详解直流风扇的几种调速方式

关于DC风扇(2、3、4线)的PWM调速测试本次测试主要目的：测试不同额定功率的风扇可耐受的最低电压 4 线风扇(+V , -V, pulse sensor , PWM control)PWM 调速表现 2 线风扇基于外部 PWM 控制的调速表现在有不间断电源情况下3线风扇基于外部PWM控制的调速表现我们的推荐一：基于山洋(SANYO DENKI)风扇的调速方式目前基于山洋(SANYO DENKI) DC风扇的调速方式主要有以下几种：1、4 线风扇(+V , -V, pulse sensor , PWM control)的调速2、内置或外置测温元件的调速。3、电压调速。4、通过外部电路对非4线风扇(2、3线)风扇的PWM调速。以上1、2项调速方式，风扇在工作时的+V和-V均加载风扇的额定电压，通过 PWM 值和测温元件来调速，这两种转速控制方式可以基于任何山洋 (SANYO DENKI)的风扇来定制，您只需在样本根据您对风扇尺寸、风量、静 压等要求选择您所需的标准风扇，之后将您对风扇转速的要求提给我们，我们即 可按照您的要求来定制您的风扇。第三种调速方式是通过外围电路调整风扇的+V和-V两端电压来调速风扇 转速，风扇在调速过程中工作在非额定电压下。任何DC风扇(2、3、4线)均 可以采用此种方式来调整转速。二：几种调速方式的比较1、采用4线风扇的PWM调速： 此方式可以在风扇可调速范围内精确的控制转速，可以良好的根据温度 变化实现PID控制，以达到最理想的温度控制和风扇噪音之间的平衡。 但需要外部PWM脉冲电路和测温电路的配合，相对较复杂。2、测温元件调速： 此方式最大的有点就是可以在最大程度上简化控制电路的前提下实现 温控。内置测温元件的风扇甚至不用搭配任何外围电路，即可实现自身 的转速控制，从简化电路方面考虑此方式确为最佳选择方案。而且您只 需选择您需要的风扇和您需要的温控范围，测温元件可以由山洋(SANYO DENKI)来提供或指定型号。此方案日后可编程度低，(尤 其是内置测温元件的风扇)一旦选定，要改变温度和转速的对应关系难 度较大。3、电压调速：电压调速适用性广，几乎可以在任何DC风扇中使用此方法调速，但由 于不同风扇对启动电压的需求不同，在有些要求启动电压较大的风扇上 可调速的范围就比较小，不易实现温度和风扇转速的理想搭配。而且如 果实现自动温控，此方案的外围电路也相对较复杂。4、通过外部电路对非4线风扇(2、3线)风扇的PWM调速：此方案也是本次测试的主要目的。通过PWM脉冲电路对风扇两端+V 和-V进行PWM控制，它可以在任何DC风扇实现较灵活的转速控制， 不过同4线PWM调速方式一样，此方案也需要较复杂的外围电路(可 能比4线风扇还要复杂一些)。三：测试 测试一：几款不同额定功率的风扇可耐受的最低电压测试说明：由于设备限制，电压无法做到无级调整，在5V以下用二极管的正向压降来调整电压，所以电压间隔较大。请见下表: - - _项一_型号9GE0412P3J03(40x40x28)9PH0412P3K033(40x40x28)9S0612H401(60x60x25)9S1212F401(120x120x25)额定电流（A）0.650.50.110.19额定电压（V）12121212额定转速（RPM）15000155003900220011.10V 档转速(RPM)14400139503510208811.10V档工作状态正常正常正常正常5.11V 档转速（RPM）74006240135011345.11V档工作状态正常正常正常正常4.33V 档转速（RPM）4400486010209604.33V档工作状态正常正常正常正常3.56V 档转速（RPM）034207207703.56V档 工作状态手动转动风扇， 传感器可工作正常正常正常2.82V 档转速（RPM）0005702.82V档 工作状态风扇传感器不 工作手动给风扇一启 动扭矩，风扇可以 启动。集电极工作 正常。风扇在 200rpm左右转动，最后停 止手动给风扇一启动 扭矩，风扇可以启 动。集电极工作正 常。风扇在390rpm 左右转动.正常2.43V 档转速（RPM）N/A003542.43V档工作状态N/A风扇传感器不 工作手动转动风扇， 传感器可工作正常2.28V 档转速（RPM）N/AN/A002.28V档 工作状态N/AN/A手动转动风扇， 传感器可工作手动转动风扇， 传感器可工作1.72V 档转速（RPM）N/AN/A001.72V档工作状态N/AN/A风扇传感器不 工作手动转动风扇， 传感器可工作1.30V 档转速（RPM）N/AN/AN/A01.30V档 工作状态N/AN/AN/A风扇传感器不工 作表 1 风扇耐受电压比对表通过测试一的测试，包括额定功率较高的 9GE0412P3J03 在内，通过调压 的方式进行风扇调速的范围比较宽，在 4.33V 电压档，风扇至少可以稳定降速 到额定转速的一半，而风扇的测速传感器即使在低于风扇可启动电压时，在一 定范围内也可以工作。测试中风扇在“正常”状态下运行平稳，无杂音。测试二：4 线风扇(+V , -V, pulse sensor , PWM control) PWM 调速表现测试说明：以9GE0412P3J03为例，通过在PWM control线和 V之间做PWM控制。风扇最佳PWM频率为25KHZ，由于脉冲发生器限制，最大PWM频率为6.5KHZ。请见下图表：PWM（%）r 目 -测试项风扇4PIN PWM调速(6.5KHZ)(1-PWM%)为实际占空 比运行表现02430平稳无杂音52460平稳无杂音104050平稳无杂音155130平稳无杂音206090平稳无杂音256810平稳无杂音307530平稳无杂音358160平稳无杂音408820平稳无杂音459450平稳无杂音5010020平稳无杂音5510560平稳无杂音6011070平稳无杂音6511580平稳无杂音7012060平稳无杂音7512510平稳无杂音8012900平稳无杂音8513320平稳无杂音9013780平稳无杂音9514370平稳无杂音10014460平稳无杂音表2 9GE0412P3J03 4线PWM调速表现16000图1 9GE0412P3J03 4线PWM速度曲线PWM测试中风扇表现正常，调速平稳无杂音。测试三：2线风扇基于外部PWM控制的调速表现测试说明：由于图2所示电路中我们通过外部PWM直接开、关风扇的+V和 V (DC12V),所以风扇的传感器在调速过程中无法正常反应风扇实际转速，故我们借此来模 拟测试两线风扇使用外部PWM控制转速时的表现。通过第一项测试结果来看，对电压调速表现最差的9GE0412P3J03和表现最好的 9S1212F401两颗风扇，我们用他们来模拟一般两线风扇，使用图2所示的外部PWM控 制电路来控制风扇转速，以期从感觉体验不同功率的两款两线风扇在不同频率的外部PWM控制中的表现。Pulsesensor图2模拟2线風扇的外韶控制请见下表:PWM频目可启动占 空比(9GE)风扇运转平稳度(9GE)可启动占 空比(9S)风扇运转平稳度(9S)6.5K HZ15%在占空比从10%开始风扇有明显高 频电流声。转速随占空比变化快、跟10%5%-90%均有明显高频电 流声，速度跟随性很好。3.25K HZ35%1.63K HZ65%820 HZ85%410 HZ85%128 HZ55%60 HZ40%30 HZ35%随性很好。在占空比从5%开始风扇有明显高频 电流声。风扇在开始启动后随PWM 值加大加速很突然。在占空比从5%开始风扇有明显高频 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。风扇随PWM值加大加速很突然。在占空比从5%开始风扇有明显高频 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。风扇随PWM值加大加速非常突 然。在占空比从5%开始风扇有明显高频 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。风扇随PWM值加大到90%加速非 常突然。在占空比从5%开始风扇有明显高频 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。风扇随PWM值加大到95%以后加 速明显，并PWM值在98-99%时风扇 转速猛然增加。在占空比从5%开始风扇有“嗒嗒” 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。风扇在PWM值40%-99%之间转速 变化不明显，到100%才突然加大到 最高转速。在占空比从5%开始风扇有“嗒嗒” 电流声。风扇在开始启动后转速很 低。非线性变化，到100%才突然加 大到最高转速。风扇全程颤抖。5%-90%均有明显高频电 5%流声，速度跟随性很好。3%以上均有明显高频电10%流声，速度跟随性很好。5% （明显 在失速状 态）3%以上均有明显高频电 流声，速度跟随性很好。3%以上均有明显高频电10%流声，速度跟随性很好。3%以上均有明显高频电10% 流声，速度跟随性很好。高转速有共振。3%以上均有明显电10%流声，速度跟随性很好。10%风扇有“嗒嗒”低频电流声。15 HZ30% （但颤抖严重）在占空比从5%开始风扇有“嗒嗒” 低频电流声。风扇在开始启动后转速 很低。风扇在PWM值40%-99%之间转 速变化不明显，到100%才突然加大 到最高转速。风扇全程颤抖。10%风扇有“嗒嗒”低频电流声。10 HZ颤zt% )5 斗2 衣在占空比从5%开始风扇有“嗒嗒” 低频电流声。风扇在开始启动后转速 很低。风扇在PWM值40%-99%之间转 速变化比较明显，但应不是线性变 化。风扇全程颤抖。10%风扇有“嗒嗒”低频电流声。5 HZ15% （明 显有加减 速过程）在占空比从5%开始风扇有“嗒嗒” 低频电流声。风扇运转过程中加减速 声音明显，运转很不平稳，但PWM 跟随性较好。5%风扇有“嗒嗒”低频电流声。 运转较9PH的风扇相对平 稳。无明显加减速声音。表3两款不同功率风扇模拟2线风扇的外部PWM扌控制表现测试中两颗风扇无论在任何频率下均有不同程度的杂音，随着 PWM 频率的 变化，杂音的频率也在变化，但始终存在。测试中9S1212F401调速表现良好， 可以使用大部分频率的外部PWM调速，但由于风扇本身非常静音，调速时产生的 杂音更加明显。而9GE0412P3J03对PWM频率变化表现起伏很大，但由于其转速 很高，在高速转动中调速产生的噪音反而不明显（但肯定存在）。9GE0412P3J03在某些PWM频率从低占空比向高占空比增加时可能会发生马达 堵转，主要表现为：如当前加载10%PWM，马达颤抖但不运转，这时一点一点增 加PWM值，风扇一直会处于停止状态，直到加载到一个很大的PWM值才开始运 转（这个值已远远大于表中的启动PWM值）。而如果起始PWM值就大于或等于 表中的启动PWM值，则无堵转现象发生。测试四：在有不间断电源情况下3线风扇基于外部PWM控制的调速表现测试说明：同样采用测试三中的两颗风扇，截取两个风扇可能表现良好的PWM频率，在 外部加载一 5V （经二极管后电压约为4.33V）电压后通过外部PWM控制风扇12V电源来 实现PWM调速，并记载转速变化。来测试风扇在调速过程中的实际转速和调速中的表现。 图 3 为风扇外部控制示意图首先是9GE0412P3J03在6.5K HZ频率下的调速表现:Pwf况、风扇情9GE0412P3J03 6.5K HZ 转 速(RPM)9GE0412P3J03 6.5K HZ运转说 明04350无噪音54380无噪音105310明显高频声155880明显高频声206510明显高频声257050明显高频声307500明显高频声358310明显高频声409270风声超过高频 声4510080风声超过高频 声5010710风声超过高频 声5511190风声超过高频 声6011520风声超过高频 声6511880风声超过高频 声7012180风声超过高频 声7512480风声超过高频 声8012810风声超过高频 声8513170风声超过高频9013590风声超过高频 声9513740风声超过高频 声10013740无噪音声表4 9GE0412P3JO3在有“不间断电压”外部65K HZ的PWM频率下调速表现转速曲线：160001400012000100008000600040002000图外部PWM9GE0412P3J03在30 HZ频率下的调速表现:PWM 况、风扇情9GE0412P3J03 30 HZ转速 (RPM)9GE0412P3J03 30 HZ 运转说明04290无噪音54380贴近风扇听有“嗒嗒” 声104410贴近风扇听有“嗒嗒” 声154500贴近风扇听有“嗒嗒” 声204560贴近风扇听有“嗒嗒”声254680贴近风扇听有“嗒嗒” 声304860贴近风扇听有“嗒嗒” 声355130贴近风扇听有“嗒嗒” 声405460风声超过“嗒嗒”声456000风声超过“嗒嗒”声507530风声超过“嗒嗒”声557890风声超过“嗒嗒”声608220风声超过“嗒嗒”声658520风声超过“嗒嗒”声708730风声超过“嗒嗒”声759060风声超过“嗒嗒”声809300风声超过“嗒嗒”声859630风声超过“嗒嗒”声909930风声超过“嗒嗒”声9510200风声超过“嗒嗒”声10013740无噪音表5 9GE0412P3JO3在有“不间断电压”外部30 HZ的PWM频率下调速表现转速曲线：图5 9GE0412P3J03 30 HZ 外部PWM16000Mm10000800060002000400012000140000 500 5PWM值9S1212F401在6.5K HZ频率下的调速表现:pwM、风扇情况9S1212F401 6.5K HZ转速(RPM)9S1212F401 6.5K HZ 运转说明0960无噪音5960安静101350明显高频声151380明显高频声201440明显高频声251470明显高频声301500明显高频声351560明显高频声401590明显高频声451650明显高频声501680明显高频声551710明显高频声601770明显高频声651800明显高频声701860明显高频声751890明显高频声801920明显高频声851950高频声减小901980咼频声更小951980高频声几乎消失1002010高频声消失表6 9S1212F401在有“不间断电压”外部6.5K HZ的PWM频率下调速表现转速曲线：图外部PWMQm59095808570756LOO直0554-53035ZQZO15005200009S1212F401在30 HZ频率下的调速表现:pwM、况、风扇情9S1212F401 10 HZ 转速(RPM)9S1212F401 10 HZ运转说明0960无噪音51020贴近风扇听有“嗒嗒”声101080贴近风扇听有“嗒嗒”声151170贴近风扇听有“嗒嗒”声201230贴近风扇听有“嗒嗒”声251290贴近风扇听有“嗒嗒”声301350贴近风扇听有“嗒嗒”声351410贴近风扇听有“嗒嗒”声401470贴近风扇听有“嗒嗒”声451530贴近风扇听有“嗒嗒”声501560贴近风扇听有“嗒嗒”声551620贴近风扇听有“嗒嗒”声601650贴近风扇听有“嗒嗒”声651710贴近风扇听有“嗒嗒”声701770贴近风扇听有“嗒嗒”声751800贴近风扇听有“嗒嗒”声801830贴近风扇听有“嗒嗒”声851890贴近风扇听有“嗒嗒”声901920贴近风扇听有“嗒嗒”声951950贴近风扇听有“嗒嗒”声1002010“嗒嗒”声消失表7 9S1212F401在有“不间断电压”外部30 HZ的PWM频率下调速表现转速曲线:图7 9S1212F401 30 HZ 外部PWM0052MKK00000000在本测试中，选用的65K HZ和30 HZ的PWM频率在两颗风扇上的表现 如以上所示，在65K HZ的频率下功率较高的9GE0412P3JO3可以获得比较不错的调速表现（不过参考表 3，似乎它没有过多的频率可供选择），而 9S1212F401 则 在低频下表现良好。不过即使加载了不间断电源，风扇调速时产生的噪音仍然 存在，几乎和测试三得到的运转情况一样，没有减小也没有增加。四：测试小结和我们的建议 通过我们本次对几款风扇的不完全测试可以得到以下几点结论：额定功率和结构不同的风扇最低可工作电压不同，对于三线和四线风扇， 其传感器可的工作电压往往比风扇可运转的电压要更低一些。通过电压调速也可以得到相对较宽的调速范围，但在某些临界状态时可能 风扇马达无法达到所需的启动扭矩（但其实此电压下风扇可以运转），所以在调速 时最好在风扇启动时以一个较高电压启动（比如额定电压），延时一段再调低电 压。在外部PWM调速时（无“不间断”5V电压），也同样可能发生以上情况， 所以在使用此方法调速时也最好能已高PWM值启动（比如100%）,延时一段再 调低PWM值。无论何种外部PWM调速方式，无论在本测试中使用的哪种PWM频率, 都会使风扇在一次次加电时产生与 PWM 频率对应的噪音，在高频时甚至会超 过某些静音风扇本身产生的噪音。我们的建议： 通过本次测试，我们对您提出以下几点不成熟的建议，谨供参考： 在设计初期4线风扇的PWM调速运行平稳，可调节外围广，速度响应快，我们推荐 您在设计初期，在控制电路和风扇都还没有定型之前选用这种方式，这可能会 提供给您最好的风扇调速表现，更加容易的实现温度和噪音之间的平衡并且可 以延长风扇的使用寿命。如果您认为 PWM 调速方式可能相对比较复杂，或者您的控制电路已经 设计成型，我们建议您选用外置测温元件的风扇，它几乎不用您对您的电路做 任何修改，只需要把测温元件放在您的测温点就可以自行调节转速。已经有成型 2线或 3线风扇 如果您可以在您的控制电路中控制输出电压，而风扇调速范围不需要非 常广，我们建议您使用调压的方式来控制风扇转速，通过本次的不完全测试， 风扇在5V以上维持正常工作应无问题。如果您想手动控制风扇 如果您只是想手动的控制风扇在两段或者几段转速间变化，或者只需要 让风扇在两段或几段温度内自动切换转速，我们建议您使用电压控制，您可以 简单的利用二极管（串接一个二极管大约降0.7V左右）的正向压降来给风扇降 压，这适用于绝大多数电压适应度较宽的风扇调速。关于外部PWM控制如果您在设计初期，在控制电路和风扇都未成型之前。我们不建议您使 用外部 PWM 控制的方式，因为这种方式几乎不会减少您搭建外部控制电路的力气（相对于4线PWM风扇）；但是得到的调速结果却并不如4线PWM控制 那样平稳。最主要的是由此产生的额外噪音，在某些风扇调速时甚至超出风扇 本身的噪音，我想这是您很不愿看到的。如果您已经有2线或3线风扇的方案却不愿改变风扇的选择，希望使用 外部 PWM 电路来控制风扇转速，通过本次测试来看，希望您使用相对较低的 频率来控制额定功率相对较小的风扇，高 PWM 频率显然不适合这种控制方式 （尽管高频带来了某些风扇不错的调速曲线），而在定型之前，请一定要用实际 样品实地测试，风扇的不同会带来完全不同的调速表现。希望本次测试和我们的几点不成熟的建议能为您在选择调速风扇时带来一 点帮助，如果有任何意见或建议请随时提出，十分期待您的观点。祝您工作顺利！