JP5159813B2 - マイクロコントローラを用いたファン制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ファン制御システムに関するものであって、特に、マイクロコントローラを用いたファン制御システムに関するものである。

一般に、公知のファン制御システムは、様々な電子回路、素子により構築されて、制御を達成する。異なる機能を有する公知のファン制御システムの例は、図１ａ〜図２ｂで示される。

公知のファン制御システムの一般機能は、ファン回転速度制御である。図１ａは、公知のファン制御システムを示す図で、外部可変ＤＣ電圧が、ファン回転速度制御に提供される。図１ａにおいて、ファン５００は、操作電圧Ｖｃｃを受信し、比較器５２０により、パルス幅変調ＰＷＭ信号を決定する。比較器５２０は、外部可変０〜５Ｖ ＤＣ電圧と三角波を受信し、ＰＷＭ信号を決定する。その後、ＰＷＭ信号は、スイッチ５９０により、ファン駆動回路ＦＤＣ５１０に出力されて、ファンモータの回転速度を決定する。

図１ｂは、公知のファン回転速度制御のもう一つの例を示す図で、図１ｂにおいて、感温レジスタ（或いは、サーミスタ）５３０が適用されて、可変電圧を決定する。図１ｂにおいて、ファン５００は、操作電圧Ｖｃｃを受信し、比較器５２０により、パルス幅変調ＰＷＭ信号を決定する。比較器５２０は、感温レジスタ５３０と固定レジスタ５４０により実行される電圧駆動工程により、三角波と操作電圧Ｖｃｃから得た可変電圧を受信する。よって、比較器５２０は、ＰＷＭ信号を決定し、その後、ＰＷＭ信号は、スイッチ５９０により、ファン駆動回路ＦＤＣ５１０に出力されて、ファンモータの回転速度を決定する。

図１ｃは、公知のファン回転速度制御のもう一つの例を示す図で、ファン５００を制御する入力信号は、電圧に代わって、図１ｃで示されるように、外部ＰＷＭ信号である。図１ｃにおいて、ファン５００は、操作電圧Ｖｃｃを受信する。一方、外部ＰＷＭ信号ＰＷＭ（外部）は、レジスタ５４２等のある回路を通過し、内部ＰＷＭ信号ＰＷＭ（内部）に変換される。内部ＰＷＭ信号は、スイッチ５９０により、ファン駆動回路ＦＤＣ５１０に出力されて、ファンモータの回転速度を決定する。

更に、ファン回転速度に加え、公知のファン制御システムは、ソフトスタートアップ、或いは、ファンモータのローター位置制御により検出される他の特定の回転速度を達成する。この例は、図２ａで示されるように、ファンモータは、ファン駆動ＩＣ（ＦＤＩＣ）５１０により駆動される。図２ａにおいて、ファン５００は、操作電圧Ｖｃｃを受信する。一方、ＦＤＩＣ５１０は、ファンモータのコイル５７０を制御し、ホール素子５６０等の磁気誘導素子、コンデンサ５５０などのほかの素子と合併して、ファンモータのローター位置を制御し、ソフトスタートアップ、或いは、他の特定の回転速度を達成する。

図２ｂは、ファンモータのローター位置制御を達成する他の方法を示す図である、図２ｂにおいて、ホール素子５６０と複数のレジスタ５４４、５４６が適用され、ファンモータのコイル５７０を制御して、ファンモータを駆動し、要求されるソフトスタートアップ、或いは、他の特定の回転速度を達成する。

ファン回転速度制御を実行する公知のファン制御システムにおいて、入力電圧とファンモータのコイルが、ファンモータの回転速度を決定する。つまり、回転速度と入力電圧の関係は、ファンモータのコイルが固定される時、図３で示されるように現れる。図３において、この関係は、関数Ｆで示され、固定コイルに対応する。入力電圧Ｖ０が適用される場合、関数Ｆは、点Ａの入力電圧Ｖ０に従って回転速度を決定し、第一回転速度Ｗ０が得られる。その結果、入力電圧が一定に維持される場合、可変回転速度が何組かのファンモータのコイルに提供されるようにするのが唯一の方法で、各組のコイルは異なる関数Ｆに対応する。これは、ファンの尺寸と製造コストを増加させてしまう。

更に、図１ａと図１ｂで示される公知の例において、比較器５２０が適用されて、ＰＷＭ信号を得る。しかし、これらの例において、入力電圧は、代替が困難なハードウェア型の素子により生成され、ＰＷＭ信号と三角波信号間のエラーの可能性を増加させ、回転速度制御が不安定になる。

更に、図１ｃで示される公知の例において、内部ＰＷＭ信号の周波数と電力は、外部ＰＷＭ信号に制限される。外部ＰＷＭ信号が低周波数の場合、低周波数信号による振動が増え、ファン特性と寿命に不利である。また、外部ＰＷＭ信号が高周波数の場合、回路反応時間が短くなり、回転速度の不安定を招く。更に、ＰＷＭ信号の変換において、ＰＷＭ信号の周波数は、可聴音に達する。この場合、ファンモータにノイズが発生する。

更に、図２ａ、或いは、図２ｂで示される公知の例において、ファン制御システムは、固定性質を有する固定ハードウェア型素子により構築される。よって、ファンモータのローターの位置制御は、素子の性質により制限される。

図３で示されるように、ファンモータの回転速度と操作電圧間の関係は、線形関数（Ｆ）を有する。更に、ファンモータは、図３で示されるように、耐えうる限界の最大回転速度Ｗｍａｘを有する。公知のファン制御システムにおいて、最大入力電圧Ｖｍａｘは、Ｂ点の最大回転速度Ｗｍａｘに従って得られる。つまり、入力電圧Ｖは、最大回転速度Ｗｍａｘに制限され、ファンモータのオーバーヒートを防止する。一般に、公知のファンは、６０Ｖの最大入力電圧Ｖｍａｘを有する。しかし、公知のファン制御システムにおいて、入力電圧の電力供給能力が、この最大入力電圧Ｖｍａｘを超過する場合、追加の電圧変換器、或いは、電圧分割器が必要である。これは、ファン制御システムの尺寸と製造コストを増加させるだけでなく、電圧分割工程がもたらす入力電圧の不安定を増加させる。

更に、公知のファン制御システムは、オーバーヒートや、許容回転速度を超過することから守るように改良される。この場合、追加の素子が必要なので、ファン制御システムの尺寸と製造コストを増加させる。

公知の問題を改善し、更にフレキシブルなアプリケーションを提供するため、本発明は、マイクロコントローラを用いたファン制御システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のファン制御システムは、入力信号を受信して、入力信号に従って、出力信号を決定し、出力信号を出力するプログラム可能なマイクロコントローラと、出力信号を受信し、出力信号に従って、ファンモータを駆動する回転速度を調整するファン駆動ユニットと、からなり、回転速度は、入力信号に対する多段関数の関係にある。

好ましくは、入力信号は、可変電圧信号、操作、環境温度、方形波信号の周波数、方形波信号の負荷サイクル、外部のパルス幅変調信号、或いは、実際のファンの回転速度を検出することにより得られる回転速度信号である。更に、回転速度信号が、マイクロコントローラに保存された予設値と異なる時、マイクロコントローラは、アラームを出力する。

好ましくは、出力信号は、パルス幅変調信号である。

好ましくは、ファン制御システムは、更に、ファンを駆動するモータの磁界位相を検出する磁気誘導素子、或いは、ホール素子を有し、入力信号をマイクロコントローラに出力する。

参考の第一具体例において、回転速度が所定の回転速度より遅い時、回転速度は、入力信号に対する第一関数の関係にある。回転速度が所定の回転速度より速い時、回転速度は、入力信号に対する第二関数の関係にある。第一、第二関数は、それぞれ、線形数学関数で、第二関数は、第一関数より緩い傾斜を有する。

参考の第二具体例において、回転速度が所定の回転速度より遅い時、回転速度は、入力信号に対する第一関数の関係にある。回転速度が所定の回転速度より速い時、回転速度は、入力信号に対する第二関数の関係にある。第一、第二関数は、不連続、或いは、分散関数の関係にある。

好ましくは、回転速度は、入力信号に対する多段曲線関数の関係にある。

更に、好ましくは、回転速度は、入力信号に対する多重線形数学関数の関係にある。

本発明のもう一つの様態によると、ファン制御システムは、第一入力信号と第二入力信号とを受信するファン駆動マイクロコントローラを有し、入力信号に従って、出力信号を決定し、出力信号に従って、ファンを駆動する回転速度を調整する。第一、第二入力信号は、可変電圧信号、操作、環境温度、方形波信号の周波数、方形波信号の負荷サイクル、外部のパルス幅変調信号である。好ましくは、回転速度は、第一、第二入力信号に対する多段数学関数の関係にあり、回転速度と第一入力信号間の関数は、第二入力信号の変化により、比例的に変化する。

本発明により、公知の問題を改善し、更にフレキシブルなアプリケーションが提供される。

外部可変ＤＣ電圧により制御される公知のファン制御システムを示す図である。 感温レジスタにより決定される可変電圧により制御される公知のファン制御システムを示す図である。 外部のＰＷＭ信号により制御される公知のファン制御システムを示す図である。 ファンモータがファン駆動ＩＣにより駆動される公知のファン制御システムを示す図である。 ファンモータがホール素子により駆動される公知のファン制御システムを示す図である。 公知のファン制御システムにおける回転速度と入力電圧間の関係を示す図である。 本発明のファン制御システムの第一実施例を示す図である。 本発明のファン制御システムの第二実施例を示す図である。 本発明のファン制御システムの第三実施例を示す図である。 本発明のファン制御システムの第四実施例を示す図である。 本発明のファン制御システムの第五実施例を示す図である。 本発明のファン制御システムの第六実施例を示す図である。 本発明のマイクロコントローラにより制御されるファンモータの回転速度を示すフローチャートである。 本発明のマイクロコントローラを用いた第一ファン制御方法による回転速度と入力電圧間の関係を示す図である。 本発明のマイクロコントローラを用いた第二ファン制御方法による回転速度と入力電圧間の関係を示す図である。 本発明のマイクロコントローラを用いた第三ファン制御方法による回転速度と温度間の関係を示す図である。 本発明のマイクロコントローラを用いた第四ファン制御方法による回転速度と入力信号の周波数間の関係を示す図である。 本発明のマイクロコントローラを用いた第五ファン制御方法による回転速度、温度、及び、ＰＷＭ信号間の関係を示す図である。

本発明は、公知の回路素子に代わる、マイクロコントローラを利用したファン制御システムを開示する。マイクロコントローラは、プログラム可能な性質に特徴づけられ、その機能は、プログラムが容易に修正することにより達成される。更に、マイクロコントローラは、比較的、小尺寸で、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）信号を受信、或いは、変換することができ、本発明は、マイクロコントローラにより、公知の問題を解決する。

図４は、本発明の第一実施例によるファン制御システムを示す図である。ファン１００は、操作電圧Ｖｃｃを受信し、ファンモータは、公知のファン制御システムと同様に、図４のファン駆動回路ＦＤＣ１１０等のファン駆動ユニットにより駆動される。しかし、本発明は、公知の回路素子に代わって、マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０を用いる。マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０は、プログラム可能で、複数のプログラムを保存し、公知の回路素子の変換機能に等しい信号伝送機能を実行する。マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０は、電圧（図示しない）で動作する。一方、マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０は、入力信号Ｓｉｎｐｕｔを受信する。入力信号Ｓｉｎｐｕｔは、電圧、ＰＷＭ信号、回転速度信号等、あらゆる形式の信号で、マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０のプログラムにより決定される。

マイクロコントローラＭＩＣＣ１２０が、図４で示される入力信号Ｓｉｎｐｕｔを受信する時、入力信号Ｓｉｎｐｕｔ に従って、ＰＷＭ信号等の出力信号が決定される。ＰＷＭ信号は、その後、スイッチ１９０により、ＦＤＣ１１０に出力され、ＦＤＣ１１０は、ＰＷＭ信号に従って、ファンモータの回転速度を決定する。

上述のように、本発明の入力信号Ｓｉｎｐｕｔは、要求される機能を達成するために、いかなる形式の信号にもなる。公知の例である図１ａ、図１ｂ、及び、図１ｃに対応する本発明の具体例は、図５ａ、図５ｂ、及び、図５ｃを参照する。

図５ａは、公知の例図１ａに対応する本発明のファン制御システムの第二具体例を示す図である。図５ａにおいて、ファン１００は、操作電圧Ｖｃｃを受信し、図１ａの比較器５２０に代わって、マイクロコントローラ１２０により、ＰＷＭ信号を決定する。マイクロコントローラ１２０は、外部の可変０〜５Ｖ ＤＣ電圧を受信し、マイクロコントローラ１２０によりプログラムされたＡ／Ｄ変換機能により、電圧を変換し、ＰＷＭ信号を決定する。その後、スイッチ１９０により、ＦＤＣ１１０に出力され、ファンモータの回転速度を決定する。よって、公知のファン制御システムの三角波は不要で、マイクロコントローラ１２０のパフォーマンスは、公知の比較器５２０よりも、確実に安定する。

図５ｂは、公知の例図１ｂに対応する本発明のファン制御システムの第三具体例を示す図である。図５ｂにおいて、ファン１００は、操作電圧Ｖｃｃを受信し、図１ｂの比較器５２０に代わって、マイクロコントローラ１２０により、ＰＷＭ信号を決定する。マイクロコントローラ１２０は、感温レジスタ１４０と固定レジスタ１５０により実行される電圧駆動プロセスにより、操作電圧Ｖｃｃから得られる可変電圧を受信し、マイクロコントローラ１２０によりプログラムされたＡ／Ｄ変換機能により、電圧を変換し、ＰＷＭ信号を決定する。その後、図５ａの具体例と同じように、スイッチ１９０により、ＦＤＣ１１０に出力され、ファンモータの回転速度を決定する。

更に、図１ｃと同様に、本発明のファン１００は、電圧に代わって、図５ｃのＰＷＭ（外部）で示されるように、外部ＰＷＭ信号を入力することにより制御される。図５ｃにおいて、ファン１００は、操作電圧Ｖｃｃを受信する。一方、
外部のＰＷＭ信号ＰＷＭ（外部）は、マイクロコントローラ１２０を通過して、
マイクロコントローラ１２０によりプログラムされた修正機能により、内部のＰＷＭ信号ＰＷＭ（内部）に変換する。内部ＰＷＭ信号は、その後、スイッチ１９０により、ＦＤＣ１１０に出力され、ファンモータの回転速度を決定する。本発明のマイクロコントローラ１２０により、信号変換は、図１ｃで示されるレジスタ等、公知の回路よりも、的確である。

更に、ファン回転速度制御に加えて、本発明のファンコントロールシステムは、ソフトスタートアップ、或いは、ファンモータのローター位置制御により検出される他の特定の回転速度を達成する。

図６は、図２ａと図２ｂの公知の例に対応する本発明のもう一つの具体例を示す図である。図６で示されるように、ファン１００は、操作電圧Ｖｃｃを受信する。一方、マイクロコントローラ１２０は、図２ａの公知のＦＤＩＣ５１０に代わって適用され、ファンモータのコイル１７０を制御し、ホール素子１６０等の磁気誘導素子と合併して、ファンモータのローター位置を制御し、ソフトスタートアップ、或いは、他の特定の回転速度を達成する。

注意すべきことは、マイクロコントローラ１２０がプログラム可能で、一つ以上のプログラムが保存され、他の外部の信号、例えば、可変信号、ＰＷＭ信号を受信することができ、マイクロコントローラ１２０が、同時に、上述のようなマルチ機能を提供することが可能であることである。よって、ファン制御システムの素子は、更に、ファンモータ制御のマルチ機能を実行するマイクロコントローラ１２０により減少する。

更に、マイクロコントローラ１２０は、フィードバック制御の方法による回転速度検出の実行に適用でき、回転速度が更に安定する。

図７は、本発明の更なる具体例を示す図で、マイクロコントローラ１２０は、ファンモータの回転速度を代表する回転速度信号Ｓｗを入力信号として受信する。回転速度信号Ｓｗは、その後、計算され、比較され、ＰＷＭ信号をＦＤＣ１１０に出力するのを決定する。この場合、回転速度信号が、マイクロコントローラ１２０に保存された予設値と異なる（つまり、第二回転速度）時、マイクロコントローラ１２０は、プログラムされて、アラームＣＴＳを出力し、ファンモータの回転速度が、正確に制御される。

上述の具体例において、回転速度検出と制御の例は、更に、図８のフローチャートで示される。まず、マイクロコントローラ１２０は、ファンモータの実際の回転速度Ｗを検出する（工程１０）。マイクロコントローラ１２０が、実際の回転速度信号Ｓｗを受信する時、マイクロコントローラ１２０は、回転速度Ｗが所定の回転速度値に収束するかを認知する（工程２０）。実際の回転速度Ｗが収束しない場合、マイクロコントローラ１２０は、回転速度Ｗが最大回転速度Ｗｍａｘ、或いは、最小回転速度Ｗｍｉｎに達するか認知する（工程３０）。実際の回転速度Ｗが、極値に達する場合、エラーがファンモータ、或いは、ファンモータシステム中で発生する可能性があり、マイクロコントローラ１２０は、アラームＣＴＳを生成し、不安定な回転速度を示す（工程４０）。実際の回転速度Ｗが、極値に達しない場合、マイクロコントローラ１２０は、回転速度を規制する（工程５０）。よって、プログラム可能マイクロコントローラのフィードバック制御により、回転速度は、公知のファン制御システムより、正確に、短い反応時間と安定した状態に制御される。

更に、ファンモータは、上述の最大回転速度Ｗｍａｘ制限を有し、図９で示される本発明の第一型ファン制御方法が適用され、高入力電圧を可能にする。図９において、マイクロコントローラ１２０がプログラムされ、回転速度Ｗが第一回転速度Ｗｏより遅い時、回転速度Ｗは、入力電圧Ｖに対する第一関数Ｆ１の関係になる。回転速度Ｗが第一回転速度Ｗｏより速い時、回転速度Ｗは、入力電圧Ｖに対する第二関数Ｆ２の関係になる。第一関数Ｆ１の関係にある最大回転速度Ｗｍａｘに対応する第一最大電圧Ｖｍａｘは、第二関数Ｆ２の関係にある最大回転速度Ｗｍａｘに対応する第二最大電圧Ｖｍａｘ’より低い。好ましくは、第一関数Ｆ１と第二関数Ｆ２は、線形数学関数で、第二関数Ｆ２は、図９で示されるように、第一関数Ｆ１より緩い傾斜を有する。

この場合、回転速度Ｗが最大回転速度Ｗｍａｘに接近する時、回転速度Ｗは、入力電圧Ｖに対する第二関数Ｆ２の関係になる。第二関数Ｆ２の関係にある最大回転速度Ｗｍａｘに対応する第二最大電圧Ｖｍａｘ’は、第一関数Ｆ１の関係にある最大回転速度Ｗｍａｘに対応する第一最大電圧Ｖｍａｘより低いので、最大入力電圧は、ＶｍａｘからＶｍａｘ’に増加する。例えば、本発明のファン制御システムにより、入力電圧８０〜９０Ｖが、６０Ｖの最大入力電圧Ｖｍａｘを有する一般のファンモータに適用される。よって、本発明では、電圧変換器、或いは、電圧分割器が不要で、非常に好ましい。

第二関数Ｆ２は、第一関数Ｆ１より緩やかな傾斜を有し、本発明のマイクロコントローラは、その他のタイプのファン制御システムに適用できる。例えば、図１０で示されるように、回転速度Ｗと入力信号、或いは、電圧は、多段線形数学関数関係を有し、第一関数Ｆ１は、第二関数Ｆ２より緩やかな傾斜を有する。また、回転速度Ｗと入力信号は、図１１で示されるように、多段、しかし、不連続、或いは、分散関数関係を有し、不連続回転速度の変換点は、入力信号の変化によって変わり、バッファ領域を形成する。例えば、温度が第一温度Ｔ０を超過した時、回転速度はすばやく、Ｗ０からＷ１に変換する。しかし、温度が、Ｔ０より低いＴ０’に減少した時だけ、回転速度は元の速度Ｗ０に戻る。

また、回転速度と入力信号間の線形数学関数関係に加えて、非線形数学関数関係により代替することもできる。図１２で示されるように、回転速度と入力信号の関係は、曲線数学関数である。マイクロコントローラは、関数操作、或いは、参考表に従って、入力信号の変化により、ファンの回転速度を制御することが出来る。これにより、回転速度と入力信号の関係は、曲線関数ｆ１からもう一つの曲線関数ｆ２に変化する。

最後に、図１３は、マイクロコントローラを使用した第五ファン制御方法を示す図である。図では、ファンの回転速度は、同時に、二つ、或いは、それ以上の入力信号により制御され、例えば、第一入力信号は操作温度で、第二入力信号はパルス幅変調ＰＷＭ信号である。回転速度と温度の関数関係は、ＰＷＭ信号の負荷サイクルの変化により、比例的に変わる。負荷サイクルが０％の時、ファンモータの回転速度は、定速Ｗ０で維持される。負荷サイクルが５０％の時、ファンモータの回転速度は、他の定速Ｗ１に変わる。しかし、温度がＴ１より高い時、ファンの回転速度は、温度がＴ２に増温するまで、徐々に増加する。温度がＴ２より高い時、ファンモータの回転速度は、他のＷ１’で維持される。

図９〜図１３の水平軸は、入力電圧、方形波信号の負荷サイクル、或いは、方形波信号の周波数、操作、或いは、環境温度等を特定することが出来る。図９〜図１３のファン制御方法は、図４〜図７のファン制御システム全てに適用することが出来る。

注意すべきことは、マイクロコントローラ１２０がプログラムされ、一つ以上のプログラムが保存でき、上述の関数は、同時に、本発明のどの具体例のマイクロコントローラにも適用され、複雑な回路素子を必要とすることなく、フレキシブルなアプリケーションとファン制御システムの選択を提供する。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１００、５００…ファン
１１０…ＦＤＣ
１２０…マイクロコントローラＭＩＣＣ
１４０…感温レジスタ
１５０…固定レジスタ
１６０…ホール素子
１７０、５７０…コイル
１９０、５９０…スイッチ
５１０…ＦＤＩＣ
５２０…比較器
５３０…感温レジスタ
５４０…固定レジスタ
５５０…コンデンサ
５６０…ホール素子
５４２、５４４、５４６…レジスタ

Claims (2)

1. ファン制御システムであって、
   第一、第二入力信号を受信し、前記第一及び第二入力信号に従って、出力信号を決定し、前記出力信号を出力するプログラム可能なマイクロコントローラと、
   前記出力信号に従って、前記ファンを駆動する回転速度を調整するファン駆動回路とからなり、
   前記回転速度は、前記第一入力信号に対する多段数学関数の関係であり、
   前記回転速度と前記第一入力信号間の関数は、前記第二入力信号の変化により、比例的に変わることを特徴とするファン制御システム。
2. 前記第一、第二入力信号は、それぞれ可変電圧信号、操作、環境温度、方形波信号の周波数、方形波信号の負荷サイクル、及び外部のパルス幅変調信号のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のファン制御システム。

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