CPU风扇的控制毕业设计.doc

武汉科技大学本科毕业设计摘 要随着社会的不断发展，个人计算机（pc）飞速普及，进入家家户户。同时，pc也是日新月异，各种功能、性能提高速度非常快。主板是pc最基本的也是最重要的部件之一，它对于整个pc机的性能起着举足轻重的作用。而cpu是主板的重要组成部分。主板上的cpu虽然只有火柴盒大小，但却是一台计算机的运算核心和控制核心。如果把计算机比作一个人，那cpu就是大脑，所有的操作均由cpu发出，它是负责读取指令、解码指令与执行命令的核心部件。其重要作用由此可见一斑。在计算机运行中，cpu散热是一个重要环节，其散热性能的好坏直接关系到cpu的功耗与性能的好坏。随着纳米技术的发展，传统的散热片加三线散热风扇已无法满足需求。用脉宽调制（pwm）技术智能调节控制cpu风扇转速，使cpu温度的上升与风扇转速的增大在一定范围内成线性关系，这样能在减少功耗的同时降低cpu温度。与传统的cpu风扇相比，智能风扇能最大程度上实现无级变速，降低能量损耗，减少噪音。本文就是基于脉宽调制技术的cpu风扇的控制与调节的有关内容的设计。关键词：cpu温度；cpu风扇；脉宽调制abstractwith the continuous development of the society, the computer almost has become very ordinary household electrical appliances. and with the popularization of the computer, the development of computers is also developing rapidly, and the various functions and performance increase at a very fast rate. motherboard is the biggest piece of circuit boards in computer, it plays an important role. however the cpu is an indispensable part of the motherboard, the cpu just like a matchbox, but it is the operation core and control core of a computer. all the operation of a computer are controlled by cpu, which is responsible for reading commands，decoding commands and executing the core components of commands.in computer operation, the cpu heat is very important. its thermal performance has a direct relationship to the cpu power consumption and the performance. along with the development of nanometer technology, traditional cooling slice three-pin cooling fans already cannot satisfy our demand. with pulse width modulation (pwm) technical intelligence adjustment cpu fan speed, make the cpu temperature rises and fan speed increases in a certain range of a linear relationship, this not only can reduce power consumption but also lowered cpu temperature. compared with the traditional cpu fan, intelligent fan can maximum extent realize stepless speed and reduce energy losses and noise. this paper is the discussion based on the pulse width modulation technology cpu fan control and adjustment.key words: temperature of cpu； cpu fan； pwm 目 录1 绪论11.1cpu散热技术发展动态11.2传统的cpu散热存在的问题21.3脉宽调制技术（pwm）在cpu散热中的应用22 计算机主板概述32.1 计算机主板的组成32.2 中央处理器（cpu）简介42.2.1 中央处理器(cpu)的功能42.2.2 温度对cpu的影响53 cpu fan的组成及特点83.1 cpu fan概述83.2 cpu fan组成及工作原理93.2.1 cpu fan电机93.2.2 霍尔传感器104 脉宽调制技术（pwm）概述134.1 脉宽调制技术（pwm）的由来与发展134.2 脉宽调制技术(pwm)的基本思想及工作原理144.3 脉宽调制技术（pwm）的优点175 脉宽调制技术控制cpu fan的基本思想195.1 pwm风扇接口技术195.2 pwm温控风扇原理216 cpu温度控制系统的设计246.1 控制系统芯片介绍246.1.1 bios芯片246.1.2 super i/o芯片266.1.3 lb11961芯片296.2 cpu温度调节系统总体设计316.2.1 cpu温度监测电路设计326.2.2 mb温度监测电路设计336.2.3 主板cpu fan控制电路的设计336.2.4 cha fan控制电路的设计346.2.5 电平转换电路的设计356.2.6 cpu fan内部控制电路的设计366.3 参数测量与计算377 总结及展望44参考文献45致 谢46附 录47iv武汉科技大学本科毕业设计1 绪论1.1 cpu散热技术发展动态随着社会的不断发展和经济的不断进步，电子和通讯行业也迅猛发展，各种电子产品不断的出现和更新。在这个逐渐前进的社会中，电脑几乎成了家家户户必备电器。而随着电脑的普及，电脑的发展也是日新月异，各种功能、性能提高速度非常快。主板是电脑中最大的一块电路板，它起着举足轻重的作用，它不仅可以为cpu、内存条、硬盘、软驱、光驱、声卡和网卡等元件提供插槽或接口，还可以使其他外部设备通过主板上的i/o接口连接到电脑上。通过主板，电脑的其他外部设备和内部设备才可以各安其位，实现各自的功能1。目前国内最常见的主板厂商有华硕、微星、技嘉和升技等。然而主机板上最重要的可以说是cpu，cpu是电脑系统的心脏，电脑特别是微型电脑的快速发展过程，实质上就是cpu从低级向高级、从简单向复杂发展的过程。cpu（central processing unit）又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。目前生产cpu的厂商主要有intel公司和amd公司，其中intel公司占有75%多的市场份额。在cpu还是486的那个年代，因为cpu集成晶体管数量并不多，所以其工作时的发热量并不高，这也使得当时人们并不在意这块黑色金属的存在，因为即便是长时间的使用也不会出现因cpu温度过高而导致死机。当时的散热器为一片铝制的散热片，通过将cpu产生的热量导出散到空气中来散热。随着cpu功能日益强大，其产生的热量也逐渐增多。从奔腾和奔腾开始算起，虽然铝制散热器依旧占主导地位，但是已经有少数厂家开始用铜材质散热器。而此时的散热器已经开始需要风扇，但随之而来的噪音问题至今未能得到根治。因为架构和制成的问题，cpu的频率逐渐受到人们的关注。cpu的频率变得越来越高。高频率自然带来了高的功耗和高的热量。而当时很多铝制散热器无法满足散热需要，正是基于这种环境许多散热器厂商纷纷诞生，可以说百家争鸣或者是鱼龙混杂，但是发展的方向都是一样的，一是风扇的轴承技术，另一个则是散热片的加工工艺。在散热工艺方面，例如折叶、铸造、插齿、回流焊，压固等工艺数不胜数。特别是在奔腾四的那个年代，cpu的功耗都在100w左右。与此同时，一些全铜搭配热管的散热器和水冷散热器的出现也抢去了风冷散热器不少风头，但它们动辄成百上千元的价格还是不能普及，生活在水深火热之中的用户们苦不堪言。cpu散热技术发展到现阶段，除了风冷散热外，还有热导管，液冷散热器等。1.2 传统的cpu散热存在的问题现阶段cpu散热技术可谓多种多样，但都存在着一些问题。486时代的散热片属于被动散热，结构简单，造价低廉。但散热迟钝，效果不好。只适用于低功耗的cpu。一旦cpu温度过高，它将无法很快地散热。cpu风扇的出现解决了这一问题。在散热片上搭配一个风扇能有效解决单纯使用散热片的缺点。其中散热片起到导热的作用，吸收cpu工作产生的热量，再由风扇帮助散热。然而，添加了风扇就自然要为它提供电源，风扇工作时必然会产生噪音。随之而来的就是能源损耗和噪音问题。且风扇不同于散热片，它是有寿命的。随着使用年限的增加，噪音越来越大，耗能也越来越多。随着传感器技术的发展出现了温控风扇。温控风扇的出现能在一定限度上解决风扇的耗能和噪音问题。但传统的温控风扇是利用风扇轴承附近的测温探头侦测风扇的进风口温度，从而对风扇的转速进行调节。这种温控虽然解决了一定的问题，但是存在着精度粗糙，而且温控的转速只能做到高速低速两极变速。所以cpu温度的调节是一个很重要的环节，对于cpu的性能和主板的性能都有很重要作用，可以说也是电脑的发展道路上一个重要参数。1.3 脉宽调制技术（pwm）在cpu散热中的应用随着cpu技术的发展，更多的晶体管和更高的主频，以及纳米级的工艺，都造成了cpu功率的飙升。尤其是第一个走进90纳米的intel。更高的功率，就需要更好的散热设备。intel为了对付prescott核心，开始从多方面加强散热，比如38度机箱，比如btx，比如9cm风扇的主流应用，其中pwm技术，是最重要的技术之一。新一代的lga775主板将会改用全新的4pin接口散热器。新的4pin接口将提供pwm风扇转速模组，新一代pwm模组采用以电源的频率范围来调整其功率，而没有采用较为常见的减少电压方式，令风扇不会因为经常改变电压而损坏。在很多i915/i925x主板来看，未来风扇的接口将逐渐从3pin向4pin转变。当然，并不是说3pin接口的风扇不能用于4pin接口，4pin风扇的仍保持着向下兼容模式，只要插前三个针角就可以当一个3pin风扇用。pwm是脉宽调制电路的简称，它本身并不是一个新技术，在工业控制，单片机上早已经广泛的应用。而intel将他和主板的cpu温度侦测相结合，将其应用于散热器风扇的转速精确控制上，取得了良好的效果。2 计算机主板概述2.1 计算机主板的组成主板，英文缩写为mb,又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或是叫母板(motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。 主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有bios芯片、i/o控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板采用了开放式结构。主板上大都有6到8个扩展插槽，供pc机外围设备的控制卡(适配器)插接。通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。在主板各种外围设备中，其中硬盘、内存，显卡，光驱等等扮演着重要角色。在主板上，有着很多重要的芯片，例如bios，chipset，super i/o，raid控制芯片等。bios，是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整cpu外频，改变cpu报警温度等。bios芯片是可以写入的，这方便用户更新bios的版本，以获取更好的性能及对电脑最新硬件的支持。当然，不利的一面便是会让主板遭受诸如cih病毒的袭击。chipset，芯片组，包括北桥和南桥。在最新的主板中 intel的北桥已经整合到cpu当中。chipset几乎决定着主板的全部功能，其中cpu的类型、主板的系统总线频率，内存类型、容量和性能，显卡插槽规格是由芯片组中的北桥芯片决定的；而扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量（如usb2.0/1.1，ieee1394，串口，并口，笔记本的vga输出接口）等，是由芯片组的南桥决定的。还有些芯片组由于纳入了3d加速显示（集成显示芯片）、ac97声音解码等功能，还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。super i/o，也叫io芯片。在南桥这样的高速设备和串行、并行接口、软盘驱动器及键盘鼠标等大量低速设备之间必定存在资源的不匹配，而需要经过转换和管理。而super i/o芯片则完成了该功能。主板为外界提供了众多扩展槽和对外接口。如cpu，内存，agp，pci express等插槽和硬盘，com，ps/2，usb等接口1。主板基本架构图如图2.1所示：图2.1 主板基本架构图2.2 中央处理器（cpu）简介2.2.1 中央处理器(cpu)的功能中央处理器简称cpu（central processing unit），它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成，计算机各部件的运作均由cpu来协调与控制有效地进行着。不管什么样的cpu，其内部结构归纳起来可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分之间相互协调，便可以进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。控制单元：正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个cpu的指挥控制中心，由指令寄存器ir(instruction register)、指令译码器id(instruction decoder)和操作控制器oc(operation controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器ir中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器oc，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器oc中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。算术逻辑单元：简称alu（arithmetic logic unit），是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。存储单元：在cpu中存储单元是寄存器组，简称rs（register set或registers）。rs实质上是cpu中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，cpu访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少cpu访问内存的次数，从而提高了cpu的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异1。除了控制、逻辑、存储三大部分外，总线bus在cpu中亦占着重要地位。就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和cpu相连的总线可称为局部总线。其中包括：数据总线db(data bus)、地址总线ab(address bus) 、控制总线cb(control bus)。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送cpu发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。2.2.2 温度对cpu的影响cpu的功耗（发热量）由静态功耗和动态功耗两部分组成1。静态功耗是因为漏电流引起的。由式2.1 (2.1)可知，在芯片等效电阻r不变的情况下，功耗p与电压u的2次方成正比，降低供电电压可以极大地降低静态功耗。所以这些年来芯片工作电压从5v降到3.3v，甚至降到目前的1v以下。我们当然希望这个数值进一步降低，但如果没有k值更高的栅极材料，就无法保证在低电压下完成晶体管开启和关闭动作。所以，降低电压的手段毕竟还是有限的。而且由于微处理器内集成的晶体管数量的按摩尔定律逐年增加，众多晶体管并联后使得等效电阻值不断减少，集成电路内层与层之间的绝缘层变薄也使得层间泄漏电流增加，所以微处理器的静态功耗一直趋于上升态势。cpu的尺寸与其功耗的关系如图2.2所示：图2.2 cpu尺寸与其功耗的关系由此可见，在静态功耗不可动态调节外，动态功耗是影响和调节cpu温度的重要因素所在。温度是外部影响cpu性能的一大因素。cpu高温轻则会引起计算机自动重启，长期这样引起cpu的过快老化；过重会瞬间损坏电脑，把cpu烧坏。 芯片的动态功耗计算式如式2.2所示： （2.2）其中c表示电路负载大小，u表示供电电压，f为工作频率。可见f与芯片的动态功耗成正比，频率越高则消耗的功率也越高。而处理器(cpu)性能为主频ipc的乘积，ipc就是每个时钟周期内可以执行的指令数(ipc: instruction per clock)。由上可知，高温会影响cpu的工作频率,从而导致cpu性能的下降。曾有一研究intel p4核心温度对cpu性能的影响，选用的测试软件是cpu rightmark 2 rc3。这项基准可以实时显示cpu性能并可以记录下性能数据变化曲线即使当性能在试验过程中是呈下降趋势的。在cpu rightmark软件中的曲线图变化太过迅速，为了使用cpu rightmark来监测pentium 4处理器的性能的衰减过程，必须快速的升高cpu温度，但是不能超过临界点。cpu风扇不能直接摘除，否则温度会飞快的上升并超过临界值，而热量控制电路将立即削减cpu的性能，于是我们设计出另一种方案来“加热”cpu：将cpu风扇关闭。这样一来，cpu的温度上升速度足够满足rightmark 显示基准测试数据，但是又不至于快的使系统马上死机。结果得到了图2.3所示的性能变化曲线图。 图2.3 cpu温度与性能之间的关系由上面的曲线图看出，在一定温度下，cpu性能不会随cpu温度的下降而降低，而超过一定温度时热量控制电路开始降低cpu的性能，但是之后某段时间当温度继续上升，但cpu性能却保持在同一个数值。之后，我们重新开动cpu风扇来降温以避免cpu宕机，而cpu性能随之回升到其最初的级别。由此，当cpu温度超过一定时，热量控制电路会牺牲cpu性能而保护cpu不被烧坏。而cpu风扇的散热性能好坏对cpu性能有着直接影响。电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。要让cpu的工作温度保持在合理的范围内，出了保证cpu工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。尤其对cpu而言，如果用户进行了超频，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。通常，散热性能不好的原因涉及到很多因素。例如散热器本身散热效率不够，散热片和风扇上灰尘太多影响散热效率，风扇老化或者转数不够，导热硅脂变干、老化或者涂抹太厚，机箱风道不畅通，机箱内部热气不能时排出至机箱外等等方面。通常，在开机那一刻，风扇会全速运转，接着减速到正常速度（在bios里可设置），风扇会维持这种状态直到cpu温度达到预警温度才会全速运转。可以看到，这种模式不利于cpu充分发挥效率，于是，提出了微调控cpu风扇，提高cpu效率性能。由此，可看出cpu风扇的散热性能好坏对cpu的性能有着很大的影响。3 cpu fan的组成及特点3.1 cpu fan概述随着cpu技术的发展，更多的晶体管和更高的主频，以及纳米级的工艺，都造成了cpu功率的飙升。更高的功率，就需要更好的散热设备。一般来说，我们可以采用风冷、水冷、半导体制冷和氟（氮）制冷等多种方法来降温，但由于这些方法实现成本比较高，而且还可能对电脑的安全构成威胁，因此这几种方式在国内并不是十分流行。与这些方法相比，另外一种最实效、最方便、最常用的方法就是使用风扇和散热片。说到cpu的风扇和散热片，其实就是利用它们快速将cpu的热量传导出来并吹到附近的空气中去，降温效果的好坏直接与cpu散热风扇、散热片的品质有关。cpu风扇(英文为cpu fan)的主要性能从以下几个方面体现：转速、扇叶形状、扇叶角度和轴承系统。一般情况下，在散热器的说明书上都标明风扇的转速。一般来说散热器的散热效果有30%要取决于风扇的转速。但风扇并不是转速越高越好。正确的风扇转速应该根据cpu的发热量决定，不同规格的电机转速选择都应该有所区分，基本的原则就是：在产生同等风量的前提下，电机越大转速就应该越低，噪音同样也会较小，一般在3500r/min至5200r/min之间的转速是比较合乎常规的。 功率越大，风扇风力越强劲，散热效果也就越好。而风扇的功率与风扇的转速又是有直接联系的，也就是说风扇的转速越高，风扇也就越强劲有力。目前一般电脑市场上出售的风扇都是直流12v的，功率则从0点几瓦到2点几瓦不等，那么功率的大小就需要cpu发热量来选择了。另一方面，不能片面的强调大功率，只需要与cpu本身的功率要相匹配就好，如果功率过大，不单冷却效果没有多大增强，反而可能会加重计算机的工作负荷，最终缩短cpu和风扇的寿命。因此，在选择cpu功率大小的同时，应该量“热”而行。在以往，cpu风扇有3个引脚，分别为电源、地和信号线。信号线是用来向主板发送风扇转速的信息。随着技术发展，cpu风扇加多了一个引脚，这根线就是intel在soket t架构的原包风扇中采用的pwm智能温控风扇的pwm信号线。分析可知，三芯风扇确实可以实现自动调整转速的功能，但具备这个功能的是主板而不是风扇。它的具体工作步骤是这样的：首先主板通过监控芯片了解到当前cpu的工作温度，如果在一定正常范围之内，则不执行任何操作，但需要注意的是，此时风扇并不是工作在最高转速下的，大约只有这个数值的60%。比如一款最高转速4500r/min的风扇，在系统温度较低的情况下转速只有2700r/min，这样的好处是减少噪音和延长风扇寿命。随着处理器的工作温度的提高，并超过一定警戒线的时候，主板开始为风扇提速。这个数值大约是以10%的幅度提升的，也就是从2700r/min逐步增为3150r/min，然后再到3600转/4050转/4500转。这个变化的过程中，cpu风扇并不参与工作，而是通过主板自动调整对风扇供电电压来实现的。比如风扇标准的工作电压是12v，标准转速为4500r/min，但一开始主板只给风扇提供7.2v电压，那风扇的转速只有标准数值的60%，即2700r/min，之后主板随着cpu的温度提升，以10%的幅度增加电压，表现在风扇的转速上就是越来越快，逐渐达到了最高速度。所以总结来说，三芯风扇是不具备速度调整功能的。而四线风扇的特殊之处在于可以控制转速。和上面有所区别，四线风扇的工作方式就完全独立了，首先风扇内部会有一个单独的供电管理芯片，它会通过增加的第四颗线缆，随时监控处理器的温度和转速，然后回馈给pwm芯片，再由控制芯片调整转速，这样风扇就完成了自动调整转速的功能，中间不需要主板参与任何的工作，因此从根本上来说，四线风扇控速技术是通过自身实现的，它应用单独芯片进行监控，风扇在变速的时候，无论从反应灵敏度还是准确性上来看，应该都有一定的提升。3.2 cpu fan组成及工作原理3.2.1 cpu fan电机根据供电方式的不同，电机有直流电机和交流电机两种类型。电脑中使用的风扇电机为直流电机，供电电压为12v，转速在100010000r/min之间。直流电机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它由定子、转子和换向器三个部分组成，如图3.1所示。图3.1 有刷直流电机的构造定子（即主磁极）被固定在风扇支架上，是电机的非旋转部分。转子中有两组以上的线圈，由漆包线绕制而成，称之为绕组。当绕组中有电流通过时产生磁场，该磁场与定子的磁场产生力的作用。由于定子是固定不动的，因此转子在力的作用下转动。换向器是直流电动机的一种特殊装置，由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。当转子转过一定角度后，换向器将供电电压接入另一对绕组，并在该绕组中继续产生磁场。可见，由于换向器的存在，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢得以旋转2。如前所述，直流电机是利用碳刷实现换向的。由于碳刷存在摩擦，使得电刷乃至电机的寿命减短。同时，电刷在高速运转过程中会产生火花，还会对周围的电子线路形成干扰。为此，人们发明了一种无需碳刷的直流电机，通常也称作无刷电机（brushless motor）。目前为计算机配备的散热风扇大多是直流无刷电机。无刷电机将绕组作为定子，而永久磁铁作为转子（如图3.2），结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。图3.2 直流无刷电机原理图无刷电机由于没有碳刷，无需维护寿命长，速度调节精度高。因此，无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机，带变频技术的家用电器（如变频空调、变频电冰箱等）就是使用了无刷电机，目前主板的散热风扇中几乎全部使用无刷电机。3.2.2 霍尔传感器为了对风扇电机的运行状况进行监控，需要从风扇电机向主板输出速度信号，实现风扇运行情况的监控。监控电路用来显示风扇转速，并可实现报警和电脑的自动停机，以防止因风扇停转而烧毁cpu或其它器件的情况出现。现在变频电机普遍采用集成功率器件来实现这一功能，使控制线路大为简化。为了实现精确控制效果，必须向集成功率器件输入反映转子位置的信号，因此变频电机必须具有电机位置反馈机制。目前通常使用霍尔元件或和光电传感器两种手段进行位置和转速检测。霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器，霍尔效应是美国科学家爱德文霍尔于1879年发现的。目前，使用霍尔效应的磁传感器产品已得到广泛的应用。下图为霍尔效应原理图。在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场b，在薄片的横向两侧会出现一个电压3（图中的vh称为霍尔电压）。图 3.3 霍尔效应原理图变频电机利用霍尔器件测量转子的相对位置，所获得的信号输入到控制芯片中，驱动电机旋转。同时，还可将该信号通过主板输出，作为测速信号使用，可谓一箭双雕。由于换向脉冲为方波信号，在主板上经过简单处理便可输送给主板进行显示和控制。由于电机的相数一般在2个以上，换向信号的频率为电机的转速的若干倍，因此，如果利用换向脉冲作为测速信号，必须经过除法运算才能得到真实的电机转速。风扇电机的转子有永磁磁铁，风扇每转一圈就有一次切割磁力线现象，那么这个磁力线被霍尔器件感应到，就向pc主板发送一个电脉冲信号，主板按照记数器可以算出一分钟转多少圈。也就是说主板按照一秒钟收到多少个电脉冲然后自动乘以60就可以得出此电机一分钟转多少圈。这电脉冲信号就是原来三芯的信号线。而四线多出的一根线就是pwm控制方波，用于调频。直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响： （3.1）在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回传至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 图3.4是直流无刷电机的控制原理图。电源部提供三相电源给电机，控制部则根据需求转换输入电源频率。图3.4 直流无刷电机控制原理图电源部分可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。但这只是用来作为速度控制并不能拿来作为定位控制。要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下：q1、q4为一组；q1、q6为一组；q3、q6为一组；q3、q2为一组；q5、q2为一组；q5、q4为一组，但绝不能开成q1、q2或q3、q4或q5、q5。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。4 脉宽调制技术（pwm）概述4.1 脉宽调制技术（pwm）的由来与发展脉冲宽度调制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是运动控制系统直流传动中主要使用的变流装置，但由于晶闸管属于半控型器件，使其构成的vm系统的性能受到一定的限制；20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件门极可关断晶闸管（gto）、电力场效应晶体管（powermosfet）、绝缘栅极双极晶体管（igbt）。pwm控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现pwm控制变得十分容易。pwm控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，pwm控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论非线性系统控制思想的应用，pwm控制技术获得了空前的发展。pwm是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 pwm控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。它使得电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为pwm控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种pwm技术，其中包括：相电压控制pwm、脉宽pwm法、随机pwm、spwm法、线电压控制pwm等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽pwm法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为pwm波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整pwm的周期、pwm的占空比而达到控制充电电流的目的。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9v电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9v，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0v, 5v这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和数字信息处理器（dsp）已经在芯片上包含了pwm控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。4.2 脉宽调制技术(pwm)的基本思想及工作原理 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同4。pwm控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。其中，冲量是指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。下面用一个实例具体讲述面积等效原理。如图4.1所示。其中电路输入为窄脉冲e(t)，电路输出为i(t)。图4.1 不同形状的窄脉冲效果测量电路当e(t)为以下图4.2所示的几种窄脉冲形式时，其响应效果如图4.3所示。图4.2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图4.3 各种冲量相同的窄脉冲的响应波形由图4.3可以看出，面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波n等分，可看成n个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。如下图4.4所示，用矩形脉冲代替的正弦波，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度且按正弦规律变化。图4.4 用pwm波替代正弦波对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到pwm波形，因此正弦波一个完整周期的等效pwm波如图4.5。图4.5 一个完整周期正弦波的等效pwm波根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的pwm波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。如图4.6所示。图4.6 一个完整周期正弦波的另一种等效pwm波可以看出，要改变等效输出正弦波幅值，只需要按同一比例改变各脉冲宽度即可。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图4.7所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数a，否则输出0。因此，从图4.7中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。图4.7 脉宽调制过程（a）调制原理图 （b）调制波形图4.3 脉宽调制技术（pwm）的优点脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10hz，通常调制频率为1khz到200khz之间。许多微控制器内部都包含有pwm控制器。例如，microchip公司的pic16c67内含两个pwm控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行pwm操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： 1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期；2、在pwm控制寄存器中设置接通时间；3、设置pwm输出的方向，这个输出是一个通用i/o管脚；4、启动定时器；5、使能pwm控制器；pwm的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是pwm相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将pwm用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的rc或lc网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，pwm既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。pwm驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等5。5 脉宽调制技术控制cpu fan的基本思想5.1 pwm风扇接口技术cpu工作时会产生热量，如果不及时给其散热会导致死机。如果cpu长时间工作在高温环境下会严重影响cpu的使用寿命。甚至可能导致cpu的烧毁。一般情况下cpu的温度的温升应该在30度范围内。如当前室内温度为25度，那么cpu的耐收温度为60度。cpu表层覆盖着一层导热性良好的铜镍合金。合金和cpu fan之间一般会涂一层导热硅脂。当cpu温度升高时，温度会传导给其表层的铜镍合金，合金再通过导热硅脂把热量传给一种铝制散热片，最后再由cpu fan将热量吹走。最开始的时候计算机内的风扇大多是两芯的，一红一黑，其中红色的是+12v电流接入，黑色的为地线。慢慢的cpu fan发展到3芯设计，它在原来两根线基础上加入了一颗蓝线（或者是白线），主要的目的是侦测风扇的转速。那么到了如今lga775处理器的时代，风扇的线缆变成了四根线。和以前3芯相比，多出了一根黄色的线。 经过仔细的研究，就会发现了这种四芯风扇的特殊之出可以控制转速。cpu fan的电动机是流无刷电动机。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并且向着节铜，节材制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。首先，pwm风扇调节风扇转速是直接从cpu获取温度信息，在风扇上无任何测温装置。根据不同的cpu温度，温控风扇会有不同的转速调节与之对应，并且风扇的转速变化可以做到四级五级，甚至更多，基本上是无极变速的感觉。由于是脉宽信号的实时调节，风扇转速的变化非常灵敏，转速和cpu温度的变化几乎是同步的。第二，pwm风扇在计算机待机的时候，可以保持在一个非常低的转速上。例如原包的intel风扇，在待机时候，cpu温度在四五十度以下，其转速仅为一千多转，大大降低了运转的噪音。而设计的最高转速为四千多转每分，只有在cpu温度接近极限温度，即65-67度时候，才会出现。相比传统的温控风扇有着更大的转速控制范围，更好的解决了噪音和性能的问题。第三，pwm温控风扇在开机的瞬间，转速会提升到最高，持续数秒后，降低到待机的低转速水平。这个特点也是pwm智能温控风扇的最明显特征，可以用来判断风扇和主板是不是真的具有pwm功能，或者其功能是否有故障，甚至可以用来作为真假散热器的参考判断标准6。新一代的lga775主板将会改用全新的4pin接口散热器。新的4pin接口将提供pwm(风扇转速模组)，新一代pwm模组采用以电源的频率范围来调整其功率，而没有采用较为常见的减少电压方式，令风扇不会因为经常改变电压而损坏。在很多i915/i925x主板来看，未来风扇的接口将逐渐从3pin向4pin转变。它们的电路原理图分别如图5.1和图5.2所示。图5.1 3pin cpu fan电路原理图图5.2 4pin cpu fan电路原理图2004年intel最大的一个