CN101208856B - 自校准风扇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自校准风扇。公开了供冷却电子电路使用的自校准、连续变速风扇。在初始通电时，在已知温度的环境中，自校准风扇通过从其热敏电阻阵列读取电压并将实际值与给定温度的期望值相比较，为其电子部件的容限做出调节。差值然后被存储在微控制器的非易失性存储器中，供调整将来的来自热敏电阻阵列的电压读数使用。在正常操作中，被调整的来自热敏电阻阵列的读数然后被微控制器转换成用于驱动冷却风扇的电机的控制信号。从而建立对风扇电机速度的调整和温度读数之间的快速循环的随机过程，由此对要被冷却的装置保持高度的控制。

Description

自校准风扇

技术领域

本发明针对供冷却在电子设备中建立的电路使用的风扇。更特别地，本发明提供能够通过使用成本有效的中低容限元件部分(componentry)而不采用电路微调或舍弃大量的单元、实时响应要被冷却的区域或装置的环境温度中的细微波动的高度精确且高度热敏的电子冷却风扇。

背景技术

现代电子装置具有在长时间工作时保留热的倾向，这种倾向最终妨碍设备的适当的功能。因此需要诸如风扇的内部冷却系统以维持系统完整性并确保适当的性能。但是，冷却风扇带来一系列缺点，其中最显著的是不希望有的噪声和不必要的功率消耗。当要求风扇以单一速度运行或保持关时，这些缺点特别明显。为了克服这些缺点，构思了变速风扇。

但是，即使对于变速风扇的设计也在以足够的精度测量要被冷却的区域或电路的温度时存在困难。在较宽的温度范围上进行校准测量会十分困难和昂贵-特别是考虑到为了节省成本测量电路的元件部分常被制造为中低容限。因此，构思了能够以高度成本有效的方式在较宽的温度范围上校准温度测量的连续变速风扇。

相关技术属于两大类：具有速度控制的风扇和用于传感器设备的校准装置。

具有速度控制的风扇

关于具有速度控制的风扇的相关技术包含智能风扇系统，该智能风扇系统包含具有存储器的微控制器和对包含与其连接的温度感测装置的主计算机系统的接口。通过通信信号，微控制器通过使用存储在存储器中的速度-温度曲线、响应被检测的温度、根据多个控制指令调整风扇电机的转速。各控制器是风扇专用的，即，主机设计专用的外部风扇控制器板以控制专用风扇。通过在制造时设计各个外部风扇控制器，实现与温度输入匹配的适当的电压和随后的风扇电机旋转。

相关技术还公开了供计算机使用的冷却风扇速度控制。在检测系统配置后的自动模式中，从存储在存储器中的风扇速度表将冷却风扇开始速度取入系统控制器中。在操作期间，冷却风扇速度响应由环境空气温度传感器感测的温度升高或降低。在制造期间，适当的风扇速度表被写入控制器的存储器中，并且很容易在任何时间被重写以反映数据的变化。

在相关技术中还公开了用于冷却建筑物或其它住宅内的诸如房间的建筑空间的微处理器控制的风扇。该风扇具有响应控制信号并被具有第一和第二端子和第一预定频率的电源激发的电机。该系统需要：用于选择希望的温度并提供代表其的第一电信号的装置、用于感测实际温度并提供代表其的第二电信号的装置、和优选为微处理器的用于接收、采样和解释第一和第二电信号的装置。微处理器从而关于测量的差值的大小控制风扇的速度。

通过使用用于通过控制驱动室内吹风机的电机的速度或转矩确定加热、通风和空调(HVAC)单元的气流速度的系统控制信号，驱动HVAC的室内吹风机的系统也是可用的。具有可选的模数编解码器和可编程非易失性(PVN)存储器的微处理器根据可被存储在PVN中的各种系统参数，使用电机控制信号控制电机的操作。电机控制信号响应诸如由恒温器提供的温度信号的系统控制提供的多个系统控制信号、通过微处理器被提供给用于速度或转矩控制的电转换电机(ECM)。微处理器响应系统控制信号限定ECM的操作代码。诸如恒温器的系统控制器激活指示电机在某一速度或转矩下操作的空调命令，以驱动风扇在某一时间周期内传送规定的气流。

传感器设备的校准

传感器设备的技术还包括校准计算机系统中的模拟传感器测量的方法。通过将诸如温度(环境温度或特定电路部件的温度)或电压的模拟传感器测量，与通过从在制造过程中存储在存储器中的一组曲线限定的值读取两个这种值(诸如斜率和截距)产生的校准曲线相比较，产生校准的测量。在制造过程中取得的至少两个基准传感器测量的结果与校准刻度相比较，然后用于通过使用初始校准的值的线性算法校准可能不精确的系统内模拟传感器测量。在操作期间，通过使用模拟传感器测量结果和从存储装置读取的限定曲线的值计算校准的结果。在制造过程期间，通过首先使计算机机箱内的环境温度达到已知的校准的温度并然后执行传感器测量操作，进行各温度测量。

相关技术还公开了用于冷却建筑物或其它住宅内的诸如房间的建筑空间的微处理器控制的风扇。该风扇具有响应控制信号并被具有第一和第二端子和第一预定频率的电源激发的电机。该系统包括：用于选择希望的温度并提供代表其的第一电信号的装置、用于感测实际温度并提供代表其的第二电信号的装置、和优选为微处理器的用于接收、采集和解释第一和第二电信号的装置。微处理器从而关于测量的差值的幅度控制风扇的速度。

相关技术还公开了用于通过将热敏电阻与连续测量热敏电阻的电阻中的变化并反过来驱动压缩机离合器和冷凝器的电子控制器相连指示致冷剂温度的装置。通过在恒温空气在热敏电阻上流动时测量热敏电阻的电阻并然后将测量的值与标准值相比较，在安装时校准热敏电阻。基于比较的校正系数然后可被存储在微型计算机中或外部介质上的非易失性存储器中，供后面的校准使用。对于校准，优选在25℃的温度下在热敏电阻上流动恒温气体，并且热敏电阻在较低的自热水平下操作。在稳定后，热敏电阻的电阻被测量并与已知的标准或标称值相比较。比较的结果被存储在非易失性存储器或诸如非易失性存储器的外部存储器中的微处理器中，并在以后在控制系统的操作期间被用作校正系数。当产生校准信号时，微处理器将测量的热敏电阻的电阻与存储在查找表上的标称值相比较，然后在微处理器的非易失性存储器或诸如非易失性存储器的外部存储器中存储差值作为校正系数。

发明内容

本发明公开了用于自校准供冷却在电子设备中建立的电路使用的变速风扇的装置和方法。本发明通过微调风扇速度响应要被冷却的区域或部件的环境温度的变化，以根据需要容纳更多或更少的冷却能力，由此在所述区域或电路中保持精确的温度。风扇作为由诸如热敏电阻、热敏电阻阵列或等效装置的温度感测分支电路测量的温度的函数增加电机的转速。与现有的风扇不同，可以在值的连续谱上而不仅仅在离散的间隔改变风扇速度-由此使冷却能力最大化同时使诸如噪声和功率消耗的不希望的效应最小化。

另外，本发明教导这样的机制，即，容许风扇为特定的自校准温度计算特定的速度值，并由此为包含于其构成的电子部件内的制造容限做出调整。风扇在首先通电时被放在固定温度区域中。对电路的初始容限进行补偿的误差偏移值然后通过存储在微控制器中的软件程序被存储在非易失性存储器中。然后通过使用存储的偏移值校正正常操作模式期间的随后的温度测量。由此可在限制制造成本的同时获得对风扇速度的高度精确的控制。自校准风扇由此消除对制造阶段中的昂贵的校准技术的需求-诸如使用昂贵的具有低容限的部件或舍弃大量的不能接受的单元的电路微调-因为通过使用偏移值可以对合理范围内的任何容限进行补偿。

附图说明

图1是表示公开的装置的实施例的电路图。

图2是表示公开的方法的校准例程的流程图。

图3是采样温度与风扇速度之间的曲线图。

图4是由风扇使用的软件要素的示图。

具体实施方式

图1通过其中包含的电路元件的示意图说明要求权利的装置。诸如热敏电阻、热敏电阻阵列或其它等效装置的温度感测分支电路13通过温度信号线15被固定到微控制器12上。微控制器12还通过交换信号线(commutation-signal line)16与风扇电机14连接。温度感测分支电路13用于读取要被冷却的区域、装置或电路中的温度。温度信号线13向微控制器12发送从温度感测分支电路13两端读取的电压。微控制器12实施许多任务，这些任务包含但不限于：确定装置是否已被校准；存储偏移值以对温度感测分支电路13内的容限进行补偿；调整从温度感测分支电路13两端读取的电压值，以达到调整的湿度；计算与调整的温度对应的电机速度；产生交换信号以通过交换信号线16发送给风扇电机14；和在重复这些过程中的一个或多个过程之前等待时间间隔。

根据现有技术中公知的方法，图2中示出的其它要素包含用于检测在计算和修改交换信号中使用的实际电机速度的大厅(hall)监视器20。还示出在通过现有技术中公知的方法产生交换信号并将其传送给电机14中使用的逻辑与门21和22。另外示出现有技术中公知的标准直流无刷电机的要素。美国专利No.6,611,117 B1公开了用于用驱动电路控制无刷直流电机的方法和装置。该专利在这里被加入作为参考，并且充分详细地说明了用微控制器有效运行无刷直流电机需要的附加软硬件要素。

在图2中的流程图中给出用于自校准在冷却电子装置中使用的冷却风扇的方法。为了保证精确校准，在图2的步骤1中，风扇首先优选在25℃的温度下被放入已知、固定和稳定温度的区域中，该区域诸如热浴槽、固定温度的区域或者甚至温度稳定的工厂车间。作为替代方案，可以在热敏电阻或热敏电阻阵列13上流动固定温度的空气，以实现相同的结果。在本发明的一个实施例中，固定温度区域的温度必须是事先已知的，以被编程为微控制器代码17。当风扇在步骤2中首先被通电时，自校准过程发生，并在步骤5、6和7中进入校准模式。

当微控制器12-通过当风扇在操作模式中运行时从被闲置用于存储偏移值18的可编程非易失性存储器读取的微控制器代码17-在步骤3中从偏移值存储器位置18执行读取功能时，一旦风扇上电(power-up)，就开始如图2的步骤5、6和7中说明的校准模式。由于没有值被存储在偏移存储器位置18中，因此读取功能将返回零的结果或一些其它的规定值，向微控制器12表示必须进行校准以产生适当的偏移值。作为替代方案，一旦在随后出现上电，读取功能就返回非零结果，表示风扇操作要在操作模式中前进并绕过校准模式。该分支判定逻辑在图1中被示为步骤4。

步骤5、6和7中的实际校准然后随微控制器12前进(同样通过控制器代码17)，从而在步骤5中实现来自温度感测分支电路的端子两端的电压读数。由此实现固定温度区域的温度读数，但该读数包含与元件部分的容限对应的误差部分。该读数然后被传送回微控制器12。

根据微控制器代码17，微控制器12然后在步骤6中比较读取的温度值和已包含在程序中并被存储在存储器中的与固定温度区域1对应的理想值。测量电压和期望电压之间的差值提供精确的偏移值，该偏移值是温度感测电路中固有的制造容限的原因。该偏移值然后在步骤7中被存储在微控制器12内的可编程非易失性存储器的指定位置18中供随后的风扇速度计算使用。从而完成校准模式，并且风扇准备好进入图2中的步骤8～11所示的操作模式。

由于偏移值被存储在非易失性存储器中，因此，将来的从存储器位置的读数将返回非零结果(在除最不可能的元件部分具有完全为零的容限的情况以外的所有情况下)，由此在将来上电时绕过校准模式并在步骤7中直接进入操作模式，其中，偏移值将被用于调整所有随后的来自温度感测分支电路13的端子两端的电压读数。

自校准风扇的一个实施例在被放在温度稳定的环境中时包含用于取得温度感测分支电路两端的实际和理想电压读数之间的差值的多个读数的装置。该装置伴随在微控制器代码17中包含以下附加指令：用于在程序流程已在步骤5～7中进入校准模式时在步骤24中初始化、在步骤25中增加或减少校准计数器的附加指令；用于在已执行在步骤5中读取实际电压、在步骤6中与理想电压比较和在步骤7中存储偏移量的连续回路后、在步骤26中确定校准计数器是否已达到其最大值的附加指令。以这种方式，偏移电压值的多个读数可被取得，然后在步骤27中被平均、被加权或被另外处理，并被存储为用于调整在操作模式中取得的将来温度读数的实际偏移值。由此在测量偏移量时获得更大的精度。

另外，本发明的发明人预见，作为用于实践本发明的替代性实施例，可包含手动实现风扇的再校准的手段，使得可以在多个时间而不只是自动在初始上电时进行再校准。这种手段包含：在微控制器代码17中包含询问是否在步骤23中指示手动再校准的附加指令。作为例子而不是限制，再校准的这种指示可取得指定引脚29上的信号的不当的(foul′)微控制器读数，该引脚29被固定在适于诸如接地的无张力(no-pull)、单投(single-throw)开关的简单的用户可操作输入装置的端子28上。通过这种手段，用户可通过操纵开关对微控制器12指示对风扇进行再校准。但是，在本实施例中，用户必须知道被编程为微控制器代码17的固定温度值。也可以使用无张力、单投开关以外的用于传达诸如是否校准的二进制运算的其它手段。

随后的手动再校准增加了解预编程的校准温度和在该精确温度保证某一区域的难度。因此，作为替代性的实施例，可以使用将用户限制(peg t)为将要在校准中使用的区域的固定温度手动输入到微控制器存储器的手段。这种手段在现有技术中是公知的，并可通过使用小型键盘、一个或更多个拨码开关(DIP Switch)、较小的刻度盘或变阻器、键盘或微键盘、一般为RS232端口、12C端口、ConBus端口、USB端口的串行通信端口或用于将单个数据字段输入微控制器上的存储器位置的其它等效手段来实现。作为替代方案，可通过被编程为读取所述区域或装置的温度并通过上述通信端口将这种数据传达给微控制器的低容限、高精度热探针自动输入校准温度。可以由再校准这里公开的类型的风扇的技术人员为特殊的用途制造这种类型的探针。通过该手段，技术人员不管在何时何地以及任何合理的温度都可实现随后的风扇的手动再校准-不必知道被编程的校准温度或不必在该值保证校准区域。

在步骤8～11的操作模式期间，热敏电阻或热敏电阻阵列13已在风扇的安装过程中被放在诸如计算机的母板或其它热敏电路的要被冷却的装置的附近。作为替代方案，热敏电阻或热敏电阻阵列可被加入温度要被监视的电路中。另外，热感测分支电路13可与被安装在要被冷却的区域、部件或电路内部的风扇14的插孔(hub)连接。热敏电阻或热敏电阻阵列13两端的电压然后被读取并通过温度控制信号15被发送给微控制器12。为了对温度感测电路中的已知容限进行补偿，微控制器12然后通过控制代码17用偏移值调整温度控制信号15，以产生代表真实温度的输出值。然后，使用调整的“真实”温度，微控制器咨询同样被存储在存储器中或包含在控制代码17中的用于绘制电机速度与温度的关系曲线的速度表、公式、子程序或其它手段19(作为例子而非限制，诸如由图3表示)，用于通过特定的频率或一些其它的等效手段的交换信号16产生被传送到冷却风扇的电机14的电机速度值。作为替代方案，微控制器代码17可包含用于从输入温度15计算风扇速度的子程序19。风扇电机14然后被激活，使得其速度是电机速度或交换信号16的函数。

在控制代码的程序设计13中包含的设定的时间间隔取得另一温度读数-这种间隔的范围是从几个微控制器时钟周期到诸如几秒、几分钟或甚至更长的时间的可观察时间时隔。并且，间隔不需要被固定，但可根据公式、数据表或其它等效可变手段被设定。通过上面概述的过程，电机速度从而被复位，并且，在步骤11中建立温度读数和电机速度设置的随机过程，直到风扇断电。步骤11中的该随机过程由此在所述区域或装置中允许紧密控制的温度。

图3以纯数学的形式示出供微控制器12使用的典型的电机速度与温度的关系曲线。该电机速度与温度关系曲线可以以多种方式被加入装置中，这些方式包括但不限于：数据表19、计算机代码子程序19、和微控制器代码17中的命令行。电机速度与温度关系曲线接收调整的温度作为输入并产生风扇电机的速度设置作为输出。

图4表示公开的发明的独特的软件要素。存储在微控制器12或其它位置中的可编程、非易失性存储器中的是微控制器代码17、指定的存储器位置18和温度与电机速度数据表或子程序19。微控制器代码17用于配合校准和控制风扇电机所需要的各种功能驱动微控制器。这些功能包含但不限于：如在步骤5和步骤8中从温度感测分支电路两端读取电压；在步骤6中将读取的电压值与期望的电压值相比较；在步骤7中将由此获得的偏移量存储在特定的存储器位置18中；在步骤9中用偏移值调整读取的电压值；在步骤10中控制风扇速度；和在步骤11中以固定的可变间隔重复读取温度、对电压偏移量进行调整和控制风扇速度的步骤。偏移值存储器位置18是存储器中的指定位置，用于存储表示在给定的温度下从温度感测分支电路1两端读取的电压和在该温度下的期望值之间的差值的电压值。偏移值提供调整电压以允许装置的电路内的制造容限的常规方式，该制造容限包含但不限于来自温度感测分支电路13的制造容限。温度与速度数据表或子程序19代表用于从给定的温度值输入产生电机速度值输出的计算机存储器手段。封装在温度与速度数据表或子程序中的函数作为例子可表示为图3中包含的曲线。构想几种用于实现从输入温度到输出风扇速度的绘制的手段。这种手段包含数据表、计算机代码子程序、被加入微控制器代码的主体内的一个或更多个行或者甚至物理手段。

Claims (20)

1.一种用于自校准电子冷却风扇的微控制器驱动的方法，包括：

在风扇通电时从存储器读取存储的偏移值；

确定风扇的操作应在校准模式中还是在操作模式中前进；

如果在校准模式中：

测量温度感测分支电路上的电压值；

将所述测量的电压值与理想的电压值相比较，以确定两个电压值之间的偏移值；

在可编程的非易失性存储器中保存所述偏移值；和

终止在校准模式中的操作，并由此开始在操作模式中操作；

如果在操作模式中：

测量温度感测分支电路上的电压；

通过加或减存储在存储器中的偏移值，调整所述测量的电压值；和

根据用于描绘风扇电机速度与温度的关系的数据表、计算机代码子程序和计算机代码指令行中的一个，使用调整的电压值，控制风扇速度。

2.根据权利要求1的方法，其中，在校准模式中，该方法还包括以下步骤：

将对电压的所述测量、对电压的所述比较和对偏移值的所述保存的步骤重复确定的次数；

计算由此保存的偏移值的平均值；和

在存储器中存储平均值用作操作模式期间的偏移值。

3.根据权利要求1的方法，其中，在风扇通电时，该方法还包括以下步骤：

在所述操作模式中测量温度感测分支电路上的电压之前，确定校准模式是否通过用户输入被指示；如果是，则进入校准模式。

4.根据权利要求1的方法，其中，在校准模式中，理想电压值通过通信端口、开关、拨码开关、探针和键盘中的至少一个被输入存储器中。

5.根据权利要求1的方法，其中，在风扇的初始通电时从存储器读取的存储的偏移值返回零值，指示没有校准发生并且校准模式应开始。

6.根据权利要求1的方法，其中，在风扇的随后通电时从存储器读取的存储的偏移值返回非零值，指示校准已发生并且操作模式应开始。

7.根据权利要求1的方法，其中，在操作模式期间，该方法还包括重复以下步骤：

对电压的所述测量；

用偏移值对电压的所述调整；和

用调整的值对风扇速度的所述控制，直到装置的操作被终止。

8.根据权利要求7的方法，其中，测量、调整和控制的步骤的重复根据固定或可变时间间隔中的任一种发生。

9.一种用于自校准电子冷却风扇的电子电路，包括：

温度感测分支电路，该温度感测分支电路用于测量要被冷却的装置、区域或电路的温度；

微控制器，该微控制器与温度感测分支电路连接，用于控制电路内的信号、用偏移值调整测量的电压值、和确定操作应在校准模式中还是在操作模式中前进；和

风扇，该风扇具有电控制的电机并与微控制器连接，用于向要被冷却的所述装置、区域或电路提供气流，

其中，该电子电路能够自校准以应对其温度读数灵敏度中的容限、读取要被冷却的所述装置、区域或电路的温度，以及然后在随后调节风扇电机速度中使用校准数据。

10.根据权利要求9的电子电路，其中，微控制器包含微控制器代码、用于存储偏移值的指定的存储器位置、和用于根据限定的速度-温度曲线描绘风扇电机速度与温度的关系的子程序、一个或多个包含数据表的存储器位置和微控制器指令代码行中的至少一个。

11.根据权利要求10的电子电路，其中，在电路初始通电时，微控制器执行指定的偏移存储器位置的读取功能，并将读取的值与指定的值相比较，以确定是在校准模式还是操作模式中开始操作。

12.根据权利要求10的电子电路，其中，在电路的随后的通电时，在读取偏移值并将读取的值与指定的值相比较以确定是进入校准模式还是操作模式之后，微控制器检测重新开始校准模式是否被指示，如果是，那么开始校准模式，如果不是，那么开始操作模式。

13.根据权利要求12的电子电路，其中，通过读取来自用户接口的信号，微控制器检测重新校准是否被指示。

14.根据权利要求10的电子电路，其中，在校准模式期间，微控制器：

通过温度信号线测量温度感测分支电路两端的电压值；

将测量的电压值与理想的电压值相比较；

计算偏移值作为测量的电压值和理想的电压值之间的差值；

在指定的存储器位置中存储偏移值；以及然后开始操作模式。

15.根据权利要求14的电子电路，其中，理想的电压值通过通信端口、开关、拨码开关、探针和键盘中的至少一个被输入。

16.根据权利要求15的电子电路，其中，在校准模式期间，微控制器执行以下附加步骤：

初始化校准计数器变量；

增加校准计数器变量；

重复对电压值的所述测量、所述比较以及对偏移值的所述计算和所述存储步骤；

测试校准计数器变量是否达到其指定的终止值；

当校准计数器变量达到其指定的终止值时，从存储在存储器中的偏移值中的每一个计算被加权处理的平均偏移值；

在存储器中存储平均偏移值；

终止校准模式，由此进入操作模式；和

当在操作模式中时然后使用平均偏移值作为偏移值。

17.根据权利要求15的电子电路，其中，在操作模式期间，微控制器：

测量温度感测分支电路两端的电压；

通过从测量的电压值加或减存储在指定的存储器位置中的偏移值，计算调整的电压值；

通过使用调整的值和用于描述风扇电机速度与温度的关系的数据表、子程序和微控制器指令代码行中的至少一个，计算风扇电机速度；和

经由通过计算的风扇电机速度建立的交换信号控制风扇电机速度。

18.根据权利要求17的电子电路，其中，在给定的时间间隔之后，微控制器重新测量温度感测分支电路两端的电压、计算调整的电压值、计算风扇电机速度和通过交换信号控制风扇电机速度。

19.根据权利要求18的电子电路，其中，给定的时间间隔是固定或可变的时间间隔中的一种。

20.根据权利要求13的电子电路，其中，所述用户接口是开关、拨码开关和键盘中的一个。

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