CN103790846B - 风扇转速控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种风扇转速控制方法与装置。风扇转速控制装置根据目标装置的温度而输出风扇转速控制信号，以根据风扇转速控制信号控制至少一风扇的转速。所述风扇转速控制方法包括下列步骤。首先，检测目标装置的实际功率。然后，根据目标装置的实际功率调整风扇转速控制信号，其中目标装置的实际功率与风扇转速控制信号呈现负相关。

Description

风扇转速控制方法与装置

技术领域

本发明是有关于一种风扇控制技术，且特别是有关于一种可根据目标装置的实际功率来调整风扇转速控制信号的风扇转速控制方法与装置。

背景技术

目前电脑装置普遍皆安装有散热装置（例如散热片、风扇…等），而在这些散热装置中，风扇是不可或缺的一项重要零件之一。因为风扇可有效地将电脑装置内部零件及/或装置所产生的热源排除在电脑装置壳体之外，从而让电脑装置中的各个零件及/或装置能够正常地运作。以目前普遍使用的比例积分微分（proportional-integral–differential,PID）控速风扇来看，其可根据温度的改变来产生脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）信号或脉宽调制值，并利用脉宽调制信号或脉宽调制值来控制并调节风扇的转速。例如，当脉宽调制值提高时，风扇转速对应提升。而当脉宽调制值降低时，风扇转速对应降低。

在一般的PID控速风扇运作模式下，当电脑装置中的某一零件或装置的温度较低时，通常电脑装置会将此零件或装置所对应的脉宽调制值调低，以降低风扇转速以及因风扇运转而产生的噪音，并节省风扇运转所需的电力。但是，对于温度变化较为剧烈的零件或装置来说，上述运作机制并不适当。举例来说，假设电脑装置内的中央处理器（centralprocessingunit,CPU）因其负载（loading）降低而降低温度时，此时电脑装置会对应地降低脉宽调制值，以通过脉宽调制值降低风扇转速。但是，假设中央处理器因突然地负载提升而导致其温度急遽升高，此时透过传统的PID控制机制可能会无法即时地将风扇的转速提高至合适的转速，而无法对中央处理器进行有效地散热，进而导致当机或装置受损。

为了避免上述问题产生，对于电脑系统中温度变化较为剧烈的零件或装置来说，一般会将其对应的脉宽调制值调高，或直接将风扇在一般状态下的转速调高。但是，此种作法也同时造成了不必要的电力消耗与风扇运转的噪音。

因此，如何在调节电脑装置中零组件的温度与节省风扇运转所消耗的电力之间取得平衡，实为本领域研发人员所致力的重要课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种风扇转速控制方法与装置，可有效地降低因目标装置的温度大幅的提升而造成损害的风险。

本发明提出一种风扇转速控制方法，适用于风扇转速控制装置，其中风扇转速控制装置根据目标装置的温度而输出风扇转速控制信号，以根据风扇转速控制信号控制至少一风扇的转速，所述风扇转速控制方法包括下列步骤。检测目标装置的实际功率。根据目标装置的实际功率调整风扇转速控制信号，其中目标装置的实际功率与风扇转速控制信号呈现负相关。

在本发明的一实施例中，所述根据目标装置的实际功率调整风扇转速控制信号的步骤包括下列步骤。根据目标装置的实际功率产生温度控制参数。根据温度控制参数调整风扇转速控制信号。

在本发明的一实施例中，所述目标装置的实际功率与温度控制参数呈现正相关，并且温度控制参数与风扇转速控制信号呈现负相关。

在本发明的一实施例中，所述根据目标装置的实际功率产生温度控制参数的步骤包括下列步骤。根据目标装置的最大功率与实际功率产生温度控制参数。

在本发明的一实施例中，所述根据目标装置的最大功率与实际功率产生温度控制参数的步骤包括下列步骤。根据方程式产生温度控制参数，其中方程式为PTC=PTCmax-Kc×(Pmax/P)，其中PTC为温度控制参数，PTCmax为温度控制参数预设的最大值，Kc为调整系数，Pmax为目标装置的最大功率，并且P为目标装置的实际功率。

本发明另提出一种风扇转速控制装置，适用于根据目标装置的实际温度而输出风扇转速控制信号，以根据风扇转速控制信号控制至少一风扇的转速，所述风扇转速控制装置包括检测模块与控制模块。检测模块用以检测目标装置的实际功率。控制模块耦接检测模块，用以根据目标装置的实际功率调整风扇转速控制信号，其中目标装置的实际功率与风扇转速控制信号呈现负相关。

在本发明的一实施例中，所述控制模块根据目标装置的实际功率产生温度控制参数，并根据温度控制参数调整风扇转速控制信号。

在本发明的一实施例中，所述目标装置的实际功率与温度控制参数呈现正相关，并且温度控制参数与风扇转速控制信号呈现负相关。

在本发明的一实施例中，所述控制模块根据目标装置的最大功率与实际功率产生温度控制参数。

在本发明的一实施例中，所述控制模块根据方程式产生温度控制参数，并且方程式为PTC=PTCmax-Kc×(Pmax/P)，其中PTC为温度控制参数，PTCmax为温度控制参数预设的最大值，Kc为调整系数，Pmax为目标装置的最大功率，并且P为目标装置的实际功率。

基于上述，本发明的风扇转速控制方法与装置，其可检测目标装置的实际功率，并以目标装置的实际功率来适应性地调整风扇转速控制信号。藉此，当目标装置的实际功率较小时，本发明可适应性地调高风扇转速控制信号，以对目标装置随时可能会大幅提升的温度作散热准备。当目标装置的实际功率较大时，本发明则适应性地调低风扇转速控制信号。藉此，在目标装置的温度稳定下来后，本发明可调节风扇转速，以减少因维持过高的风扇转速而造成的多余系统耗能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例所绘示的风扇转速控制装置的功能方块图。

图2为根据本发明的一实施例所绘示的风扇转速控制方法的流程示意图。

图3为根据本发明的一实施例所绘示的实测结果示意图。

【主要元件符号说明】

10：风扇转速控制装置

11：目标装置

12：风扇

101：检测模块

102：控制模块

301~305：曲线

S202、S204：本发明一实施例的风扇转速控制方法各步骤

具体实施方式

一般来说，比例积分微分（Proportional-Integral-Differential,PID）控速风扇主要是由PID控制器（PIDcontroller）以及风扇所组成。PID控制器可根据温度传感器所感测的温度而输出风扇转速控制信号，而风扇可根据PID控制器输出的风扇转速控制信号来调节风扇转速。上述风扇转速控制信号例如是以脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）信号或脉宽调制值的形式存在。详细来看，PID控制器主要是由比例控制器（Proportionalcontroller）、积分控制器（Integralcontroller）以及微分控制器（Differentialcontroller）所组成，而可将比例控制器、积分控制器以及微分控制器各别的输出结果合并成为PID控制器的输出信号（以下统称为脉宽调制信号PWM），以通过脉宽调制信号PWM来控制风扇的转速。

在连续时间系统（ContinuousTimeSystem）下，比例积分微分控制器可以通过以下方程式来产生于时间t时的PWM(t)：

$\mathrm{PWM}\left(t\right)=\mathrm{Kp}\×e\left(t\right)+\mathrm{Ki}\×\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Kd}\×\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{PWM}\left(0\right)$

在方程式(1-1)中，Kp、Ki以及Kd分别为比例系数、积分系数以及微分系数，而可分别用以对方程式(1-1)中的各项数值进行微调。此外，e(t)为于时间t时以感测到的温度减去一预设值而获得的温度误差值。值得一提的是，以一般的PID控制器来看，上述预设值通常是固定值（例如，-10），而无法适应性地对其调整。

另一方面，在离散时间系统（DiscreteTimeSystem）下，可将方程式(1-1)转换为如下：

$\mathrm{PWM}\left(k\right)=\mathrm{Kp}\×e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\×\underset{n=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(n\right)+\mathrm{Kd}\×[e\left(k\right)-e(k-1)]+\mathrm{PWM}\left(0\right)(1-2)$

其中，系数Kp、Ki以及Kd已于方程式(1-1)中做过说明，故在此不再赘述。而对应于方程式(1-1)中的e(t)，方程式(1-2)中的e(k)则用以表示将第k个感测温度减去上述预设值而获得的温度误差值。

接着，将k-1取代k代入方程式(1-2)中，则产生如下方程式：

$\mathrm{PWM}(k-1)=\mathrm{Kp}\×e(k-1)+\mathrm{Ki}\×\underset{n=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(n\right)+\mathrm{Kd}\×(e(k-1)-e(k-2))$

$+\mathrm{PWM}\left(0\right)---(1-3)$

然后，为了取得PWM(k)与PWM(k-1)之间的PWM改变量，将方程式(1-2)与方程式(1-3)相减，可得到以下方程式：

ΔPWM=PWM(k)-PWM(k-1)=Kp×[e(k)-e(k-1)]+Ki×e(k)+Kd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](1-4)

在方程式(1-4)中，由于e(k)表示将第k个感测温度减去一预设值而获得的温度误差值，因此可将e(k)以T(k)-SP、e(k-1)以T(k-1)-SP以及e(k-2)以T(k-2)-SP代入方程式(1-4)中，而可得到以下方程式：

ΔPWM=PWM(k)-PWM(k-1)=Kp×[T(k)-T(k-1)]+Ki×[T(k)-SP]+Kd×[T(k)-2e(k-1)+T(k-2)]

(1-5)

其中，T(k)表示第k个感测温度，且SP表示固定的预设值（例如，-10）。由方程式(1-5)可知，当SP值设定越大时，ΔPWM的变化量越小。而当SP值设定越小时，ΔPWM的变化量越大。也就是说，SP值的设定大小与ΔPWM的变化量成反比。假设电脑装置内的中央处理器（centralprocessingunit,CPU）因其暂时的负载（loading）降低而降低温度时，此时电脑装置会对应地降低脉宽调制值，以通过降低后的脉宽调制值降低风扇转速。但是，当中央处理器因突然地负载提升而导致其温度急遽升高时，若不即时地将风扇的转速提高至合适的转速，将无法对中央处理器进行有效地散热，并容易导致系统当机或装置受损。

以方程式(1-5)来看，为了在需要提升风扇转速时，可快速地提高PID控制器输出的PWM，一般会通过调低方程式(1-5)中的SP值，来提升ΔPWM的变化量。或者，亦可通过提高风扇的基础转速，来避免无法即时散热的问题。但是，这些作法都需要持续地提高风扇转速，而导致耗能增加的问题。

因此，本发明提出一种风扇转速控制方法，可检测目标装置的实际功率，并以目标装置的实际功率来适应性地调整风扇转速控制信号。例如，当目标装置的实际功率较小时（例如，中央处理器的负载较低时），适应性地调高风扇转速控制信号，以对目标装置随时可能会大幅提升的温度作散热准备。当目标装置的实际功率较大时（例如，中央处理器的负载较高时），则适应性地调低风扇转速控制信号。藉此，当目标装置的功率突然大幅提升时，本发明可基于调高后的风扇转速控制信号而快速地将其提升至适当大小，以提升风扇转速而对目标装置进行散热。另外，在目标装置的温度稳定下来后，本发明可调节风扇转速，以减少因维持过高的风扇转速而造成的多余系统耗能。

图1为根据本发明的一实施例所绘示的风扇转速控制装置的功能方块图。请参照图1，在本实施例中，风扇转速控制装置10、目标装置11以及风扇12可以设置于各式电子装置中，其中电子装置例如是笔记型电脑（notebook）、平版电脑（TabletPC）、桌上型电脑、工业用电脑或伺服器主机等各式可安装风扇以作为散热之用的电子装置。而目标装置11可以是各式电子装置中的零件或装置，例如中央处理器、电源供应器（powersupply）、显示卡（displaycard）、网卡（networkcard）等各式芯片、接口（interface）卡以及各式电脑装置中普遍存在的各种零件或装置等，本发明不对其限制。此外，风扇12可以是各种可根据风扇转速控制信号（例如，PWM）而调节风扇转速的各式风扇装置，并且，本发明不限制目标装置11与风扇12的数量。

具体来看，在本质上，风扇转速控制装置10可根据目标装置11的温度而输出风扇转速控制信号PWM，以根据风扇转速控制信号PWM控制风扇12的转速。一般来说，当目标装置11的温度上升时，风扇转速控制装置10会对应提高风扇转速控制信号PWM的值（以下统称为PWM），以通过较高的PWM来控制风扇提高转速。而当目标装置11的温度下降时，风扇转速控制装置10会对应降低PWM，以通过较低的PWM来控制风扇降低转速。关于上述，详细的实施方式可参考前述说明与传统的PID控制技术，在此不再对其赘述。

值得一提的是，风扇转速控制装置10包括检测模块101与控制模块102，且检测模块101耦接至控制模块102。在本实施例中，检测模块101可以是以硬体实施的功率检测装置，而控制模块102可以是微控制器（micro-controller）、嵌入式控制器（embeddedcontroller）或中央处理器（centralprocessingunit,CPU）等，但本发明可实施方式并不对限定于上述。或者，检测模块101与控制模块102也可以是储存在电子装置10的硬盘或存储器中的固件程序或软件模块，而可载入至风扇转速控制装置10的处理器，而执行上述功能。

图2为根据本发明的一实施例所绘示的风扇转速控制方法的流程示意图。以下将以图1搭配图2来对本发明实施例的风扇转速控制装置10与风扇转速控制方法进行详细说明。请同时参照图1与图2，在步骤S202中，检测模块101检测目标装置11的实际功率，并将检测到的目标装置11的实际功率传送至控制模块102。接着，在步骤S204中，控制模块102根据目标装置11的实际功率调整风扇转速控制信号PWM。特别是，在本实施例中，目标装置12的实际功率与风扇转速控制信号PWM是呈现为负相关（negativecorrelation）或称为反比。换句话说，当目标装置11的实际功率提升时，控制模块102会对应于目标装置11提升后的实际功率，调低风扇转速控制装置10对应于目标装置11的温度所输出的风扇转速控制信号PWM。另外，当目标装置11的实际功率降低时，控制模块102会对应于目标装置11降低后的实际功率，调高风扇转速控制装置10对应于目标装置11的温度所输出的风扇转速控制信号PWM。

具体来看，在本实施例中，控制模块102可以根据目标装置11的实际功率产生温度控制参数PTC，并根据温度控制参数PTC来调整风扇转速控制信号PWM。而本实施例中提及的温度控制参数PTC实质上的功用，则类似于方程式(1-5)中的SP，而可用以决定PID控制器中的温度误差值。但是，其不同之处在于，本实施例中提及的温度控制参数PTC实质上是根据目标装置11的实际功率而可适应性地产生，其并非固定值。

更详细地来看，为了提升计算上的精确度，控制模块102还可以根据目标装置11的最大功率与实际功率来产生温度控制参数PTC。例如，控制模块102可以根据以下方程式来产生温度控制参数PTC：

PTC=PTCmax-Kc×(Pmax/P)(2-1)

其中，PTCmax为温度控制参数预设的最大值，用以避免产生的温度控制参数PTC超过温度控制参数预设的最大值。Kc为调整系数，其中，Kc可以是零或大于零的任意数值。例如，当Kc为零时，PTC为等于PTCmax。当Kc由零开始逐渐增加时，PTC会对应地变大。Pmax为目标装置11的最大功率，并且P为目标装置11的实际功率。

由方程式(2-1)可知，目标装置11的实际功率与温度控制参数PTC呈现为正相关（positivecorrelation），而温度控制参数PTC与风扇转速控制信号PWM则呈现为负相关。换句话说，当目标装置11的实际功率降低时，控制模块102会对应于目标装置11降低后的实际功率，来调低温度控制参数PTC，并通过调低后的温度控制参数PTC来调高风扇转速控制装置10对应于目标装置11的温度所输出的风扇转速控制信号PWM。藉此，对于随时可能会大幅提高温度的目标装置11来说，将有助于减少提升风扇转速控制信号PWM所需的时间。另一方面，当目标装置11的实际功率提升时，控制模块102会对应于目标装置11提升后的实际功率，来调高温度控制参数PTC，并通过调高后的温度控制参数PTC来调低风扇转速控制装置10对应于目标装置11的温度所输出的风扇转速控制信号PWM。藉此，在目标装置11的温度达到稳定（例如，目标装置11的温度不超过会导致装置受损的温度）之后，通过调低风扇转速，可有效减少因维持过高的风扇转速而造成的多余系统耗能。

值得一提的是，虽然方程式(2-1)为本发明一实施例中提出的一种可实施方式，但其并非用以限制本发明。也就是说，方程式(2-1)中的各项参数实质上可根据设计上或者实务上的需求而加以增减或调整，本发明并不对其限制。换言之，本发明的精神在于根据目标装置11的实际功率而调整风扇转速控制信号PWM，因此任何可根据目标装置11的实际功率而调整风扇转速控制信号PWM的作法，实质上皆属于本发明的可实施方式之一。

图3为根据本发明的一实施例所绘示的实测结果示意图。请参照图3，曲线301为本实施例中对应于目标装置（例如，目标装置11）的风扇转速控制信号与时间的关系曲线图，其中风扇转速控制信号的参照值为图3的左边纵轴，且其是以PWM来表示。曲线302为本实施例中目标装置（例如，目标装置11）的温度与时间的关系曲线图，其中目标装置（例如，目标装置11）的温度感测值请参照图3的右边纵轴，其是以PID控制技术中的感测参数来表示。曲线303是表示以传统的PID控制技术来进行的实验中，目标装置的风扇转速控制信号与时间的关系曲线图。而曲线304则是表示以传统的PID控制技术来进行的实验中，目标装置的温度与时间的关系曲线图。另外，图3横轴的时间单位是以秒（second）为单位。

以曲线301与曲线303来看，在641秒之前，由于目标装置（例如，目标装置11）的实际功率较小，因此曲线301对应的PWM（约50）较曲线303对应的PWM（约25）高。此外，由于曲线301对应的PWM较曲线303对应的PWM高，使得曲线301对应的风扇转速也较曲线303对应的风扇转速来得高，故曲线302对应的目标装置（例如，目标装置11）的温度也较曲线302对应的温度低。

接着，在641秒左右，由于目标装置（例如，目标装置11）的负载大幅增加，导致曲线301与曲线303开始大幅上升。以曲线301与曲线303来看，在641秒之后，由于曲线301开始上升时的PWM（约50）较曲线303开始上升时的PWM（约25）来得高，因此曲线301对应的PWM上升至适当的PWM所需的时间较曲线303对应的PWM上升至适当的PWM所需的时间来得短，而可较为快速地对目标装置（例如，目标装置11）进行散热。更清楚的来看，当目标装置（例如，目标装置11）的温度突然大幅上升时，对于传统的PID控制技术来说，PWM需提升的量为ΔPWM1，很明显的多于本发明中PWM所需提升的量（即，ΔPWM2）。

另外，以曲线302与曲线304来看，在641秒之前，由于曲线302对应的温度较曲线304对应的温度低，因此在风扇根据提升后的PWM而提升转速以对目标装置（例如，目标装置11）进行散热后，曲线302所对应的温度下降速度也较曲线304所对应的温度下降速度来得快。此外，在641秒左右，曲线302的最高点所对应的温度参数（约-4）高于曲线302的最高点所对应的温度参数（约-6），表示本发明的确可有效地对温度变化较为剧烈的目标装置（例如，目标装置11）进行散热。

然后，在目标装置（例如，目标装置11）的温度稳定下来之后，以曲线301与曲线303来看，由于目标装置（例如，目标装置11）保持在高负载与高功率的状态，使得曲线301对应的PWM较曲线303对应的PWM来得低，导致曲线301对应的风扇转速也较曲线303对应的风扇转速来得低，表示本发明的确可在目标装置的温度达到稳定后降低风扇转速，而有效地节省耗能。特别是，再以曲线302来看，在目标装置（例如，目标装置11）的温度稳定下来之后，曲线302所对应的温度始终保持在适当的范围内，表示虽然本发明使得风扇的转速下降，但仍然可有效地避免因目标装置地温度过高而导致受损。

此外，假设曲线301是采用方程式(2-1)的实施方式而产生的，则对应于方程式(2-1)中的调整系数Kc，当调整系数Kc增大时，则可对应产生曲线305。而曲线305的特性类似于曲线301，在此不再对其赘述。

综上所述，本发明实施例的风扇转速控制方法与装置，可检测目标装置的实际功率，并以目标装置的实际功率来适应性地调整风扇转速控制信号。例如，本发明的实施例可根据目标装置的实际功率来产生温度控制参数，并根据温度控制参数来调整风扇转速控制信号。当目标装置的实际功率较小时，本发明可适应性地调高风扇转速控制信号，以对目标装置随时可能会大幅提升的温度作散热准备。此外，当目标装置的实际功率较大时，本发明则可适应性地调低风扇转速控制信号。藉此，本发明也可在目标装置的温度达到稳定之后，适应性地降低风扇转速，以减少因维持过高的风扇转速而造成的多余系统耗能。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种风扇转速控制方法，适用于一风扇转速控制装置，该风扇转速控制装置根据一目标装置的温度而输出一风扇转速控制信号，以根据该风扇转速控制信号控制至少一风扇的转速，其特征在于，所述风扇转速控制方法包括：

检测该目标装置的实际功率；以及

根据该目标装置的实际功率调整该风扇转速控制信号，其中该目标装置的实际功率与该风扇转速控制信号呈现负相关。

2.如权利要求1所述的风扇转速控制方法，其特征在于，根据该目标装置的实际功率调整该风扇转速控制信号的步骤包括：

根据该目标装置的实际功率产生一温度控制参数；以及

根据该温度控制参数调整该风扇转速控制信号。

3.如权利要求2所述的风扇转速控制方法，其特征在于，该目标装置的实际功率与该温度控制参数呈现正相关，并且该温度控制参数与该风扇转速控制信号呈现负相关。

4.如权利要求2所述的风扇转速控制方法，其特征在于，根据该目标装置的实际功率产生该温度控制参数的步骤包括：

根据该目标装置的最大功率与该实际功率产生该温度控制参数。

5.如权利要求4所述的风扇转速控制方法，其特征在于，根据该目标装置的最大功率与该实际功率产生该温度控制参数的步骤包括：

根据一方程式产生该温度控制参数，

其中该方程式为：

PTC＝PTCmax-Kc×(Pmax/P)，

其中PTC为该温度控制参数，PTCmax为该温度控制参数预设的一最大值，Kc为一调整系数，Pmax为该目标装置的最大功率，并且P为该目标装置的实际功率。

6.一种风扇转速控制装置，适用于根据一目标装置的实际温度而输出一风扇转速控制信号，以根据该风扇转速控制信号控制至少一风扇的转速，其特征在于，所述风扇转速控制装置包括：

一检测模块，用以检测该目标装置的实际功率；以及

一控制模块，耦接该检测模块，用以根据该目标装置的实际功率调整该风扇转速控制信号，其中该目标装置的实际功率与该风扇转速控制信号呈现负相关。

7.如权利要求6所述的风扇转速控制装置，其特征在于，该控制模块根据该目标装置的实际功率产生一温度控制参数，并根据该温度控制参数调整该风扇转速控制信号。

8.如权利要求7所述的风扇转速控制装置，其特征在于，该目标装置的实际功率与该温度控制参数呈现正相关，并且该温度控制参数与该风扇转速控制信号呈现负相关。

9.如权利要求7所述的风扇转速控制装置，其特征在于，该控制模块根据该目标装置的最大功率与该实际功率产生该温度控制参数。

10.如权利要求9所述的风扇转速控制装置，其特征在于，该控制模块根据一方程式产生该温度控制参数，并且该方程式为：

PTC＝PTCmax-Kc×(Pmax/P)，

其中PTC为该温度控制参数，PTCmax为该温度控制参数预设的一最大值，Kc为一调整系数，Pmax为该目标装置的最大功率，并且P为该目标装置的实际功率。