冷却ファンの PID制御 (1) / ファンモータ PWM駆動回路

冷却ファンの回転数を検出し、PID制御する回路を作ります。

以前から何度か回してみている冷却ファン。こいつの PWM駆動はやりましたけど、回転数を検出するのは、これまでちゃんとやってなかったです。そこで、ファンの回転数を検出してフィードバック制御するための回路と、 Arduino での PID制御のスケッチを作ってみることにしました。

まず最初は、ファンを回して回転数センサから出力を取りだし、表示するための回路を作ります。

回転数を検出する方法
回路図
次回はじっさいにファンを動かしてみましょう

回転数を検出する方法

試してみるのは、ジャンク箱にある FHP-7543 という Core2 Duo の冷却フィンに付属してたファン。

仕様は、ほとんどわかりません (；´Д｀)

電源が 12V、0.6A。コネクタは 4ピンなので、回転数制御は PWM で、回転数センサがついている、のだろう、と。回転数は 1500rpm ぐらいかな？回転数センサは、1回転で 2パルス出力するんだとか、どこかのサイトで見たような気がしてます。とすると、毎秒 50パルス (pps) ぐらいで、周期は 20ms ってあたりでしょうか。
品番が違っても、CPU の冷却ファンだから似たり寄ったりな。

回転数を検出する方法は 2つ。ひとつは、一定期間のパルス数をカウントする方法。もうひとつは、パルスの周期を測定する方法。

パルス数をカウントする場合、サンプリング周期を 1秒間としても 50パルスしかないので、1パルス変化するだけで、1分間換算で 60パルスの変化になる。あまりに粗いので、うまくないです。
パルス周期を測定するには、Arduino の pulseIn() 関数が利用できる。こいつはマイクロ秒オーダーで検出できるので、10μs の変化で毎分 1.5パルス分。これなら解像度は充分じゃないでしょうか。

ということで、パルス周期から回転数を検出することにしましょう。

回路図

最終的な回路ではありません。とりあえず、回転数センサの出力を確認するための回路です。といっても、もちろん、最終的な形をイメージしながら。

ファンを PWM制御で駆動する回路

ファンを回転させるのは、過去記事の回路を使います。過去記事で作った回路は図1 のとおりです。

このままでもよいのですが、周波数調整用の R1、VR1 部分は、6.8KΩ にしてしまいましょう。制御用の周波数は 25KHz ですが、かなりラフなので、ボリュームで調整する必要はないです。

トランジスタ Q1、Q2 は、コンデンサ C1 を充電するための定電流回路。C1 の電圧をコンパレータ U1 で比較、3.5V に達したら放電して、のこぎり波を発生させます。のこぎり波はコンパレータ U2 に入力し、速度調整用ボリューム VR2 による基準電圧と比較されて PWM制御信号になります。

PWM制御信号は、ツェナーダイオード ZD1 (3.3V) で電圧を落としていますが、このあたりの仕様はよくわかっていません。入力電圧は 3.3V、とどこかのサイトで見たのでそうしています。ただ、ツェナーダイオードに流している電流が少ないので、実測値では 2.6V ほどです。
開放時にテスターであたると 4V ぐらいを示すので、もっと高くてもいいのかも。ちなみに、5V かけると、3V あたりで波形に段ができます。これが気になるので、やっぱり 3.3V でいきます。