CN111237233B - 一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法和系统，所述方法包括：通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。本发明实施例通过应用非线性控制的二阶滑模估测器估算风扇系统最大功率点，进而使系统风扇持续运作于最大功率点上，达到系统自动微调和硬件自动微调的功能，使系统与硬件更有效率。

Description

一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法和系统
技术领域
本发明涉及风扇功率控制技术，尤指使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法和系统。
背景技术
一般通用服务均含有基板管理控制器(Baseboard Management Controller，BMC)芯片，BMC作为系统管理软件与智能平台管理总线(IPMB)、智能机箱管理总线(ICMB)接口之间的网路网关使用，是控制系统的管理软件和管理硬件之间的接口，通过与BMC的通讯可以实现对各个被管理组件的管理控制，风扇即是通过BMC做转速控制管理，侦测风扇转速、CPU温度，当CPU温度过高或风扇转速过低时，发出警报信息。CPU温度过高时，风扇转速加快，随着CPU温度自动调节风扇转速，让风扇的运作更加有效率。
一般常见的风扇转速控制是通过BMC获得主机硬件信息，例如：CPU温度、风扇转速、电压值、电源状态等信息。下达指令发送请求消息数据(Request Message Data)，回传硬件目前状态的信息，例如：CPU温度、风扇转速、电压值、电源状态等信息，之后回传响应消息数据(Response Message Data)。假设目前CPU温度过高，超过硬件事件发生门坎值，则BMC发送简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)陷阱(trap)到中央管理服务器，当CPU温度过高时，风扇转速加快，使CPU温度回复正常数值，随着CPU温度自动调节风扇转速，采取相对应的措施解决事件。
通过侦测硬件门坎值来达到转速控制有延迟反应的疑虑，当系统风扇维持在高转速时，如果受监测硬件，如CPU已回到正常温度，当BMC读取到CPU温度已降到正常，风扇不需再高速运转时调整脉冲宽度调制(PWM)讯号将风扇转速降至中低转速，这个过程中信息传输及调整转速所需的时间会造成风扇不必要的能量损耗。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法和系统，通过应用非线性控制的二阶滑模估测器估算风扇系统最大功率点，进而使系统风扇持续运作于最大功率点上，达到系统自动微调和硬件自动微调的功能，使系统与硬件更有效率。
为了达到本发明目的，一方面，本发明实施例提供了一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法，包括：
通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。
进一步地，所述方法包括：采用二阶滑模算法构成二阶滑模微分估计器，以获取电流误差微分信号。
进一步地，所述方法包括：
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器。
进一步地，所述方法包括：
风扇无刷直流电机中性点电压由2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式。
进一步地，所述方法包括：
由无刷直流电机线电流误差构成滑模面。
另一方面，本发明实施例还提供了一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，包括：
二阶滑模估测器，用于通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
追踪控制器，用于根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。
进一步地，所述二阶滑模估测器用于：采用二阶滑模算法构成微分估计器，以获取电流误差微分信号。
进一步地，所述二阶滑模估测器用于：
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器。
进一步地，所述二阶滑模估测器用于：
风扇无刷直流电机中性点电压由2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式。
进一步地，所述二阶滑模估测器用于：
由无刷直流电机线电流误差构成滑模面。
本发明实施例通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。本发明实施例通过应用非线性控制的二阶滑模估测器估算风扇系统最大功率点，进而使系统风扇持续运作于最大功率点上，达到系统自动微调和硬件自动微调的功能，使系统与硬件更有效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法的流程图；
图2为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法的原理图；
图3为服务器与散热风扇的控制线路；
图4为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法中的优化风扇控制线路图；
图5为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法的流程图，如图1所示，本发明实施例的方法包括以下步骤：
步骤101：通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
步骤102：根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。
具体地，本发明实施例针对风扇系统设计了一种转速估测器(Observer)，利用转速估测值计算出最大功率参考电流后，再通过控制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪(MPPT)，二阶滑模估测(second-order sliding mode observer)理论设计转速估测器，并保证有限时间误差收敛特性。在求得风扇的准确转速后，即可由转速与最大功率点关系式求得一风扇最大功率的输出参考电流值，通过滑模控制器控制使风扇稳定操作于最大功率点上，使系统与硬件达到优化的管理目的。
其中，滑模控制的原理为人为设定一经过平衡点的相轨迹，通过适当设计，系统状态点沿着此相轨迹渐近稳定到平衡点，或形象地称为滑向平衡点的一种运动，优点包含滑动模态可以设计且与对象参数和扰动无关，具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏，即鲁棒性、无须系统在线辨识、物理实现简单，缺点是当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振。
二阶滑模是解决抖振问题和相位延迟的一种有效的方法，在此方法中，不连续控制并不作用在滑模变量的一阶微分上，而是作用在其高阶微分上，这样不仅保留了一阶滑模控制的所有优点，还可以削弱抖振和相位滞后现象。
图2为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法的原理图，如图2所示，进一步地，本发明实施例详细描述如下：
将风扇直流电机三相绕组电压、电流方程表示为:
Figure BDA0002379561090000051
ia+ib+ic＝0
其中，ua0、ub0、uc0分别为a、b、c三相定子绕组电压；R为阻抗；ia、ib、ic分别为a、b、c三相定子相电流，LS为等效电感；
Figure BDA0002379561090000052
分别为a、b、c三相的电流对时间的积分；ea、eb、ec分别为三相定子相反电势；un为单位单向常数。
由于无刷直流电机中性点电压难以直接检测，将公式简化为2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式为:
Figure BDA0002379561090000053
Y＝CX
其中参数X为绕组电流计算的值，参数E为绕组线反电势的值，参数U为绕组线电压计算的值；通过上面第一个公式直接计算能够得到线反电势。
参数A、B、C由如下公式计算：
Figure BDA0002379561090000061
构建无刷直流电机的二阶滑模观测器:
Figure BDA0002379561090000062
其中，Z为二阶滑膜观测器控制量；
计算后可得到无刷直流电机的状态误差方程为:
Figure BDA0002379561090000063
当滑模面存在且在有限时间内收敛时可得到：
Figure BDA0002379561090000064
[z1 z2]T＝[-eab-ebc]T
选择二阶滑模观测器的滑模面为：
Figure BDA0002379561090000065
式中σ为无刷直流电机线电流误差构成的滑模面，c为常数。
σ＝[σ1 σ2]T
增加常数c可以任意地加快收敛速率，根据滑模控制的设计要求，控制必须能保证滑模变量σ1和σ2收敛到零点。
采用二阶滑模算法构成微分估计器，估计电流误差微分信号.设定微分估计器输入为电流误差信号e(t)，电流误差信号微分量为：
Figure BDA0002379561090000066
滑模量及其微分量为：
Figure BDA0002379561090000067
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器：
Figure BDA0002379561090000071
收敛的充分条件为：
Figure BDA0002379561090000072
在超螺旋算法控制率作用下，微分估计器经过有限时间后达到收敛，存在：
Figure BDA0002379561090000073
因此，二阶滑模微分估计器能够较好地得到无刷直流电机线电流误差微分信号，根据以上分析，设计的风扇直流电机二阶滑模线反电势观测器结构如图2所示：
本发明实施例具有快速响应，扰动不灵敏的特性；能够使系统风扇保持在最大功率点运行；避免不必要的风扇功率损耗。
其中，本发明实施例应用非线性控制的二阶滑模估测器估算其系统最大功率点，进而使系统风扇持续运作于最大功率点上，达到系统自动微调和硬件自动微调的功能，便能使系统与硬件更有效率。
下面以优化风扇控制线为例来说明本发明实施例的详细实现过程：
图3为服务器与散热风扇的控制线路，如图3所示，所述控制线路通常含有一个脉冲宽度调制(PWM)输入、一个转速pin脚(Tach)，如前所述，当系统风扇维持在高转速时，若受监测硬件组件，如CPU，当已回到正常温度且风扇速度控制器BMC(Fan Speed ControllerBMC)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)通过温度计(Thermal meter)读取到CPU温度已降到正常，风扇已不再需要高速运转，此时调整PWM讯号，将风扇转速降至中低转速，这个过程中信息传输及调整转速所需的时间会造成风扇不必要的能量损耗。
因此，通过如下示例方法实现优化:
图4为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法中的优化风扇控制线路图，如图4所示，针对风扇系统设计一转速估测器(Observer)，分别从PWM控制器输出的PWM与风扇速度控制器BMC或CPLD输出的PWM，利用转速估测值计算出最大功率参考电流后，再透过二阶滑模微分器，含有估测理论设计转速估测器，具有时间误差收敛特性。在求得风扇的准确转速后，即可由转速与最大功率点关系式求得一风扇最大功率的输出参考电流值，透过滑模控制器控制使风扇稳定操作于最大功率点上，再透过PWM控制器输出PWM给予系统风扇，使系统与硬件达到优化的管理目的。
本发明实施例可以解决传统服务器控制风扇仅侦测温度回馈调整风扇转速，造成风扇运转的不必要功率消耗及响应速度不够快的缺点，加强系统管理与硬件控制，整合服务器管理和硬件控制机制。
图5为本发明实施例使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统的结构图，如图5所示，本发明实施例另一方面提供的一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，包括：包括：
二阶滑模估测器501，用于通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
追踪控制器502，用于根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。
进一步地，所述二阶滑模估测器501用于：采用二阶滑模算法构成微分估计器，以获取电流误差微分信号。
进一步地，所述二阶滑模估测器501用于：
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器。
进一步地，所述二阶滑模估测器501用于：
风扇无刷直流电机中性点电压由2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式。
进一步地，所述二阶滑模估测器501用于：
由无刷直流电机线电流误差构成滑模面。
本发明实施例通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上。本发明实施例通过应用非线性控制的二阶滑模估测器估算风扇系统最大功率点，进而使系统风扇持续运作于最大功率点上，达到系统自动微调和硬件自动微调的功能，使系统与硬件更有效率。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法，其特征在于，包括：
通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上；
其中，风扇无刷直流电机中性点电压由2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式，并利用线电压的状态空间形式，构建风扇无刷直流电机的二阶滑模观测器；
其中线电压的状态空间形式包括:
Figure FDA0003159283620000011
Y＝CX
其中，参数X为绕组电流计算的值，参数E为绕组线反电势的值，参数U为绕组线电压计算的值；
其中，参数A、B、C由如下公式计算：
Figure FDA0003159283620000012
C＝[1 1]
其中，R为阻抗，LS为等效电感。
2.根据权利要求1所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法，其特征在于，包括：采用二阶滑模算法构成二阶滑模微分估计器，以获取电流误差微分信号。
3.根据权利要求2所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法，其特征在于，包括：
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器。
4.根据权利要求1所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制方法，其特征在于，还包括：
由无刷直流电机线电流误差构成滑模面。
5.一种使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，其特征在于，包括：
二阶滑模估测器，用于通过二阶滑模估测计算求得风扇的转速估测值，由转速与最大功率点关系式求得风扇最大功率的最大功率参考电流；
追踪控制器，用于根据所述最大功率参考电流，通过控制脉冲宽度调制PWM开关切换进行系统的最大功率追踪，控制使所述风扇稳定操作于最大功率点上；
其中，风扇无刷直流电机中性点电压由2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式，并利用线电压的状态空间形式，构建风扇无刷直流电机的二阶滑模观测器；
其中线电压的状态空间形式包括:
Figure FDA0003159283620000021
Y＝CX
其中，参数X为绕组电流计算的值，参数E为绕组线反电势的值，参数U为绕组线电压计算的值；
其中，参数A、B、C由如下公式计算：
Figure FDA0003159283620000022
C＝[1 1]
其中，R为阻抗，LS为等效电感。
6.根据权利要求5所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，其特征在于，所述二阶滑模估测器用于：采用二阶滑模算法构成微分估计器，以获取电流误差微分信号。
7.根据权利要求6所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，其特征在于，所述二阶滑模估测器用于：
采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器。
8.根据权利要求5所述的使用二阶滑模估测的风扇功率控制系统，其特征在于，所述二阶滑模估测器用于：
由无刷直流电机线电流误差构成滑模面。
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