上期回顧：負壓的產生方式

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風扇，作為電機細分領域中的一個分支，因其控制方式簡單，應用簡便，在散熱領域有著舉足輕重的地位。其應用的領域幾乎覆蓋了我們日常的生產生活中每一環：如消費類筆記本電腦中的散熱風扇，工業類設備中的風冷散熱器，以及汽車中的座椅通風風扇等。

其中，單相風扇因其繞組方式簡單，成本較低，在小功率類別風扇中有著尤為廣泛的應用。今天給大家分享：單相風扇的換相應該是超前還是滯后？

01無刷風扇電機的運轉過程

我們知道，無刷風扇電機持續運轉的過程，實質上是定子繞組周期性通過相反方向的電流，以產生方向周期性時變的磁場，以帶動轉子永磁體在感應磁場中定向旋轉的過程。

圖2：無刷風扇電機持續運轉過程

對單相風扇電機而言，電流方向是通過H橋的通斷來控制，轉子位置通過霍爾傳感器的輸出來判斷，而H橋的通斷控制，是基于霍爾的傳感信號，因此霍爾傳感信號是驅動信號和轉子實時位置之間的橋梁，其正確的反饋是風扇電機能否順利控制運轉的基礎。

具體示意圖如圖所示，以電機轉子逆時針為旋轉方向：

當轉子處于圖3位置時，此時根據霍爾的擺放位置，霍爾輸出處于從低到高的上升沿，此時為保證轉子逆時針旋轉，電機繞組應該流過從OUT1流向OUT2的電流，H橋中的SW1和SW4閉合；

圖3：示意圖1

當轉子旋轉到圖4位置時，此時霍爾輸出變為從高到低的下降沿，此時電機繞組電流方向應該從原先的OUT1到OUT2，轉變為OUT2流向OUT1，此時SW2和SW3閉合；

圖4：示意圖2

單相風扇的換相過程就是這樣一個基于霍爾信號高低電平切換從而切換繞組電流的流向的過程。

02為什么需要對換相過程做超前或是滯后的角度補償？

以上這樣一個換相過程看似是十分理想的情況，然而，為什么我們需要對換相過程做超前或是滯后的角度補償呢？

讓我們看向單相風扇的等效驅動電路：

我們把兩相施加的等效電壓分別設為Out1和Out2，定子繞組上產生的感應電動勢為BEMF，流過兩相間的相電流為Io；由電壓公式，可得到兩相間等效電壓Out1-Out2，等于兩相回路上的感應電動勢BEMF，加上相電流Io與繞組回路上的等效阻抗之積；對于風扇定子繞組來說，等效阻抗由等效電阻R和等效電感L兩部分組成。

由此，我們可以通過矢量圖，得到感應電動勢和相電流的關系，由于繞組回路上這個電感分量的存在，實際此時感應電動勢是超前于相電流一個角度θ的。

圖5：單相風扇換相等效驅動電路圖和矢量圖

我們也可以通過波形圖來表征這個過程：

如圖6，在霍爾高低電平切換時風扇換相，等效電壓OUT1-OUT2通過零點，反電動勢此時和等效電壓處于同相位；由于繞組回路中電感分量的存在，相電流Io滯后于感應電動勢一個角度θ；這部分的滯后，會造成相電流和感應電動勢的乘積有一個負值部分，從而電機會產生“負轉矩”。

圖6：單相風扇換相波形圖

這個換相時的“負轉矩”會大大影響風扇效率，同時，也會在換相時產生一定的電磁噪音，影響風扇的運行效果。

因此，為獲得更大的電機轉矩，提高風扇效率，有效優化換相時的噪音；應保證相電流和感應電動勢在同相位，消除這個乘積里的負值部分，也就是說應該對霍爾切換的信號做一個超前的補償，這個過程也叫做超前角控制。

03超前補償過程

接下來，我們看看超前補償的過程：

將霍爾角度提前，即霍爾高低電平切換提前，此時受換相信號控制的相等效電壓OUT1-OUT2也提前進入過零點，隨之，相電流Io也跟隨相等效電壓提前。這樣，我們可以發現，只要補償的超前角度合適，可以保證在補償之后，Io和感應電動勢能夠位于相同相位，此時能夠得到最大轉矩。

此時從矢量圖中，我們看到當Io跟隨換相即霍爾信號的提前而旋轉過一個合適的角度θ后，此時和感應電動勢位于同相位，兩項乘積達到最大值。

圖7：超前補償后的波形圖和矢量圖

以MP6653為例，這是一顆集成了霍爾傳感器的35V/1.2A，單相風扇驅動IC，支持閉環控制方式且轉速曲線可編程；

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圖8：MPQ6653特性與優勢

在MP6653的規格書上，我們檢索到該芯片內置的霍爾傳感器，是位于3，4腳正中間的位置，因此，我們可以看到，在眾多實際案例中，IC會擺放在相鄰繞組之間靠近矽鋼片大頭的位置，正對矽鋼片大頭的邊緣，而不是位于相鄰繞組的正中間位置；這其實就是在實際案例中，做出的霍爾超前角控制。

圖9：實際案例中霍爾超前角控制擺放位置

當然，若我們在霍爾擺放的物理位置上有一些偏差，MPS針對每一顆風扇驅動物料也都有其對應的上位機軟件，我們也可以通過在上位機中對霍爾超前/滯后角度進行微調，以補償這個擺放偏差，以達到更高的效率和更好的噪音效果。

圖10：通過MPS上位機對霍爾超前/滯后角度進行微調