CN101749839B - 模拟自然风的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟自然风的装置，包括：电机；控制装置，连接至电机，用于输出电机控制信号，以控制电机的转速；以及传感装置，用于检测电机的状态信息，并连接至控制装置，将状态信息反馈至控制装置，其中，控制装置根据状态信息，来对电机的转速进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种送风装置和方法，更具体地，涉及一种模拟自然风的装置和方法。
背景技术
目前在室内环境中所使用的空调大多是仅有定向、摆动送风和方向选择变化的机械风送风模式，送风方式单调、吹风感受差，长时间容易产生吹风不适的感觉，而且往往会因为室内环境中空气流动速度过低，频率变化小，与自然环境差异较大，长期处于这样的热中性环境中，使人体缺少适当刺激，会引起人们对自然环境变化适应能力的降低，导致人体体温调节和抵抗力衰退，而使人们易患感冒和中暑等疾病。
送风动态化技术指通过控制装置改变气流流速，来产生风速随时间变化的气流，风速呈正弦波动、脉动波动、随机波动的气流和我们常说的仿自然风均属于动态风范畴。送风动态化可以有效改善使用者对环境沉闷、单调的抱怨，能够在很大程度上减小病态建筑综合症的发生，提高室内人员对气流的可接受程度。
实用新型专利[ZL200510086921.5]“一种个体化空调系统的末端动态送风装置”通过把自然风、正弦风、脉冲风、随机风气流的动态风样本风速信号存储在单片机的存储器中，执行器读取数字量的风速信号，经D/A模块转换为模拟量，作为电压放大电路或变频电路的输入信号，控制变速电机的转速，产生自然风、正弦风等动态化气流。该装置的控制方法属于动态送风，但所产生的动态风都与自然环境的动态气流有较大的差异，达不到真正自然风的舒适性；对电机的转速控制采用开环控制，控制准确度难以保证，导致控制信号与输出风速之间失真现象明显。
发明内容
本发明的目的是为空调系统的末端(如风扇，空调送风端)送风提供一种响应迅速准确度高的解决方案，使末端出风为具有自然风紊动特征的动态气流，提高吹风者的舒适感觉。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种模拟自然风的装置，包括：电机；控制装置，连接至电机，用于输出电机控制信号，以控制电机的转速；以及传感装置，用于检测电机的状态信息，并连接至控制装置，将状态信息反馈至控制装置，其中，控制装置根据所述状态信息，来对电机的转速进行控制。
其中，所述控制装置包括：存储模块，用于存储多个自然风风速样本信号；随机模块，用于向控制装置随机输出多个自然风风速样本信号中的一个；转换模块，用于根据所述自然风风速样本信号与所述电机转速信号之间的对应关系，将自然风风速样本信号转换为所述电机给定转速信号；比较模块，用于对所述电机给定转速信号和由传感装置获取的实际转速信号进行比较，得到转速偏差；以及调节模块，用于根据转速偏差来调节电机控制信号。
此外，还可以包括：驱动电路，连接至控制装置和电机之间，用于接收电机控制信号，并对其进行功率放大；逆变电路，连接至驱动电路和电机之间，用于根据所述功率放大的电机控制信号，将电源功率分配给所述电机各相绕组，以驱动电机。
本发明另一方面提供了一种模拟自然风的方法，包括以下步骤：步骤一，从多个自然风风速样本信号中随机选择一个，以控制电机的转速；步骤二，将由一个自然风风速样本信号转换的所述电机给定转速信号与由传感装置获取的实际转速信号进行比较，得到转速偏差；步骤三，根据转速偏差，调节电机控制信号，以调节电机的转速；以及步骤四，当达到预定时间时，返回步骤一，而当未达到所述预定时间时，返回步骤二。
其中，步骤三进一步包括：使用驱动电路接收电机控制信号，并对电机控制信号进行功率放大；使用逆变电路将电源功率分配给所述电机各相绕组，以驱动电机。
本发明与现有技术相比具有以下优点及突出效果：与常规的送风装置相比，装置响应迅速，能够真实再现控制信号，具有体积小、噪音低的优点；以单片机为控制核心，采用整体设计，把电机的驱动功能与自然风模拟功能做在一个系统中，减少了数字量与模拟量之间相互转换的信息丢失，且生产成本低；风速控制采用闭环控制，准确度高，产生的动态气流与实际风速差异小；单片机存储的森林风、海洋风、草原风等动态风样本风速信号，属于真实的自然风，吹风感受好，舒适性高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为根据本发明的模拟自然风装置的硬件结构示意图；
图2为根据本发明的模拟自然风方法的程序流程图；
图3为根据本发明的模拟自然风方法的控制过程示意图；
图4为根据本发明的开关电源的电路图；
图5为根据本发明的逆变电路的电路图；以及
图6为根据本发明的驱动电路的电路图。
具体实施方式
如图1、图3所示，单片机内部存储器中存储有森林风、海洋风、草原风等自然风样本，首先通过实验建立风速与电机转速的数量对应关系，系统运行时，每间隔时间T提取一个风速信号，通过对应关系得到一个电机转速，将其作为电机的给定速度，同时通过霍尔传感器检测电机的实际转速，根据两者的偏差来调整单片机PWM占空比的大小，对电机实际转速进行实时校正，精确输出风速。
在自然环境中，自然风是一个连续的随机过程。但用于自然风模拟的控制信号样本是一个在有限时间内的离散数据样本，要实现对自然风的模拟，首先必须解决有限数据样本的周期性问题。本方案在保证自然风样本频谱特征不变的前提下，采用可变化数据样本、将样本数据首尾相连、任意拾取起点数据，然后通过顺序或倒序的方法加以解决。
如图1所示，本方案以单相交流电(220V/50Hz)为输入电源，经开关电源转换后，得到单片机工作需要的+5V电压，驱动电路所需的+15V电压，以及无刷直流电机的输入电压，以上三种电压均为直流电压。逆变电路或变频电路和驱动电路根据单片机的跟定信号控制无刷直流电机转动，带动扇叶产生动态气流，输出自然风。同时霍尔传感器检测出电机的转速，输入到单片机中。单片机是控制的核心，其内部存储器中存储有自然风的风速样本信号，提取样本时通过随机化过程处理解决输出周期性的问题，再通过对应关系得到电机转速，作为速度调节器的给定值，与霍尔传感器测得实际转速比较，输出PWM信号，控制电机的转速，这个过程如图2所示。
对于图1中的开关电源，如图4所示，交流220V经二极管整流得到直流电压，通过大电容滤波平稳后分为两路，一路加到逆变电路顶端，作为逆变电路的直流输入电压；另一路作为开关电源的输入，经TOP243Y、高频变压器以及TL431等元件构成的开关电源电路变换出两路直流电压：+15V、+12V。+15V作为驱动电路中芯片的输入电压，+12V经LM7805变换得到+5V，作为单片机及外围电路的电源电压。
对于图1中的逆变电路，图5为三相全桥逆变电路，Q1、Q3、Q5为上桥臂MOSFET，Q2、Q4、Q6为下桥臂MOSFET，任一时刻只有两个MOSFET导通，何时开通哪两个MOSFET开通由电机中霍尔传感器的输出信号来决定，通过MOSFET的开关组合把直流电压分配给电机的三相绕组，驱动电机运转。采样电阻用于检测电机绕组的电流。
对于图1中的驱动电路，图6为逆变电路其中一相MOSFET管的驱动电路，其他两相电路结构相同，只是输入信号不同。图3中P1、P2为单片机输出的控制信号，P1为PWM信号，P2为普通高低电平。IR2103S把单片机的输出信号进行功率放大，开通和关闭MOSFET。其中P1为高电平时Q1开通，为低电平时Q1关闭；P2为高电平时Q2关闭，为低电平时Q2开通。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种模拟自然风的装置，其特征在于，包括：
电机；
控制装置，连接至所述电机，用于输出电机控制信号，以控制所述电机的转速；以及
传感装置，用于检测所述电机的状态信息，并连接至所述控制装置，将所述状态信息反馈至所述控制装置，
其中，所述控制装置根据所述状态信息，来输出不同的电机控制信号，从而对所述电机的转速进行控制，
其中，所述控制装置包括：
存储模块，用于存储多个自然风风速样本信号；以及
转换模块，用于根据所述自然风风速样本信号与所述电机给定转速信号之间的对应关系，将所述自然风风速样本信号转换为所述电机给定转速信号。
2.根据权利要求1所述的模拟自然风的装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
随机模块，用于向所述控制装置随机输出所述多个自然风风速样本信号中的一个；
比较模块，用于对所述电机给定转速信号和由所述传感装置获取的实际转速信号进行比较，得到转速偏差；以及
调节模块，用于根据所述转速偏差来调节所述电机控制信号。
3.根据权利要求2所述的模拟自然风的装置，其特征在于，还包括：驱动电路，连接至所述控制装置和所述电机之间，用于接收所述电机控制信号，并对其进行功率放大。
4.根据权利要求3所述的模拟自然风的装置，其特征在于，还包括：逆变电路，连接至所述驱动电路和所述电机之间，用于根据所述功率放大的电机控制信号，将电源功率分配给所述电机各相绕组，以驱动所述电机。
5.根据权利要求4所述的模拟自然风的装置，其特征在于，所述传感装置是霍尔传感器。
6.根据权利要求4所述的模拟自然风的装置，其特征在于，所述电机是无刷直流电机。
7.一种模拟自然风的方法，其特征在于，包括利用权利要求1至6中任一项所述的模拟自然风的装置执行的以下步骤：
步骤一，从多个自然风风速样本信号中随机选择一个，以控制电机的转速；
步骤二，将由所述的一个自然风风速样本信号转换的所述电机给定转速信号与由传感装置获取的实际转速信号进行比较，得到转速偏差；
步骤三，根据所述转速偏差，调节电机控制信号，以调节所述电机的转速；以及
步骤四，当达到预定时间时，返回步骤一，而当未达到所述预定时间时，返回步骤二。
8.根据权利要求7所述的模拟自然风的方法，其特征在于，步骤三进一步包括：
使用驱动电路接收所述电机控制信号，并对所述电机控制信号进行功率放大。
9.根据权利要求8所述的模拟自然风的方法，其特征在于，步骤三进一步包括：
使用逆变电路将电源功率分配给所述电机各相绕组，以驱动所述电机。
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