CN106996384A - 定风量风扇控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种定风量风扇控制方法，用于解决风量无法固定问题，该方法的步骤包含：一定速步骤，一控制器依据一预定占空比驱使一马达运转，判断该马达的工作电流是否小于一目标电流，若是，进行该定速步骤，若否，设定一工作转速，进行一扭转步骤；及该扭转步骤，该控制器依据一第一转速、一第二转速、该工作转速、一第一占空比及一第二占空比获得一目标占空比，依据该目标占空比驱动该马达，判断该马达的转速是否小于该第二转速，若是，设定该工作转速为该马达转速，进行该扭转步骤，若否，进行该定速步骤。借此，可确实解决上述问题。
Description
技术领域
本发明是关于一种风扇控制方法；特别是关于一种定风量风扇控制方法。
背景技术
现有换气扇(ventilator，或称通风机)可由马达带动扇叶旋转，以利将空气通过导管输送至一空间或一设备的腔室，用于换气或排气。举例而言，由于无尘室内的制程设备产生的各种气体需通过排气装置抽至不同设备，当风量太小或抽气不足时，可能会造成设备当机而停产，当风量太大时，会因无尘室内负压增大造成制程成本提高，故有需要发展定风量的换气扇。
现有定风量风扇控制方法可借助弹簧调整风门叶片的翻转角度，以便自动控制通过风门的风量，使通风量趋于固定，其实施例可参酌中国台湾公告第545556号《风门的定风量结构》专利案。
但是，换气扇的通风量与风门开口面积、风压均有关，上述现有风扇控制方法仅能调整风门开口面积，并未对应衡量风压的影响，且控制风量的弹簧会有弹性疲乏现象，实际上难以固定通风量。
有鉴于此，有必要改善上述先前技术的缺点，以符合实际需求，提升其实用性。
发明内容
本发明是提供一种可衡量风压对风量的影响的定风量风扇控制方法。
本发明揭示一种定风量风扇控制方法，可供用于调控风量的一控制器执行，该控制器可内含一运转曲线及一定量曲线，该定量曲线包含一第一交点及一第二交点，该第一交点位于一第一风量与一第一风压交会处，该第一风压的值为零，该第一交点为一第一转速及一第一占空比的函数值，该定量曲线与该运转曲线交会于该第二交点，该第二交点位于一第二风量与一第二风压交会处，该第二风压的值大于该第一风压的值，该第二交点为一第二转速、一第二占空比及一目标电流的函数值，该第一风量及该第二风量介于一定量范围内，该方法的步骤可包含：一定速步骤，该控制器依据一预定占空比驱使一马达运转，判断该马达的工作电流是否小于该目标电流，若判断为是，再次进行该定速步骤，若判断为否，设定一工作转速介于该第一转速与该第二转速之间，进行一扭转步骤；及该扭转步骤，该控制器依据该第一转速、该第二转速、该工作转速、该第一占空比及该第二占空比获得一目标占空比，依据该目标占空比驱动该马达，判断该马达的转速是否小于该第二转速，若判断为是，设定该工作转速为该马达的转速，再次进行该扭转步骤，若判断为否，再次进行该定速步骤。
所述定量范围可为一目标风量于一比率变动而含括的范围；所述定量曲线可为介于上述定量范围内的直线或曲线；所述目标占空比是以查表或方程序计算方式获得，如：依据上述工作转速、上述第一转速、上述第二转速、上述第一占空比及上述第二占空比以内插法或线性回归法计算获得。借此，可利用简易换算方式取得该目标占空比，减少该目标占空比取得的时间，以便即时调控该马达的运转速度。
所述马达电性连接一电流计及一转速计，上述控制器电性连接该马达、该电流计及该转速计，该控制器可由该电流计取得该马达的工作电流，该控制器可由该转速计取得该马达的转速；该控制器可为一微控制器或一数位信号处理器；该电流计、该转速计及该控制器可整合于一电路板，该电路板可设置于该马达或一风扇内部。借此，可简化风量调控过程所需的硬体架构，有利于降低大量生产时的制造成本。
所述定速步骤前进行一设定步骤，以上述控制器设定一第一定量参数组及一第二定量参数组，该第一定量参数组内含上述第一转速及上述第一占空比，该第二定量参数组内含上述第二转速、上述第二占空比及上述目标电流。借此，可自动建立客观且标准化的参数产生过程，避免人为估测过程造成误差，可提高产品稳定度。
上揭定风量风扇控制方法可利用风扇马达运转的工作电流作为评估风扇所处位置的静压(即马达负载)，并依据事先测得的运转曲线产生该目标占空比，依据该目标占空比驱动马达，并利用该马达的转速评估风量(风量与转速成正比)，据此调整该目标占空比调控风扇马达的转速，使得风扇输出的风量趋于定值(即目标风量)。借此，本发明定风量风扇控制方法可衡量风压对风量的影响，并可达到「无论风扇所处位置的风压如何变动，均可维持输出风量趋于定值」功效，以便适用于需维持输出风量的空调或排气等装置。
附图说明
图1：是本发明定风量风扇控制方法实施例的系统方块图。
图2：是本发明定风量风扇控制方法实施例的运转曲线与定量曲线的示意图。
图3：是本发明定风量风扇控制方法实施例的运作流程图。
【符号说明】
﹝本发明﹞
1 风量控制系统
11 马达 12 电流计
13 转速计 14 控制器
C 目标电流
D1 第一占空比 D2 第二占空比
Dn 目标占空比
P1 第一风压 P2 第二风压
Pn 第三风压
PQ1 第一交点 PQ2 第二交点
PQn 第三交点
R1 第一转速 R2 第二转速
Rn 工作转速
Q 目标风量 Q1 第一风量
Q2 第二风量 Q3 第三风量
QA 定量范围
S0 设定步骤 S1 定速步骤
S2 扭转步骤
U1 运转曲线 U2 定量曲线。
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
本发明全文所述的方向性用语，例如「前」、「后」、「左」、「右」、「上(顶)」、「下(底)」、「内」、「外」、「侧」等，主要是参考附加图式的方向，各方向性用语仅用以辅助说明及理解本发明的各实施例，非用以限制本发明。
本发明全文所述的「风量」(wind volume)，是指单位时间内空气的流通量，如：风扇每分钟送出或吸入空气的总体积，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。
本发明全文所述的「风压」(wind pressure)，是指垂直于气流方向的平面所受到的空气压力，如：建筑物的墙面受到的空气压力，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。
请参阅图1所示，其是本发明定风量风扇控制方法实施例的系统方块图。其中，该方法实施例可利用一风量控制系统1实施，该风量控制系统1可包含：一马达11、一电流计12、一转速计13及一控制器14，该马达11可为现有风扇马达，该马达11可配合其他风扇构件驱使空气流动，该马达11电性连接该电流计12及转速计13；该电流计12可为现有电流感测元件等，用以感测该马达11的工作电流；该转速计13可为现有转速感测元件，如：霍尔元件(hall device)等，用以感测该马达11运转时的转速；该控制器14电性连接该马达11、电流计12及转速计13，该控制器14可为具有资料储存、处理及信号产生功能的控制装置，如：微控制器(MCU)或数位信号处理器(DSP)等，用以控制该马达11的运转型态，但是不以此为限。借此，可简化风量调控过程所需的硬体架构，有利于降低大量生产时的制造成本。
在此实施例中，该马达11的一定子(stator)可设置于一风扇的一扇框(frame)内，该马达11的一转子(rotor)可结合一扇轮(impeller)；该电流计12、转速计13及控制器14可整合于一电路板(PCB)，该电路板可设置于该马达11或风扇内部，该控制器14可执行一风控程序(wind control program)，用以调控该风扇的风量，该控制器14可储存用于控制风量的参数等资料，如：该控制器14可内含一预定占空比(preset duty cycle，如：1-99％)、一运转曲线(operation curve)及一定量曲线(fixed wind volume curve)，用以控制该马达11的转速，使该风扇的风量趋于定值，该预定占空比、运转曲线及定量曲线可预先储存于该控制器14，或通过特殊通讯协定写入该控制器14，以便供相关人员更新资料，但是不以此为限。
请参阅图2所示，其是本发明定风量风扇控制方法实施例的运转曲线与定量曲线的示意图。其中，该运转曲线U1可为上述风扇于正常运转时的风压(wind pressure)与风量(wind volume)的关系曲线，该定量曲线U2可为上述风扇于定风量运转时的风压与风量的关系曲线，该等关系曲线可为上述风扇的风压与风量的测试或模拟结果，如：利用风洞机(wind tunnel)进行测试或利用相关电脑模拟软体(simulation software)产生，但是不以此为限。
举例而言，如图2所示，该运转曲线U1可为该风扇于任何转速(如：额定转速等)运转的风压与风量的关系曲线，该定量曲线U2可为介于一定量范围QA内的直线或曲线，该定量范围QA可为一目标风量(target wind volume)Q于一比率(如：±5％)变动而含括的范围，以便适用于不同定风量需求的场所。该定量曲线U2以直线为例说明，该定量曲线U2可包含一第一交点PQ1、一第二交点PQ2及一第三交点PQn，该第一交点PQ1位于一第一风量Q1与一第一风压(first wind pressure)P1交会处，该第一风压P1的值可为零或接近零的正值，该第一交点PQ1可为一第一转速(first revolution speed)R1及一第一占空比(firstduty cycle)D1的函数值，如：PQ1＝F(R1,D1)；该定量曲线U2与运转曲线U1可交会于该第二交点PQ2，该第二交点PQ2位于一第二风量Q2与一第二风压(second wind pressure)P2交会处，该第二风压P2的值大于该第一风压P1的值，该第二交点PQ2可为一第二转速(secondrevolution speed)R2、一第二占空比(second duty cycle)D2及一目标电流(targetcurrent)C的函数值，如：PQ2＝F(R2,D2,C)；该第三交点PQn可为该定量曲线U2位于该第一交点PQ1与第二交点PQ2之间的任一点，如：该第三交点PQn可位于一第三风量Q3与一第三风压(third wind pressure)Pn交会处，该第三风压Pn介于该第一风压P1与第二风压P2之间，该第三交点PQn可为一工作转速(working revolution speed)Rn及一目标占空比(targetduty cycle)Dn的函数值，如：PQn＝F(Rn,Dn)；其中，该第一风量Q1、第二风量Q2、第三风量Q3皆位于该定量范围QA内，在此例中，该第一风量Q1、第二风量Q2、第三风量Q3皆为该目标风量Q；上述函数值可依实际风扇的特性参数进行调整，在此并不设限。
请参阅图3所示，其是本发明定风量风扇控制方法实施例的运作流程图。其中，该定风量风扇控制方法实施例可供用于调控风量的上述控制器14执行，该方法实施例主要包含一定速步骤S1及一扭转步骤S2，详细说明如后所述，请一并参阅第1及2图所示。
请再参阅图3所示，上述定速步骤S1可由上述控制器14依据上述预定占空比驱使上述马达11运转，并借助上述电流计12判断该马达11的工作电流是否小于该目标电流C，若判断为「是」，该控制器14再次进行该定速步骤S1，若判断为「否」，该控制器14设定该工作转速Rn介于该第一转速R1与该第二转速R2之间，进行上述扭转步骤S2。
请再参阅图3所示，上述扭转步骤S2可由上述控制器14依据上述第一转速R1、第二转速R2、工作转速Rn、第一占空比D1及第二占空比D2获得上述目标占空比Dn，该控制器14依据该目标占空比Dn驱动该马达11，用以判断该马达11的转速是否小于该第二转速R2，若判断为「是」，该控制器14借助上述转速计13载入上述马达11的转速更新该工作转速Rn，再次进行该扭转步骤S2，若判断为「否」，再次进行上述定速步骤S1。在此实施例中，该目标占空比Dn可由该控制器14以查表或方程序计算方式获得，如：计算该工作转速介于该第一转速R1与第二转速R2之间的差值比例，利用该第一占空比D1及第二占空比D2之间的差值比例计算获得该目标占空比Dn，该计算方式可为内插法(interpolation)或线性回归法(linearregression)等方式，其是所属技术领域中具有通常知识者可以理解，在此容不赘述。借此，该控制器14可利用简易换算方式取得该目标占空比，减少该目标占空比取得的时间，以便即时调控该马达的运转速度。
请再参阅图3所示，本发明定风量风扇控制方法实施例在进行上述定速步骤S1之前，还可进行一设定步骤S0，由上述控制器14设定一第一定量参数组及一第二定量参数组，该第一定量参数组内含上述第一转速R1及上述第一占空比D1，该第二定量参数组内含上述第二转速R2、上述第二占空比D2及上述目标电流C。在此实施例中，在风扇进行出厂设定时，可先利用风洞机测试风扇，用以设定该第一定量参数及第二定量参数，并将该第一定量参数及第二定量参数储存于该控制器14，供该控制器14于风扇实际使用时执行上述风控作业程序，使风扇输出的风量自动趋于定值。以下举例说明本发明定风量风扇控制方法实施例的实际使用情形，但是不以此为限。
举例而言，请再参阅图1及2所示，以鼓风扇为例，设定上述参数组之前，使用者可先定义上述第一交点PQ1、第二交点PQ2所含的风压(静压)值及风量值，即上述第一风压P1、第二风压P2及目标风量Q；的后，上述控制器14可驱动上述马达11运转(如：利用PWM信号)，并利用风洞机测得该第一交点PQ1对应的第一转速R1及第一占空比D1，以及，该第二交点PQ2对应的第二转速R2、第二占空比D2及目标电流C，如：开启风洞机的校正模式，记录用于校正该第一交点PQ1、第二交点PQ2所含的静压值及风量值等参数，以便设定上述参数组，如下表一所示，即为校正过程的实验结果，其中，该静压值可能存在些微量测误差，若该静压值接近零(如：表一的编号1的静压值为0.002)，则该第一风压P1的值可视为零，但是不以此为限。
表一校正实验结果表
据此，当上述马达11构成的风扇装设于一物件(如：建筑物的墙面或一电子设备等)时，若供电至该风量控制系统1，则该控制器14的风控程序可进行上述定速步骤S1，用以执行一定速模式(constant speed mode)，依据上述预定占空比(如：20％)驱使上述马达11运转，若该马达11的工作电流小于该目标电流C，可再次进行该定速步骤S1，用以继续驱使该马达11运转，若该马达11的工作电流大于或等于该目标电流C，表示该马达11的转速需被修正。此时，该控制器14可设定上述工作转速Rn介于该第一转速R1与该第二转速R2之间，再进行上述扭转步骤S2，用以执行一扭转模式(torsion mode)，该控制器14可依据上述第一转速R1、第二转速R2、工作转速Rn、第一占空比D1及第二占空比D2获得上述目标占空比Dn，该控制器14可依据该目标占空比Dn驱动该马达11，用以修正该马达11的转速，并判断该马达11的转速是否小于该第二转速R2，若判断为是，该控制器14可载入该马达11的转速做为上述工作转速Rn，并再次进行该扭转步骤S2，若判断为否，该控制器14可再次进行该定速步骤S1，以便持续驱动该马达11，并利用该马达11的工作电流与该目标电流C的关系确认该马达11的转速是否需被修正，但是若该马达11的转速及其对应的风压值接近零，为免该马达11停止运转，该控制器14可用适当的占空比(如：10％)驱使该马达11转动。其中，产生具有占空比(duty cycle)的信号驱动马达，使马达转速到达一预定值的方式是所属技术领域中具有通常知识者可以理解，在此容不赘述。依此类推，即可使风扇输出的风量趋于定值，以便用于需要固定风量的空间或设备等。
承上所述，本发明定风量风扇控制方法实施例可利用风扇马达运转的工作电流作为评估风扇所处位置的静压(即马达负载)，并依据事先测得的运转曲线及定量曲线产生该目标占空比，依据该目标占空比驱动马达，并利用该马达的转速评估风量(风量与转速成正比)，据此，利用该目标占空比调控风扇马达的转速，可轻易地协调马达的动能与周遭环境参数的关系，使得风扇输出的风量趋于定值(即目标风量)。
又，现有未具备定风量功能的风扇，利用其风扇控制器载入上述方法实施例的软体程序，即可具备定风量功能，以便适用于「须延用原有风扇固定风量的设备」的使用需求。
借此，本发明定风量风扇控制方法实施例可衡量风压对风量的影响，可以达到「无论风扇所处位置的风压如何变动，均可适应性地维持输出风量趋于定值」功效，以便适用于需维持输出风量的空调或排气等装置。
Claims (10)
1.一种定风量风扇控制方法，供用于调控风量的一个控制器执行，其特征在于：
该控制器内含一条运转曲线及一条定量曲线，该定量曲线包含一个第一交点及一个第二交点，该第一交点位于一个第一风量与一个第一风压交会处，该第一风压的值为零，该第一交点为一个第一转速及一个第一占空比的函数值，该定量曲线与该运转曲线交会于该第二交点，该第二交点位于一个第二风量与一个第二风压交会处，该第二风压的值大于该第一风压的值，该第二交点为一个第二转速、一个第二占空比及一个目标电流的函数值，该第一风量及该第二风量介于一个定量范围内，该方法的步骤包含：
一个定速步骤，该控制器依据一个预定占空比驱使一个马达运转，判断该马达的工作电流是否小于该目标电流，若判断为是，再次进行该定速步骤，若判断为否，设定一个工作转速介于该第一转速与该第二转速之间，进行一个扭转步骤；及
该扭转步骤，该控制器依据该第一转速、该第二转速、该工作转速、该第一占空比及该第二占空比获得一个目标占空比，依据该目标占空比驱动该马达，判断该马达的转速是否小于该第二转速，若判断为是，设定该工作转速为该马达的转速，再次进行该扭转步骤，若判断为否，再次进行该定速步骤。
2.根据权利要求1所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述目标占空比是以查表或方程序计算方式获得。
3.根据权利要求2所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述目标占空比是依据上述工作转速、上述第一转速、上述第二转速、上述第一占空比及上述第二占空比以内插法计算获得。
4.根据权利要求2所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述目标占空比是依据上述工作转速、上述第一转速、上述第二转速、上述第一占空比及上述第二占空比以线性回归法计算获得。
5.根据权利要求1所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述马达电性连接一个电流计及一个转速计，上述控制器电性连接该马达、该电流计及该转速计，该控制器由该电流计取得该马达的工作电流，该控制器由该转速计取得该马达的转速。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述定速步骤之前进行一个设定步骤，以上述控制器设定一个第一定量参数组及一个第二定量参数组，该第一定量参数组内含上述第一转速及上述第一占空比，该第二定量参数组内含上述第二转速、上述第二占空比及上述目标电流。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述控制器为一个微控制器或一个数位信号处理器。
8.根据权利要求5所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，该电流计、该转速计及该控制器整合于一个电路板，该电路板设置于该马达或一个风扇内部。
9.根据权利要求1所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述定量范围为一个目标风量于一个比率变动而含括的范围。
10.根据权利要求1所述的定风量风扇控制方法，其特征在于，上述定量曲线为介于上述定量范围内的直线或曲线。
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