为什么你的离心风扇仿真总不准？建模方法与调速策略深度拆解

作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站莱歌数字有视频教程~~实际项目中对电子产品热管理要求相对比较苛刻的情况对风扇噪声、使用寿命要求比较高的产品比如笔记本、VR等设备一般会采用支持调速控制的风扇。某厂PWM脉冲信号控制四线风扇其基本工作原理是四根线中有两根为正负极一根为信号输出线最后一根为信号输入线。四线风扇是通过产生PWM脉冲信号控制风扇转速不同的占空比对应不同的转速。控速较为精准且可以实时读取当前风扇转速。在做仿真之前我们应该先了解风扇的基础知识明白其工作原理以及关键参数这样不管用什么软件都可以得心应手详情可点击下方链接了解。关于电子产品中风扇应用的基础知识以下内容分三部分仿真建模、调速策略、仿真验证。一、仿真建模在flotherm软件中建模通过分析离心机的上下面为进风口侧面出风的原理如下图所示图片来源于网络在借助flotherm自带的智能元件以堆积木的方式进行建模如下图所示仿真出来的流场分布图需要注意的是supply是出风口的位置从上图流场离子分布图可以看出。其他设置和轴流风扇类似比如对于非线性风扇的PQ曲线设置可以手动输入几个关键点也可以导入PQ曲线的csv文件进行创建。关于风扇的工作点查看方式一样如上图所示。在Icepak软件建模下面以文字形式给大家分享几点关键内容如下图所示第一种离心风机模型第二种离心风机模型PQ曲线设置与轴流风机的类似不过在icepak里面和flotherm的设置方式有点差异具体可以去软件里面看如下图所示。PQ曲线设置其他的参数比如发热量出风角度等可依据实际风扇选型来设置即可。其他参数设置用外部工具进行设置后导入通过blower工具在其中输入相关的长宽高、进风口、出风口等尺寸不明白的可以依据右边图像提示进行设置。然后点击generate floxml文件即可导出这个离心风扇的模型。然后导入flotherm即可。也可以通过我们的自定义库直接拖拽过去。莱歌数字VIP会员仿真模型库持续更新二、调速策略接下来从调速控制的步骤、温度感应检测点布局、实例等几个方面进行说明。1.目标控速步骤1)结合产品要求确定温控策略(环境温度控制转速或者芯片温度控制转速)并划分温度区间范围和风扇的转速档位环境温度控制转速测试不同环境温度下对应的可解决设备散热的风扇转速和此时温度传感器的读数记录下来作为算法输入数据芯片温度控制转速根据产品在不同环境温度下的噪音要求测试对应的芯片温度和风扇转速作为算法输入数据2)根据第1步获得的测试数据协同软件工程师将算法写入操作系统3)复测算法:环境温度控制转速改变环境温度验证是否满足要求芯片温度控制转速改变环境温度或更换负载来改变芯片温度验证是否满足要求风扇速度调控步骤流程图2.温度感应布局1芯片内置温感内置于芯片内部无需设置。在选择参考温度时推荐选择散热风险最高芯片的温感度数作为风扇调速依据;2)PCB环境温感用于测量单板上局部环境温度放置在被其它元器件影响的最小区域一般为设备入风口处3)芯片周围温感用于间接反映芯片温度放置在芯片下风口处距离5mm以内比较合适;4)可插拔式环境温感侦测温点放置在风速较大、不受其它元器件的温度影响最能反馈局部环境空气温度的位置如下图示意图所示某服务器内部元器件布局VS温感点设定3.温度测试与转速对应关系以某电子产品散热设计为例假设其工作温度范围为-5℃~40℃强迫风冷设计。在考虑使用风扇转速调控策略时需要考虑其工作的环境温度25℃为参考基准。首先在PCB板上合适位置加置环境温度传感器见上述2温度感应布局根据产品特点将其工作温度范围划分区间此处以25℃和40℃为上下界限5℃为区间长度划分5个区间根据自己项目实际情况进行划分然后可通过实际测试或软件仿真在上述各温度区间内调整风扇转速直至设备各元器件、表面等关键部分的散热表现合理记录此时转速和温度传感器的结果。测试结果中风扇转速与温度监测值对应关系如上表所示可作为算法设计输入。4.风扇转速范围设定Fan table有了输入之后接下来根据如下步骤进行风扇转速范围与温度对应关系设定即Fan table。划分风扇档位设置合理的目标温度;读取温感数值计算实时数值与目标温度的差值根据差值确定风扇转速调整范围。以某笔记本散热设计风扇转速与温度监测值对应关系首先将风扇的转速分为五个档位如下风扇转速档位划分表所示某笔记本散热风扇转速与温度监测值对应关系根据温度感应侦测到的温度值比如低于50℃时此时元器件的温度相对较低风扇可以关闭不工作此时节省系统整体功耗以及噪音。当侦测到元器件温度超过50℃时风扇启动开始工作当超过75℃时达到满负荷运转即风扇的最高转速此时的噪音最大风扇的寿命也会受影响。所以此设定表的最后有个保护机制当超负荷运行时由程序控制自行关闭系统减少设备过热、风扇长时间狂转的情况发生。其实最终都是让风扇以合适的转速解决整体系统的散热同时达到降低噪音和延长风扇使用寿命的目的。上述介绍的控速策略、步骤过程中难免会出现一些异常情况核心在于侦测点、温度感应点的布局是否能真正反馈了系统内部关键元器件的真实温度。这也进一步导致风扇转速调控的复杂性。比如上述某笔记本风扇调速Fan table在确定此表之前我们需要做大量的仿真、或者测试来调整风扇转速范围、以及温度目标设定的关联。在较为合理、理想环境下风扇的转速和系统整体散热表现关联比较规律但实际上当风扇处于不同档位提高相同百分比或者数值的档位对系统整体散热能力的影响可能不一致。鉴于此风扇转速的调节需要使用相对更灵敏准确的算法。在过程控制中按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单易于实现适用面广控制参数相互独立参数的选定比较简单等优点而且在理论上可以证明对于过程控制的典型对象──“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象PID控制器是一种最优控制。其控制系统原理结构框图如下图所示PID控制系统原理结构框图基于传统PID控制算法的响应曲线在电子产品风扇控速中PID调速算法的设计过程一个相当复杂的过程需要大量的测试数据作为参考。所以实际项目执行过程中这部分得花很多精力来确认不然给出的关系表不正确后续的程序写进去也会导致很多返工。当然有时也可根据项目实际要求对调速算法做适当简化比如只用比例积分控制或者比例微分控制等在工作效率与方案效果方面做平衡。三、仿真验证本文以Flotherm为例分享关于风扇转速随元器件温度变化的瞬态仿真技术。让大家了解对于实际项目过程的Fan table确认后如果通过仿真进行验证确认。根据这个结果可以在研发设计端制定相关的测试标准、要求给到质量测试部门避免扯皮。闲言少叙我们切入正题。笔记本离心扇与散热模组图之前我们做笔记本的风扇Fan table设定也就是风扇的转速会根据模型中侦测的元器件监控点的温度升高而加大随其温度降低而变小。在Flotherm中对于风扇随元器件温度变化的瞬态仿真。这里我们采用假设条件分析软件仿真实验确定。关于瞬态分析我们之前公众号分享过相关内容可点击下方链接了解详情。关于瞬态分析仿真技术的经验总结与实例分析目前项目过程中遇到比较多的以脉冲为主大家可以根据项目实际情况进行选择设置。这里我们假定热源的变化是脉冲形式如下图所示风扇转速随热源温度变化的关系如下图所示在风扇附件属性中新建一个瞬态函数关系式勾选激活VS温度并设置需要关联的元器件温度侦测点然后设置其关联关系如下图所示瞬态温度表设置示意如上图所示即根据设计的Fan table数据配置参数左侧为参数列表右侧为其曲线。做瞬态分析需要提前打开系统的瞬态模式开关如下图所示最终运行的温度监控曲线如下图所示此方法可在其它项目散热仿真时做参考具体参数依据实际情况设定即可感兴趣的可自行代入项目中如有问题需要技术支持可后台私信。