CN117346315B - 仿自然风风场的多风源生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿自然风风场的多风源生成系统及方法，该系统，包括客户端，包括仿自然风控制面板，利用预先存储的滤波模块处理原始风速信号以输出滤波后的风速信号；电机转速控制系统，将滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并转化输出无级调速控制信号；步进电机摇摆模式控制系统，接收客户端输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值，并响应客户端下发的角速度控制指令以输出转动角速度信号；动态气流装置，响应无级调速控制信号和转动角速度信号以输出多风源的仿自然风。本发明采用无刷电机驱动电路板作为电机的控制器，通过电路板中的电子元器件实现电机转速的控制和驱动，并通过无刷电机的选用，可以在高效率下生成摇摆的自然风。

Description

仿自然风风场的多风源生成系统及方法

技术领域

本发明涉及动态风生成系统技术领域，特别是涉及仿自然风风场的多风源生成系统及方法。

背景技术

市面上的空调公司在设计空调送风模式时往往更关注于营造一个无风感且室内各处无明显温差的稳态空调环境，从而避免室内人员的冷吹风感。然而，这种控制方式下营造的空调环境不仅使人有沉闷、缺乏新鲜感等不适感，也会削弱人体的热适应力，同时带来了建筑高能耗问题。而相比于稳态气流，动态气流具有更强的冷却作用和舒适反馈。因此，许多厂商开始尝试将模拟自然风技术应用到空调、风扇等通风制冷设备中，进而避免“病态建筑综合征”与“空调综合征”的出现。通常情况下，动态气流的作用能使得人体对偏热环境的接受度高于稳态环境。同时，模拟自然风模式的应用使得使用者对气流的单调性评价和室内空气品质评价得到了显著改善。因此，伴随着越来越多不同种类的模拟自然风设备涌入市场，研究人员和用户们均认为，采用模拟自然风送风来人工营造动态热环境是一种实现室内环境动态化的有效手段。

然而，有研究人员指出，现有的模拟自然风技术依赖于单个设备产生，与实际自然风环境相去甚远。因此，可以指出目前仿自然风技术存在的两个弊端：1)从市面上的仿自然风产品来说，其产生的仿自然风气流不仅不满足实际自然风的特征，且内部使用的原始信号多来自设计者于某固定地域的采集信号，从而导致长时间使用下存在的重复体验的效果；2)从科学研究的成果来说，以往的仿自然风技术均依赖于单一的送风末端装置，忽略了实际自然风环境中来流方向多变且随机的动态特征。

基于前人总结的仿自然动态气流理论，目前国内外动态气流发生装置主要仅依托单个风源实现，其中主要有两种实现途径：末端节流阀控制和电机变频控制。末端节流阀控制法：通过步进电机实现半圆形转动盘的精确定位，从而控制节流阀的阀位以调节出风口风速，进而产生动态化气流；后者是通过风机转速的有效控制，从而产生动态化气流。前者装置体积大，不方便实际应用，后者体型较小，方便使用。电机变频控制法：目前大部分研究和空调厂商均以该方法为主，设计了仿自然风风扇及空调等动态装置。该方法通过改变电机转速，从而产生仿自然风的动态气流。装置一般由两部分构成：电机控制单元和气流产生单元。通过D/A(数字量/模拟量)卡将控制信号转化为控制电压输入变频器，变频器根据电压信号改变风机转速，从而获得符合自然风动态特性的仿自然风。

以风扇这类常见家用送风设备为例，该类设备控制策略形式各异，但往往只聚焦于单一装置：现有的风扇控制方案主要分为使用者主动控制和程序自动控制两类方式，第一种为主流控制形式，通过使用者自行设定风扇电机的启停来控制风扇的运转来满足人体的吹风需求；第二种为程序自动控制形式，通过温湿度传感器来探测人体所处环境的热条件以控制电机转速带动风叶，进而制取能消除当下环境热不舒适的气流。现有风扇产生的气流形式多样，包含直吹的稳态机械风，摇摆模式下的正弦风以及各式各样的仿自然风。对于直吹机械风和摇摆正弦风来说，风扇在摇头时的送风角度调节常常不够方便，容易造成风力浪费；而风扇在固定时容易因风力集中导致风速过高造成人体的吹风不适感。然而，当设计为仿自然风模式下，根据调研，市面上绝大部分产品制取的仿自然风并不满足自然风风速的动态特征。同时，产品配备的仿自然风模式以原始自然风采集信号为输入信号，这会导致在长时间的使用后气流对人来说又趋于重复体验。

然而，根据目前对实际自然风环境的风向动态特征与舒适性研究，可以发现，以风扇为载体的仿自然风技术的主要缺陷来自于气流源形式的单一。尽管不同地域的自然风特征存在差异，但实际自然风的来流方向均多是随机变化的。尽管这些自然风通常存在一个主导方向，但如果将人置身于自然环境中，会发现大部分时间身体的各部位均会受到不同强度的气流刺激。这说明：现有技术所搭建的仿自然风末端装置只能通过单一方向的送风形式作用于人体，无法达到实际室外环境自然风所产生的降温与刺激效果，从而制约了模拟自然风的舒适与冷却效果的上限。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明基于研究和市场使用需求，可以同时满足风速时序为自然风信号，送风方向的角度与周期可分区调节的风源，最后将三个相同风源进行组合得到一种仿自然风风场生成系统，可以高效率的生成摇摆的自然风。

本发明的另一个目的在于提出一种仿自然风风场的多风源生成方法。

为达上述目的，本发明一方面提出一种仿自然风风场的多风源生成系统，包括客户端、电机转速控制系统、步进电机摇摆模式控制系统和动态气流装置；其中，

所述客户端，包括仿自然风控制面板，所述仿自然风控制面板，用于利用预先存储的滤波模块处理原始风速信号以输出滤波后的风速信号；

所述电机转速控制系统，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并转化输出无级调速控制信号；

所述步进电机摇摆模式控制系统，用于接收所述客户端输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值，并响应客户端下发的角速度控制指令以输出转动角速度信号；

所述动态气流装置，用于响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号以输出多风源的仿自然风。

另外，根据本发明上述实施例的仿自然风风场的多风源生成系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述仿自然风控制面板，还用于：

输入原始风速信号；

利用预先存储的低通滤波模块基于输入的截止频率以通过低通快速傅里叶将所述原始风速信号转换为频域；

对所述频域执行逆低通快速傅里叶并输出滤波后的风速信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电机转速控制系统，包括：第一电机控制器、无刷直流电机控制电路板和无刷直流电机；其中，

所述第一电机控制器，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并接收所述滤波后的风速信号和所述档位控制信号分别与对应信号阈值比较得到的信号比较判断结果；

所述无刷直流电机控制电路板，用于响应所述信号比较判断结果，以通过电路板中的电子元器件控制所述无刷直流电机输出无级调速控制信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述客户端，还用于：

判断所述滤波后的风速信号在电机控制极限内风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围以输出第一判断结果；

判断所述档位控制信号的步进档位差是否超出电机的控制响应速率以输出第二判断结果；

基于所述第一判断结果和所述第二判断结果输出得到所述信号比较判断结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步进电机摇摆模式控制系统，包括：第二电机控制器、步进电机驱动和五线步进电机；其中，

所述第二电机控制器，用于接收并响应所述客户端的摇摆控制面板输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和客户端下发的角速度控制指令以控制所述步进电机驱动输出驱动信号；

所述五线步进电机，用于响应所述驱动信号输出转动角速度信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述动态气流装置，包括风扇；所述预设区域包括仿自然风风场的多个摇摆角区域；所述风扇，响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号，并按照所述多个摇摆角区域的预设转动方向和对应区域的转动角速设定值进行转动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述仿自然风控制面板，还用于根据输入放缩指数调节整体瞬时风速的大小。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述述无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；所述第一电机控制器和所述第二电机控制器采用ESP32主控芯片；所述步进电机驱动，采用ULN2803G控制芯片；所述五线步进电机，还用于通过24V电源进行供电。

为达上述目的，本发明另一方面提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，包括：

利用预设的滤波处理方法对原始风速信号进行滤波处理以得到滤波后的风速信号；

将所述滤波后的风速信号进行转换得到档位控制信号，并将所述档位控制信转化为无级调速控制信号；

根据仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和角速度控制指令得到转动角速度信号；

根据所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号得到多风源的仿自然风。

本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成系统和方法，通过利用主控MCU、无刷电机驱动电路板、无刷电机等关键元器件，通过它们的协同工作，可以实现高效、低噪音、低振动的摇摆自然风扇效果。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的仿自然风风场的单风源生成系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的多风源组成的仿自然风风风场结构示意图；

图4是根据本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本发明领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的仿自然风风场的多风源生成系统和方法。

图1是本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成系统的结构图。

如图1所示，该系统10，包括客户端100、电机转速控制系统200、步进电机摇摆模式控制系统300和动态气流装置400；其中，

客户端100，包括仿自然风控制面板，仿自然风控制面板，用于利用预先存储的滤波模块处理原始风速信号以输出滤波后的风速信号；

电机转速控制系统200，用于将滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并转化输出无级调速控制信号；

步进电机摇摆模式控制系统300，用于接收客户端输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值，并响应客户端下发的角速度控制指令以输出转动角速度信号；

动态气流装置400，用于响应无级调速控制信号和转动角速度信号以输出多风源的仿自然风。

如图2所示展示了本发明的单个风源生成系统的结构图，即多个单个风源系统组合为本发明的多风源系统。在该单个风源生成系统中的风扇采用ESP32主控MCU和无刷电机驱动电路板(控制芯片：EG2133与WSD3066)、步进电机驱动(控制芯片：ULN2803G)，搭配无刷电机、24V五线步进电机，通过24V电源供电，使得其拥有出色的送风性能表现。该动态风扇能够通过PC端两个气流信号控制面板(自然风控制面板和摇摆特性控制面板)对控制信号进行调节，从而实现摇摆特征可调节的仿自然风。

本发明实施例的单个风源生成系统使用ESP32主控MCU作为控制核心，通过编程实现风扇启停、电机转速调节、与摇摆速度调节等操作。其次，采用无刷电机驱动电路板作为电机的控制器，通过电路板中的电子元器件实现电机转速的控制和驱动。通过高效、低噪音、低振动无刷电机的选用，可以在高效率下生成摇摆的自然风，并且运行平稳、噪音小。最后，通过24V电源供电，提供稳定的电源保障，确保风扇的正常工作。

具体地，在系统工作过程中，2个ESP32控制无刷电机驱动电路板与步进电机驱动，分别通过EG2133驱动芯片配合6个WSD3066 NMOS对无刷电机进行调速，通过ULN2803G芯片驱动步进电机完成变速旋转。对于动态气流装置400来说，驱动控制曲线为档位N和风速v的函数，档位可调范围为0-25，该装置的N-v函数为：N＝0.1633v-0.0875。通过计算得到的不同控制信号，可以实现不同风速的调节，从而生成不同强度的自然风。这种路线具有精准的控制能力，可以快速、准确地响应用户的操作。本发明无刷电机生成摇摆自然风的路线主要包括ESP32主控MCU、无刷电机驱动电路板、无刷电机、步进电机驱动、五线步进电机和24V电源等关键元器件，通过它们的协同工作，可以实现高效、低噪音、低振动的摇摆自然风扇效果。

在本发明的一个实施例中，仿自然风控制面板，还可以输入原始风速信号；利用预先存储的低通滤波模块基于输入的截止频率以通过低通快速傅里叶将原始风速信号转换为频域；对频域执行逆低通快速傅里叶并输出滤波后的风速信号。

具体地，用户可通过客户端端的PC控制面板的的仿自然风控制面板，选择文件路径并导入实测的自然风风速信号，导入信号要求为原始风速信号。随后用户在PC控制面板的可通过输入截止频率，并由PC控制面板的的仿自然风控制面板完成信号的低通快速傅里叶(FFT)滤波。PC控制面板的的仿自然风控制面板包含FFT滤波低通滤波模块，通过将信号转换为频域(使用FFT)，将所需范围归零，执行逆FFT(IFFT)并返回低通滤波处理后的风速信号。其中，快速傅里叶变换的表达式为：

优选地，用户基于研究需求、使用喜好在PC控制面板的输入放缩指数(Amp)用于调节整体瞬时风速的大小。

在本发明的一个实施例中，电机转速控制系统200，包括：第一电机控制器、无刷直流电机控制电路板和无刷直流电机；其中，第一电机控制器，用于将滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并接收滤波后的风速信号和档位控制信号分别与对应信号阈值比较得到的信号比较判断结果；无刷直流电机控制电路板，用于响应信号比较判断结果，以通过电路板中的电子元器件控制无刷直流电机输出无级调速控制信号。

具体地，电机转速控制系统200启动后将滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并且基于(控制面板程序判断已滤波控制信号是否在电机控制极限内风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围；转换为控制信号后的步进档位差是否超出电机的控制响应速率)的判断结果，通过无刷直流电机控制电路板的无级调速环节控制动态气流装置400运行即可得到对应的气流。

在本发明的一个实施例中，步进电机摇摆模式控制系统300，包括：第二电机控制器、步进电机驱动和五线步进电机；其中，第二电机控制器，用于接收并响应客户端的摇摆控制面板输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和客户端下发的角速度控制指令以控制步进电机驱动输出驱动信号；五线步进电机，用于响应驱动信号输出转动角速度信号。

具体地，用户可通过客户端PC控制面板的的摇摆控制面板对仿自然风风场的摇摆角范围的三个分区进行独立调节。

优选的，仿自然风风场三个分区的摇摆角度分别为50/60/50度。用户在PC控制面板的可通过输入区域角速度，并由PC控制面板发送设定指令，随后进电机摇摆模式控制系统300接受指令后完成设定，通过步进电机输出驱动信号控制五线步进电机输出转动角速度信号，以驱动动态气流装置300开始按照设定条件进行转动。动态气流装置300在摇摆过程中按照1到2到3区域进行转动，如图3所示，每个区域的转动角速度按照设定值进行。

进一步地，通过将动态气流装置按照如图3所示进行设定、分布后，可以得到仿自然风风场。用户可以通过PC控制面板分别控制电机转速控制系统200和步进电机摇摆模式控制系统300来调节风速大小与转动速度的快慢，以确定主导来流的方向和风场中央的自然风信号。通过该仿自然风风场的多风源生成系统，可以实现仿自然风风场的多来流、变来流方向的控制，进一步还原了真实自然风环境中的风速与风向的动态特征。

综上所述，本发明本系统由三个相同的可调节转动周期的仿自然风风扇组成，系统中应用的单个风扇与常规的动态送风装置相比，装置响应迅速，能够真实再现符合需求的不同控制信号，并具有体积小、噪声低的优点；装置仅在最需要气流的人员工作区域实现环境的动态化，不仅在技术上易于实现，而且是一种节能高效的动态化控制策略。由于采用了风机转速控制器，借助计算机与单片机兼顾的角色将个性化定制的正弦风、自然风风速信号转换为控制信号，使用者可以根据研究需求与个人爱好调节不同信号的风速大小；通过三种不同的仿自然风控制面板制取符合需求的自然风。本发明易于再现，生产成本较低，产生的动态化气流相比传统送风装置产生的稳态机械风而言，具有更强的冷却作用并能给人带来新鲜和舒适的感觉。其中，具有自然风素动特征的仿自然风能够有效的改善使用者对环境沉闷、单调的抱怨，显著提高室内人员对气流的可接受程度，缓解吹风的疲劳感，在很大程度上减小病态建筑综合症的发生。经测试，使用单个装置产生的仿自然风即可符合自然风频谱紊动特征。

根据本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成系统，该系统由三个相同的可调节转盘周的仿自然风风扇组成，三个风扇功能相同，均具备了转动分区可调节周期与角度的动态摇摆送风功能与可个性化调节的动态风制取功能。本发明具有广泛的应用前景，因其本身作为小巧体积的风扇而可在家庭、教室、会议室等小空间场所广泛应用，改善小空间范围内的空气流动，是一种健康、舒适、节能的新型送风手段。经过测试与实验的开展，本发明能够作为一种辅助手段与空调联合应用，并显著提升室内环境的空调送风温度，大幅降低建筑设备运行能耗。

为了实现上述实施例，如图4所示，本实施例中还提供了仿自然风风场的多风源生成方法，包括：

S1，利用预设的滤波处理方法对原始风速信号进行滤波处理以得到滤波后的风速信号；

S2，将滤波后的风速信号进行转换得到档位控制信号，并将档位控制信转化为无级调速控制信号；

S3，根据仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和角速度控制指令得到转动角速度信号；

S4，根据所述无级调速控制信号和转动角速度信号得到多风源的仿自然风。

根据本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成方法，通过转动分区可调节周期与角度的动态摇摆送风功能与可个性化调节的动态风制取功能。本发明具有广泛的应用前景，因其本身作为小巧体积的风扇而可在家庭、教室、会议室等小空间场所广泛应用，改善小空间范围内的空气流动，是一种健康、舒适、节能的新型送风手段。经过测试与实验的开展，本发明能够作为一种辅助手段与空调联合应用，并显著提升室内环境的空调送风温度，大幅降低建筑设备运行能耗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (7)

1.一种仿自然风风场的多风源生成系统，其特征在于，包括客户端、电机转速控制系统、步进电机摇摆模式控制系统和动态气流装置；其中，

所述客户端，包括仿自然风控制面板，所述仿自然风控制面板，用于利用预先存储的滤波模块处理原始风速信号以输出滤波后的风速信号；

所述电机转速控制系统，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并转化输出无级调速控制信号；

所述步进电机摇摆模式控制系统，用于接收所述客户端输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值，并响应客户端下发的角速度控制指令以输出转动角速度信号；

所述动态气流装置，用于响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号以输出多风源的仿自然风；

所述步进电机摇摆模式控制系统，包括：第二电机控制器、步进电机驱动和五线步进电机；其中，

所述第二电机控制器，用于接收并响应所述客户端的摇摆控制面板输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和客户端下发的角速度控制指令以控制所述步进电机驱动输出驱动信号；

所述五线步进电机，用于响应所述驱动信号输出转动角速度信号；

所述动态气流装置，包括三个风扇；所述预设区域包括仿自然风风场的三个摇摆角区域；所述风扇，响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号，并按照每个所述摇摆角区域的预设转动方向和对应区域的转动角速度设定值进行转动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿自然风控制面板，还用于：

输入原始风速信号；

利用预先存储的低通滤波模块基于输入的截止频率以通过低通快速傅里叶将所述原始风速信号转换为频域；

对所述频域执行逆低通快速傅里叶并输出滤波后的风速信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电机转速控制系统，包括：第一电机控制器、无刷直流电机控制电路板和无刷直流电机；其中，

所述第一电机控制器，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并接收所述滤波后的风速信号和所述档位控制信号分别与对应信号阈值比较得到的信号比较判断结果；

所述无刷直流电机控制电路板，用于响应所述信号比较判断结果，以通过电路板中的电子元器件控制所述无刷直流电机输出无级调速控制信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述客户端，还用于：

判断所述滤波后的风速信号在电机控制极限内风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围以输出第一判断结果；

判断所述档位控制信号的步进档位差是否超出电机的控制响应速率以输出第二判断结果；

基于所述第一判断结果和所述第二判断结果输出得到所述信号比较判断结果。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿自然风控制面板，还用于根据输入放缩指数调节整体瞬时风速的大小。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述述无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066 控制芯片；所述第一电机控制器和所述第二电机控制器采用ESP32主控芯片；所述步进电机驱动，采用ULN2803G控制芯片；所述五线步进电机，还用于通过24V电源进行供电。

7.一种使用权利要求1所述系统的仿自然风风场的多风源生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用预设的滤波处理方法对原始风速信号进行滤波处理以得到滤波后的风速信号；

将所述滤波后的风速信号进行转换得到档位控制信号，并将所述档位控制信转化为无级调速控制信号；

根据仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和角速度控制指令得到转动角速度信号；

根据所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号得到多风源的仿自然风。