TWI609567B

TWI609567B - 定風量風扇控制方法

Info

Publication number: TWI609567B
Application number: TW105102352A
Authority: TW
Inventors: 洪銀樹; 邱智翔; 林文傑
Original assignee: 建準電機工業股份有限公司
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-12-21
Also published as: TW201728072A; CN106996384B; CN106996384A

Description

定風量風扇控制方法

本發明係關於一種風扇控制方法；特別是關於一種定風量風扇控制方法。

習知換氣扇(ventilator，或稱通風機)可由馬達帶動扇葉旋轉，以利將空氣經由導管輸送至一空間或一設備之腔室，用於換氣或排氣。舉例而言，由於無塵室內的製程設備產生的各種氣體需經由排氣裝置抽至不同設備，當風量太小或抽氣不足時，可能會造成設備當機而停產，當風量太大時，會因無塵室內負壓增大造成製程成本提高，故有需要發展定風量的換氣扇。

習知定風量風扇控制方法可藉由彈簧調整風門葉片之翻轉角度，以便自動控制通過風門的風量，使通風量趨於固定，其實施例可參酌中華民國公告第545556號「風門之定風量結構」專利案。

惟，換氣扇之通風量與風門開口面積、風壓均有關，上述習知風扇控制方法僅能調整風門開口面積，並未對應衡量風壓之影響，且控制風量的彈簧會有彈性疲乏現象，實際上難以固定通風量。

有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。

本發明係提供一種可衡量風壓對風量之影響的定風量風扇控制方法。

本發明揭示一種定風量風扇控制方法，可供用於調控風量之一控制器執行，該控制器可內含一運轉曲線及一定量曲線，該定量曲線包含一第一交點及一第二交點，該第一交點位於一第一風量與一第一風壓交會處，該第一風壓之值為零，該第一交點為一第一轉速及一第一佔空比之函數值，該定量曲線與該運轉曲線交會於該第二交點，該第二交點位於一第二風量與一第二風壓交會處，該第二風壓之值大於該第一風壓之值，該第二交點為一第二轉速、一第二佔空比及一目標電流之函數值，該第一風量及該第二風量介於一定量範圍內，該方法之步驟可包含：一定速步驟，該控制器依據一預定佔空比驅使一馬達運轉，判斷該馬達之工作電流是否小於該目標電流，若判斷為是，再次進行該定速步驟，若判斷為否，設定一工作轉速介於該第一轉速與該第二轉速之間，進行一扭轉步驟；及該扭轉步驟，該控制器依據該第一轉速、該第二轉速、該工作轉速、該第一佔空比及該第二佔空比獲得一目標佔空比，依據該目標佔空比驅動該馬達，判斷該馬達之轉速是否小於該第二轉速，若判斷為是，設定該工作轉速為該馬達之轉速，再次進行該扭轉步驟，若判斷為否，再次進行該定速步驟。

所述定量範圍可為一目標風量於一比率變動而含括的範圍；所述定量曲線可為介於上述定量範圍內的直線或曲線；所述目標佔空比係以查表或方程式計算方式獲得，如：依據上述工作轉速、上述第一轉速、上述第二轉速、上述第一佔空比及上述第二佔空比以內插法或線性迴歸法計算獲得。藉此，可利用簡易換算方式取得該目標佔空比，減少該目標佔空比取得的時間，以便即時調控該馬達之運轉速度。

所述馬達電性連接一電流計及一轉速計，上述控制器電性連接該馬達、該電流計及該轉速計，該控制器可由該電流計取得該馬達之工作電流，該控制器可由該轉速計取得該馬達之轉速；該控制器可為一微控制器或一數位訊號處理器；該電流計、該轉速計及該控制器可整合於一電路板，該電路板可設置於該馬達或一風扇內部。藉此，可簡化風量調控過程所需的硬體架構，有利於降低大量生產時的製造成本。

所述定速步驟前進行一設定步驟，以上述控制器設定一第一定量參數組及一第二定量參數組，該第一定量參數組內含上述第一轉速及上述第一佔空比，該第二定量參數組內含上述第二轉速、上述第二佔空比及上述目標電流。藉此，可自動建立客觀且標準化之參數產生過程，避免人為估測過程造成誤差，可提高產品穩定度。

上揭定風量風扇控制方法可利用風扇馬達運轉的工作電流作為評估風扇所處位置的靜壓(即馬達負載)，並依據事先測得的運轉曲線產生該目標佔空比，依據該目標佔空比驅動馬達，並利用該馬達之轉速評估風量(風量與轉速成正比)，據此調整該目標佔空比調控風扇馬達之轉速，使得風扇輸出的風量趨於定值(即目標風量)。藉此，本發明定風量風扇控制方法可衡量風壓對風量之影響，並可達到「無論風扇所處位置之風壓如何變動，均可維持輸出風量趨於定值」功效，以便適用於需維持輸出風量之空調或排氣等裝置。

〔本發明〕

1‧‧‧風量控制系統

11‧‧‧馬達

12‧‧‧電流計

13‧‧‧轉速計

14‧‧‧控制器

C‧‧‧目標電流

D1‧‧‧第一佔空比

D2‧‧‧第二佔空比

Dn‧‧‧目標佔空比

P1‧‧‧第一風壓

P2‧‧‧第二風壓

Pn‧‧‧第三風壓

PQ1‧‧‧第一交點

PQ2‧‧‧第二交點

PQn‧‧‧第三交點

R1‧‧‧第一轉速

R2‧‧‧第二轉速

Rn‧‧‧工作轉速

Q‧‧‧目標風量

Q1‧‧‧第一風量

Q2‧‧‧第二風量

Q3‧‧‧第三風量

Q_A‧‧‧定量範圍

S0‧‧‧設定步驟

S1‧‧‧定速步驟

S2‧‧‧扭轉步驟

U1‧‧‧運轉曲線

U2‧‧‧定量曲線

第1圖：係本發明定風量風扇控制方法實施例之系統方塊圖。

第2圖：係本發明定風量風扇控制方法實施例之運轉曲線與定量曲線的示意圖。

第3圖：係本發明定風量風扇控制方法實施例之運作流程圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之方向性用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所述之「風量」(wind volume)，係指單位時間內空氣的流通量，如：風扇每分鐘送出或吸入空氣的總體積，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「風壓」(wind pressure)，係指垂直於氣流方向的平面所受到的空氣壓力，如：建築物之牆面受到的空氣壓力，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第1圖所示，其係本發明定風量風扇控制方法實施例之系統方塊圖。其中，該方法實施例可利用一風量控制系統1實施，該風量控制系統1可包含：一馬達11、一電流計12、一轉速計13及一控制器14，該馬達11可為習知風扇馬達，該馬達11可配合其他風扇構件驅使空氣流動，該馬達11電性連接該電流計12及轉速計13；該電流計12可為習知電流感測元件等，用以感測該馬達11之工作電流；該轉速計13可為習知轉速感測元件，如：霍爾元件(hall device)等，用以感測該馬達11運轉時的轉速；該控制器14電性連接該馬達11、電流計12及轉速計13，該控制器14可為具有資料儲存、處理及訊號產生功能的控制裝置，如：微控制器(MCU)或數位訊號處理器(DSP)等，用以控制該馬達11之運轉型態，惟不以此為限。藉此，可簡化風量調控過程所需的硬體架構，有利於降低大量生產時的製造成本。

在此實施例中，該馬達11之一定子(stator)可設置於一風扇之一扇框(frame)內，該馬達11之一轉子(rotor)可結合一扇輪(impeller)；該電流計12、轉速計13及控制器14可整合於一電路板 (PCB)，該電路板可設置於該馬達11或風扇內部，該控制器14可執行一風控程式(wind control program)，用以調控該風扇之風量，該控制器14可儲存用於控制風量之參數等資料，如：該控制器14可內含一預定佔空比(preset duty cycle，如：1~99%)、一運轉曲線(operation curve)及一定量曲線(fixed wind volume curve)，用以控制該馬達11之轉速，使該風扇之風量趨於定值，該預定佔空比、運轉曲線及定量曲線可預先儲存於該控制器14，或經由特殊通訊協定寫入該控制器14，以便供相關人員更新資料，惟不以此為限。

請參閱第2圖所示，其係本發明定風量風扇控制方法實施例之運轉曲線與定量曲線的示意圖。其中，該運轉曲線U1可為上述風扇於正常運轉時之風壓(wind pressure)與風量(wind volume)的關係曲線，該定量曲線U2可為上述風扇於定風量運轉時之風壓與風量的關係曲線，該等關係曲線可為上述風扇之風壓與風量的測試或模擬結果，如：利用風洞機(wind tunnel)進行測試或利用相關電腦模擬軟體(simulation software)產生，惟不以此為限。

舉例而言，如第2圖所示，該運轉曲線U1可為該風扇於任何轉速(如：額定轉速等)運轉之風壓與風量的關係曲線，該定量曲線U2可為介於一定量範圍Q_A內的直線或曲線，該定量範圍Q_A可為一目標風量(target wind volume)Q於一比率(如：±5%)變動而含括的範圍，以便適用於不同定風量需求的場所。該定量曲線U2以直線為例說明，該定量曲線U2可包含一第一交點PQ1、一第二交點PQ2及一第三交點PQn，該第一交點PQ1位於一第一風量Q1與一第一風壓(first wind pressure)P1交會處，該第一風壓P1之值可為零或接近零之正值，該第一交點PQ1可為一第一轉速(first revolution speed)R1及一第一佔空比(first duty cycle)D1的函數值，如：PQ1=F(R1,D1)；該定量曲線U2與運轉曲線U1可交會於該第二交點PQ2，該第二交點PQ2位於一第二風量Q2與一第二風壓(second wind pressure)P2交會處，該第二風壓P2之值大於該第一風壓P1之值，該第二交點PQ2可為一第二轉速(second revolution speed)R2、一第二佔空比(second duty cycle)D2及一目標電流(target current)C的函數值，如：PQ2=F(R2,D2,C)；該第三交點PQn可為該定量曲線U2位於該第一交點PQ1與第二交點PQ2之間的任一點，如：該第三交點PQn可位於一第三風量Q3與一第三風壓(third wind pressure)Pn交會處，該第三風壓Pn介於該第一風壓P1與第二風壓P2之間，該第三交點PQn可為一工作轉速(working revolution speed)Rn及一目標佔空比(target duty cycle)Dn的函數值，如：PQn=F(Rn,Dn)；其中，該第一風量Q1、第二風量Q2、第三風量Q3皆位於該定量範圍Q_A內，在此例中，該第一風量Q1、第二風量Q2、第三風量Q3皆為該目標風量Q；上述函數值可依實際風扇的特性參數進行調整，在此並不設限。

請參閱第3圖所示，其係本發明定風量風扇控制方法實施例之運作流程圖。其中，該定風量風扇控制方法實施例可供用於調控風量之上述控制器14執行，該方法實施例主要包含一定速步驟S1及一扭轉步驟S2，詳細說明如後所述，請一併參閱第1及2圖所示。

請再參閱第3圖所示，上述定速步驟S1可由上述控制器14依據上述預定佔空比驅使上述馬達11運轉，並藉由上述電流計12判斷該馬達11之工作電流是否小於該目標電流C，若判斷為「是」，該控制器14再次進行該定速步驟S1，若判斷為「否」，該控制器14設定該工作轉速Rn介於該第一轉速R1與該第二轉速R2之間，進行上述扭轉步驟S2。

請再參閱第3圖所示，上述扭轉步驟S2可由上述控制器14依據上述第一轉速R1、第二轉速R2、工作轉速Rn、第一佔空比D1及第二佔空比D2獲得上述目標佔空比Dn，該控制器14依據該目標佔空比Dn 驅動該馬達11，用以判斷該馬達11之轉速是否小於該第二轉速R2，若判斷為「是」，該控制器14藉由上述轉速計13載入上述馬達11之轉速更新該工作轉速Rn，再次進行該扭轉步驟S2，若判斷為「否」，再次進行上述定速步驟S1。在此實施例中，該目標佔空比Dn可由該控制器14以查表或方程式計算方式獲得，如：計算該工作轉速介於該第一轉速R1與第二轉速R2之間的差值比例，利用該第一佔空比D1及第二佔空比D2之間的差值比例計算獲得該目標佔空比Dn，該計算方式可為內插法(interpolation)或線性迴歸法(linear regression)等方式，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。藉此，該控制器14可利用簡易換算方式取得該目標佔空比，減少該目標佔空比取得的時間，以便即時調控該馬達之運轉速度。

請再參閱第3圖所示，本發明定風量風扇控制方法實施例在進行上述定速步驟S1之前，還可進行一設定步驟S0，由上述控制器14設定一第一定量參數組及一第二定量參數組，該第一定量參數組內含上述第一轉速R1及上述第一佔空比D1，該第二定量參數組內含上述第二轉速R2、上述第二佔空比D2及上述目標電流C。在此實施例中，在風扇進行出廠設定時，可先利用風洞機測試風扇，用以設定該第一定量參數及第二定量參數，並將該第一定量參數及第二定量參數儲存於該控制器14，供該控制器14於風扇實際使用時執行上述風控作業程式，使風扇輸出的風量自動趨於定值。以下舉例說明本發明定風量風扇控制方法實施例的實際使用情形，惟不以此為限。

舉例而言，請再參閱第1及2圖所示，以鼓風扇為例，設定上述參數組之前，使用者可先定義上述第一交點PQ1、第二交點PQ2所含的風壓(靜壓)值及風量值，即上述第一風壓P1、第二風壓P2及目標風量Q；之後，上述控制器14可驅動上述馬達11運轉(如：利用PWM訊號)，並利用風洞機測得該第一交點PQ1對應的第一轉速R1及第一佔空比D1，以及，該第二交點PQ2對應的第二轉速R2、第二佔空比D2及目標電流C，如：開啟風洞機之校正模式，記錄用於校正該第一交點PQ1、第二交點PQ2所含的靜壓值及風量值等參數，以便設定上述參數組，如下表一所示，即為校正過程的實驗結果，其中，該靜壓值可能存在些微量測誤差，若該靜壓值接近零(如：表一之編號1的靜壓值為0.002)，則該第一風壓P1之值可視為零，惟不以此為限。

據此，當上述馬達11構成的風扇裝設於一物件(如：建築物之牆面或一電子設備等)時，若供電至該風量控制系統1，則該控制器14之風控程式可進行上述定速步驟S1，用以執行一定速模式(constant speed mode)，依據上述預定佔空比(如：20%)驅使上述馬達11運轉，若該馬達11之工作電流小於該目標電流C，可再次進行該定速步驟S1，用以繼續驅使該馬達11運轉，若該馬達11之工作電流大於或等於該目標電流C，表示該馬達11的轉速需被修正。此時，該控制器14可設定上述工作轉速Rn介於該第一轉速R1與該第二轉速R2之間，再進行上述扭轉步驟S2，用以執行一扭轉模式(torsion mode)，該控制器14可依據上述第一轉速R1、第二轉速R2、工作轉速Rn、第一佔空比D1及第二佔空比D2獲得上述目標佔空比Dn，該控制器14可依據該目標佔空比Dn驅動該馬達11，用以修正該馬達11的轉速，並判斷該馬達11之轉速是否小於該第二轉速R2，若判斷為是，該控制器14可載入該馬達11之轉速做為上述工作轉速Rn，並再次進行該扭轉步驟S2，若判斷為否，該控制器14可再次進行該定速步驟S1，以便持續驅動該馬達11，並利用該馬達11之工作電流與該目標電流C的關係確認該馬達11的轉速是否需被修正，惟若該馬達11的轉速及其對應的風壓值接近零，為免該馬達11停止運轉，該控制器14可用適當的佔空比(如：10%)驅使該馬達11轉動。其中，產生具有佔空比(duty cycle)之訊號驅動馬達，使馬達轉速到達一預定值的方式係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。依此類推，即可使風扇輸出之風量趨於定值，以便用於需要固定風量的空間或設備等。

承上所述，本發明定風量風扇控制方法實施例可利用風扇馬達運轉的工作電流作為評估風扇所處位置的靜壓(即馬達負載)，並依據事先測得的運轉曲線及定量曲線產生該目標佔空比，依據該目標佔空比驅動馬達，並利用該馬達之轉速評估風量(風量與轉速成正比)，據此，利用該目標佔空比調控風扇馬達之轉速，可輕易地協調馬達的動能與週遭環境參數的關係，使得風扇輸出的風量趨於定值(即目標風量)。

又，習知未具備定風量功能之風扇，利用其風扇控制器載入上述方法實施例的軟體程式，即可具備定風量功能，以便適用於「須延用原有風扇固定風量的設備」的使用需求。

藉此，本發明定風量風扇控制方法實施例可衡量風壓對風量之影響，可以達到「無論風扇所處位置之風壓如何變動，均可適應性地維持輸出風量趨於定值」功效，以便適用於需維持輸出風量之空調或排氣等裝置。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S0‧‧‧設定步驟

S1‧‧‧定速步驟

S2‧‧‧扭轉步驟

Claims

一種定風量風扇控制方法，供用於調控風量之一控制器執行，該控制器內含一運轉曲線及一定量曲線，該定量曲線包含一第一交點及一第二交點，該第一交點位於一第一風量與一第一風壓交會處，該第一風壓之值為零，該第一交點為一第一轉速及一第一佔空比之函數值，該定量曲線與該運轉曲線交會於該第二交點，該第二交點位於一第二風量與一第二風壓交會處，該第二風壓之值大於該第一風壓之值，該第二交點為一第二轉速、一第二佔空比及一目標電流之函數值，該第一風量及該第二風量介於一定量範圍內，該方法之步驟包含：一定速步驟，該控制器依據一預定佔空比驅使一馬達運轉，判斷該馬達之工作電流是否小於該目標電流，若判斷為是，再次進行該定速步驟，若判斷為否，設定一工作轉速介於該第一轉速與該第二轉速之間，進行一扭轉步驟；及該扭轉步驟，該控制器依據該第一轉速、該第二轉速、該工作轉速、該第一佔空比及該第二佔空比獲得一目標佔空比，依據該目標佔空比驅動該馬達，判斷該馬達之轉速是否小於該第二轉速，若判斷為是，設定該工作轉速為該馬達之轉速，再次進行該扭轉步驟，若判斷為否，再次進行該定速步驟。
根據申請專利範圍第1項所述之定風量風扇控制方法，其中上述目標佔空比係以查表或方程式計算方式獲得。
根據申請專利範圍第2項所述之定風量風扇控制方法，其中上述目標佔空比係依據上述工作轉速、上述第一轉速、上述第二轉速、上述第一佔空比及上述第二佔空比以內插法計算獲得。
根據申請專利範圍第2項所述之定風量風扇控制方法，其中上述目標佔空比係依據上述工作轉速、上述第一轉速、上述第二轉速、上述第一佔空比及上述第二佔空比以線性迴歸法計算獲得。
根據申請專利範圍第1項所述之定風量風扇控制方法，其中上述馬達電性連接一電流計及一轉速計，上述控制器電性連接該馬達、該電流計及該轉速計，該控制器由該電流計取得該馬達之工作電流，該控制器由該轉速計取得該馬達之轉速。
根據申請專利範圍第1、2、3、4或5項所述之定風量風扇控制方法，其中上述定速步驟之前進行一設定步驟，以上述控制器設定一第一定量參數組及一第二定量參數組，該第一定量參數組內含上述第一轉速及上述第一佔空比，該第二定量參數組內含上述第二轉速、上述第二佔空比及上述目標電流。
根據申請專利範圍第1、2、3、4或5項所述之定風量風扇控制方法，其中上述控制器為一微控制器或一數位訊號處理器。
根據申請專利範圍第5項所述之定風量風扇控制方法，其中該電流計、該轉速計及該控制器整合於一電路板，該電路板設置於該馬達或一風扇內部。
根據申請專利範圍第1項所述之定風量風扇控制方法，其中上述定量範圍為一目標風量於一比率變動而含括的範圍。
根據申請專利範圍第1項所述之定風量風扇控制方法，其中上述定量曲線為介於上述定量範圍內的直線或曲線。