模拟控制信号和一参考电压信号进行比较，如果所述模拟控制信号大于所述参考电压信号，则风扇驱动器减小驱动信号，降低风扇转速；如果所述模拟控制信号小于所述参考电压信号，则风扇驱动器增大驱动信号，提高风扇转速，如果所述模拟控制信号等于所述参考电压信号相等，则维持所述驱动信号不变。

3.如权利要求2所述的风扇控制装置，其特征在于，所述风扇驱动器由脉冲宽度调制控制器和场效应管组成，所述脉冲宽度调制控制器根据所述模拟控制信号和所述参考电压信号的差值，改变所述场效应管的栅基驱动电压的占空比，从而改变所述驱动信号。

4.如权利要求2或3所述的风扇控制装置，其特征在于，所述鉴相器是边沿敏感型超前-滞后鉴相器；

所述低通滤波器为由运算放大器与电阻电容组成的单极点滤波电路；

所述转速检测单元为光电耦合器。

5.一种风扇控制方法，其特征在于，包含：

检测风扇转速，转换为一风扇转速信号；

将所述风扇转速信号和一输入参考信号进行比较，输出一相位差信号；

根据所述相位差信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至风扇；

重复上述各步骤，使得所述风扇转速信号和所述输入参考信号同步，所述相位差信号恒定。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述相位差信号调节一驱动信号具体包含：对所述相位差信号进行滤波放大后，输出一模拟控制信号；

将所述模拟控制信号和一参考电压信号进行比较，如果所述模拟控制信号大于所述参考电压信号，则减小驱动信号，从而降低风扇转速；如果所述模拟控制信号小于所述参考电压信号，则增大驱动信号，从而提高风扇转速；如果所述模拟控制信号等于所述参考电压信号，则维持所述驱动信号不变。

7.一种多风扇控制装置，其特征在于，包含N个权利要求1所述的风扇控制装置，还包含移相器，其中：所述移相器，用于将一输入参考信号进行移相，得到N个输入参考信号，分别输入到所述N个风扇控制装置中作为所述N个风扇控制装置的输入参考信号。

8.如权利要求7所述的多风扇控制装置，其特征在于，所述移相器移相得到的N个输入参考信号之间的相位依次相差360度/N。

9.一种多风扇控制方法，用于一包含多个风扇的系统，其特征在于，对每个风扇使用权利要求5所述的风扇控制方法，每个风扇其参考输入信号由同一输入参考信号移相后得到。

10.如权利要求9所述的多风扇控制方法，其特征在于，所述移相器移相得到的N个输入参考信号之间的相位依次相差360度/N。

说明书

一种风扇控制装置、方法及多风扇控制装置、方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种风扇控制装置和方法，以及多风扇控制装置、方法。

背景技术

[0002] 目前，通信设备的集成度和复杂度越来越高，同一个机架或机箱内往往配置数量相当多的单板，使得系统的功率密度很高，热设计成为系统设计所面临的重要问题。普遍使用的方式是风扇降温，这种方式在设备中安装一定数量的风扇，通过空气对流实现系统与外界环境的热交换。现有的风扇控制方式有：自由转动，风扇由一专门电源供电，这种情况下，风扇本身的状态是不受控制的；PWM(脉冲宽度调制)控制，根据某种算法以PWM方法调节风扇的转速；温度补偿控制，这种方式根据设备温度作为反馈量，自动调节风扇的转速。但是，这些控制方法有如下不足：自由转动时风扇不受控制，转速偏差大，噪音问题突出；
PWM控制受电源、风扇本身以及风道特性的影响；温度补偿控制在控制多风扇工作时，受到各风扇的风道阻力不同、电源波动等因素影响，风扇转速不能得到准确控制，且各风扇之间不同步，对电源的要求比较高，且EMI性能差。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种风扇控制装置及方法、以及多风扇控制装置和方法，能准确控制风扇转速。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风扇控制装置，包含转速检测单元、鉴相器、控制单元，其中：

[0005] 所述转速检测单元，用于检测风扇转速，转换为风扇转速信号，输出到鉴相器；

[0006] 所述鉴相器，用于接收所述风扇转速信号，和一输入参考信号进行比较，输出一相位差信号至所述控制单元；

[0007] 所述控制单元，用于根据所述相位差信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至风扇，控制风扇转速。

[0008] 进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述控制单元进一步包括低通滤波器、风扇驱动器，其中，

[0009] 所述低通滤波器，用于对所述相位差信号进行滤波放大后，输出一模拟控制信号至风扇驱动器；

[0010] 所述风扇驱动器，用于将所述模拟控制信号和一参考电压信号进行比较，如果所述模拟控制信号大于所述参考电压信号，则风扇驱动器减小驱动信号，降低风扇转速；如果所述模拟控制信号小于所述参考电压信号，则风扇驱动器增大驱动信号，提高风扇转速，如果所述模拟控制信号等于所述参考电压信号相等，则维持所述驱动信号不变。

[0011] 进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述风扇驱动器由脉冲宽度调制控制器和场效应管组成，所述脉冲宽度调制控制器根据所述模拟控制信号和所述参考电压信号的差值，改变所述场效应管的栅基驱动电压的占空比，从而改变所述驱动信号。

[0012] 进一步地，上述装置还可具有以下特点，

[0013] 所述鉴相器是边沿敏感型超前-滞后鉴相器；

[0014] 所述低通滤波器为由运算放大器与电阻电容组成的单极点滤波电路；

[0015] 所述转速检测单元为光电耦合器。

[0016] 本发明还提出一种风扇控制方法，包含：

[0017] 检测风扇转速，转换为一风扇转速信号；

[0018] 将所述风扇转速信号和一输入参考信号进行比较，输出一相位差信号；

[0019] 根据所述相位差信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至风扇；

[0020] 重复上述各步骤，使得所述风扇转速信号和所述输入参考信号同步，所述相位差信号恒定。

[0021] 进一步地，上述方法还可具有以下特点，根据所述相位差信号调节一驱动信号具体包含：

[0022] 对所述相位差信号进行滤波放大后，输出一模拟控制信号；

[0023] 将所述模拟控制信号和一参考电压信号进行比较，如果所述模拟控制信号大于所述参考电压信号，则减小驱动信号，从而降低风扇转速；如果所述模拟控制信号小于所述参考电压信号，则增大驱动信号，从而提高风扇转速；如果所述模拟控制信号等于所述参考电压信号，则维持所述驱动信号不变。

[0024] 本发明还提出一种多风扇控制装置，包含N个本发明所述风扇控制装置，还包含移相器，其中：

[0025] 所述移相器，用于将一输入参考信号进行移相，得到N个输入参考信号，分别输入到所述N个风扇控制装置中作为所述N个风扇控制装置的输入参考信号。

[0026] 进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述移相器移相得到的N个输入参考信号之间的相位依次相差360度/N。

[0027] 本发明还提供一种多风扇控制方法，用于一包含多个风扇的系统，对每个风扇使用本发明所述风扇控制方法，每个风扇其参考输入信号由同一输入参考信号移相后得到。

[0028] 进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述移相器移相得到的N个输入参考信号之间的相位依次相差360度/N。

[0029] 通过本发明，可以实现被控制风扇的转速与输入参考频率的精确同步，且不受风扇供电电源、风道特性及风扇本身特性的影响。当系统安装有多个风扇时，调整各风扇的输入参考频率之间的相位，使多个风扇分别以不同的相位同步于输入参考频率，可以降低风扇对电源的干扰。

附图说明

[0030] 此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0031] 图1是本发明的风扇控制装置框图；

[0032] 图2是本发明的系统控制模型和传递函数图；

[0033] 图3是本发明的风扇控制装置一种电路实现图；

[0034] 图4是本发明的多风扇控制装置框图。

具体实施方式

[0035] 本发明提供了一种新的风扇控制装置，基于锁相环原理，实现风扇的转速同步于外部输入参考频率，从而实现风扇转速的精确控制。在控制多风扇时，通过调整各风扇的风扇控制装置的输入参考频率之间的相位差，降低了风扇对电源系统的干扰，提高了电源效率和系统EMI性能。

[0036] 下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

[0037] 图1是本发明的原理框图，本发明的风扇控制装置包括：

[0038] 转速检测单元，连接在被控风扇与鉴相器之间，用于将风扇的转动状态转换成一风扇转速信号，如一定频率的电信号，输出该风扇转速信号至鉴相器；

[0039] 鉴相器，连接在转速检测单元与低通滤波器之间，用于接收转速检测单元输出的风扇转速信号，还接收一输入参考频率信号，检测输入参考频率信号与风扇转速信号之间的相位差，输出一相位差信号至低通滤波器；

[0040] 低通滤波器，连接在鉴相器与风扇驱动器之间，用于对鉴相器输出的相位差信号进行滤波和放大后输出一模拟控制信号至风扇驱动器；

[0041] 风扇驱动器，连接在低通滤波器和被控风扇之间，用于接收低通滤波器输出的模拟控制信号，根据该模拟控制信号调节一驱动信号，输出该驱动信号至被控风扇，实现对风扇转速的调制。具体调节方法是，将模拟控制信号和一参考电压信号进行比较，如果模拟控制信号大于参考电压信号，则风扇驱动器减小驱动信号，降低风扇转速；如果模拟控制信号小于所述参考电压信号，则风扇驱动器增大驱动信号，提高风扇转速，如果所述模拟控制信号等于所述参考电压信号相等，则维持所述驱动信号不变。

[0042] 风扇连接在风扇驱动器与转速检测单元之间，是被控制的主体。

[0043] 本发明风扇转速控制方法包含如下步骤：

[0044] 步骤110，转速检测单元将风扇的转速速度信息转换成风扇转速信号(如电脉冲信号)；

[0045] 步骤120，该电脉冲信号与输入参考频率在鉴相器中进行相位比较得到一相位差，鉴相器输出与该相位差成比例的电压脉冲(即相位差信号)；

[0046] 步骤130，该电压脉冲经过低通滤波器进行低通滤波和放大后，形成一个模拟控制信号Vf，输入到风扇驱动器内部的误差放大器输入端；

[0047] 步骤140，模拟控制信号Vf与风扇驱动器参考电压信号Vref进行比较，若Vf大于Vref，则风扇驱动器减小驱动电压信号，降低风扇转速，若Vf小于Vref，风扇驱动器增大驱动电压信号，提高风扇转速，如果二者相等，则驱动电压信号不变，风扇转速恒定，其中，驱动电压信号输出至风扇，用于驱动风扇。

[0048] 以上调整过程一直持续到风扇转速与输入参考频率相同且相位差恒定，此时，鉴相器输出恒定的电压脉冲(相位差信号恒定)，低通滤波器输出电压Vf与Vref相等，风扇驱动器输出不变，维持风扇转速恒定且与输入参考频率同步。此后，当电源电压变化、风道特性发生变化、或其它因素引起风扇转速与输入参考频率不一致时，系统重复进行以上调整过程，直到风扇转速与输入参考频率同步。

[0049] Vref由具体的电路实现决定，鉴相器的输入参考频率由使用该控制系统的用户决定，与具体的电路实现有关。

[0050] 图2是本发明的系统控制模型和传递函数框图。在图2中，fref(Фref)表示输入参考频率(相位)；V1表示鉴相器的输出电压；V2表示低通滤波器的输出电压；fout(Фout)表示风扇转速(相位)；fcomp(Фcomp)表示转速检测单元检测到的风扇转速(相位)。系统各部分的传递函数为：鉴相器，Kp(v/rad)；低通滤波器，Kf(v/v)；风扇驱动器，Kctl(v/v)；风扇Kfan(rad/v.s)；转速检测单元Kd(rad/rad)。

[0051] 由此可得，该系统的开环传递函数和闭环传递函数分别为：

[0052] H＝Kp·Kf·Kctl·Kfan

[0053]

[0054] 其中，当H足够大且H·Kd>>l时，有G≈l/Kd，即Фref＝Kd·Фout。通常取Kd＝l，则有Фref＝Фout，dФref/dt＝fref＝fout＝dФout/dt。由此，实现了风扇转速与输入参考频率同步。

[0055] 图3是本发明的风扇控制装置一电路实现。

[0056] 在图3中，鉴相器是由异或门、与非门、二极管等组成的边沿敏感型超前-滞后鉴相器，由于是边沿敏感型鉴相器，它对参考频率的占空比要求不高，不需要严格的50％占空比。

[0057] 低通滤波器由运算放大器MAX492与电阻电容组成的单极点滤波电路构成，设计时根据风扇的响应特性，选择合适的电阻和电容值，低通滤波器的截止频率应当设计的尽量低，同时保持高的低频增益。本例中滤波器的带宽选取为2Hz，交流增益设置为10，因此图中电阻r1取10K，电阻r2取100k，电容c1取4.7uf。

[0058] 风扇驱动器由PWM控制器(型号UC2842)和场效应管(型号IRF3710)组成，UC2842根据低通滤波器的输出的模拟控制信号与参考电压信号的差值，改变IRF3710的栅基驱动电压的占空比，从而改变风扇的平均驱动电压，实现风扇转速控制；

[0059] 风扇选用带转速输出指示的无刷直流电机风扇，风扇转动时输出与转速成正比的脉冲信号；

[0060] 转速检测单元使用光电耦合器实现，光电耦合器将风扇的转速输出脉冲信号隔离整形后，送到鉴相器的反馈输入端，进行相位比较。

[0061] 该实现中，风扇采用-48V电源供电，鉴相器、低通滤波器、PWM控制器UC2842等采用3.3V/5V电源供电。

[0062] 图4是本发明的多风扇控制装置框图。系统使用了3个相同的风扇，每个风扇使用图1所示的风扇控制装置进行控制，输入参考频率首先通过移相器，产生相移分别为0、120度和240度的输入参考频率，用移相得到的这3个输入参考频率分别控制3个独立的风扇，即将这3个输入参考频率作为这3个风扇的风扇控制装置的输入参考频率。当3个风扇分别锁定时，单个风扇瞬时电流为交流分量I＝Idc+Iac，则3个风扇消耗的总瞬时电流为：

[0063] Itotal＝3Idc+Iac(1+ej0.67π+ej1.33π)

[0064] ＝3Idc+Iac·(1-0.5+j0.866-0.5-j0.866)

[0065] ＝3Idc<3(Idc+Iac)

[0066] 可见，采用本发明的装置时，3个风扇的总瞬时电流小于3个风扇瞬时电流之和，特别的，电流的交流分量相互抵消，这提高了风扇控制系统的功率因数，从而降低了风扇对驱动电源的瞬时功率的要求，瞬时电流的减小还降低了风扇系统的对电源系统的干扰和EMI。

[0067] 移相器对输入参考频率移相的相位可任意设置。优选地，当系统中需要控制的风扇数目为n时，只要保证各风扇之间的相位差依次为360度/n，就可以使其总的交流分量相互抵消，即保证移相器输出的n个输入参考频率之间的相位差依次为360/n。本实施例中使用3个风扇，因此，三个风扇间的相位差为360/3＝120度。

[0068] 综上所述，本发明可以精确的控制风扇的转速与输入参考频率一致，在多风扇同时控制时，增加移相电路，还可以改善风扇对电源瞬时电流的要求，提高系统的EMI性能。由于是闭环控制系统，本发明可以克服风扇应用环境变化、供电变化等外界因素的影响，始终实现精确的控制。

[0069] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。