TWI629416B - 風扇及其轉速控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種風扇及其轉速控制方法，用以解決習知風扇轉速控制需參考馬達工作電流值進行演算的問題。該方法包含：一初始化步驟，由一控制單元依一工作周期值啟動馬達；一第一定速步驟，比較馬達轉速與一第一目標轉速，改變該工作周期值使該轉速與該第一目標轉速相同，比較該工作周期值及一第一目標工作周期值；及一第二定速步驟，若該工作周期值與該第一目標工作周期值滿足一第一關係式，比較該轉速與一第二目標轉速，改變該工作周期值使該轉速與該第二目標轉速相同，若該工作周期值與一第二目標工作周期值滿足一第二關係式，進行該第一定速步驟，該轉速控制方法可用於一風扇。

Description

風扇及其轉速控制方法
本發明係關於一種風扇及其轉速控制方法，尤其是一種不需參考馬達工作電流值即能自動調整轉速的風扇及其轉速控制方法。
習知換氣扇，或稱通風機，可由數個風管連接至數個空間或機台，經由一馬達帶動風扇旋轉推動空氣流動，以用於換氣或排氣。而需要排氣的空間大小、數量及風管長度、徑寬等因素，皆會影響風扇所承受之靜壓，又馬達驅動風扇旋轉之功率固定時，靜壓升高使風扇之風量減少，反之，靜壓降低使風扇之風量增加，當風扇之風量小於需求的總排氣量，會造成廢氣排放效率低而使機台損壞或使密閉空間內缺氧，當風扇之風量大於需求的總排氣量，會使空間內外壓力失衡且造成能源浪費。因風量正比於通過該風扇口之風速，故可透過風扇轉速控制方法調節風速，進而達到風量控管的功效。
習知風扇轉速控制方法，需測量該風扇之馬達的工作電流值及風扇之轉速，再經由演算使不同的排風需求下能夠維持穩定的風扇轉速，或判斷切換至更恰當的轉速。
惟，讀取電流值必須將電流計串接待測電路，因此安裝或更換電流計需先截止該馬達線路，造成使用及維護的困難，且電流信號需經過放大器增強，易產生雜訊，故需額外連接濾波器等元件以去除雜訊，因此迴路複雜，增加電路設置成本，且演算結果之準確度影響轉速的穩定性。
有鑑於此，習知的風扇及其轉速控制方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明提供一種風扇轉速控制方法，係參考一可改變之工作周期值與馬達轉速的對應關係，而不需測量馬達的工作電流值。
本發明提供一種風扇轉速控制方法，可配合環境壓力變化，自動調整適當的高低轉速，避免換氣量不足或浪費能源。
本發明的風扇轉速控制方法，包含：一初始化步驟，由一控制單元依一初始工作周期值啟動一風扇之一馬達；一第一定速步驟，該控制單元比較該馬達之轉速與預存之一第一目標轉速，若該轉速與該第一目標轉速不同，則改變該控制單元輸出之工作周期值使該轉速與該第一目標轉速相同，若該轉速與該第一目標轉速相同，續比較此時該工作周期值與預存之一第一目標工作周期值是否滿足一第一關係式，若否，重複進行該第一定速步驟；及一第二定速步驟，若該第一定速步驟中該工作周期值與該第一目標工作周期值滿足該第一關係式，則該控制單元比較該轉速與預存之一第二目標轉速，若該轉速與該第二目標轉速不同，則改變該控制單元輸出之該工作周期值使該轉速與該第二目標轉速相同，若該轉速與該第二目標轉速相同，續比較此時該工作周期值與預存之一第二目標工作周期值是否滿足一第二關係式，若否，重複進行該第二定速步驟，若是，則進行該第一定速步驟。
據此，本發明的風扇轉速控制方法，不需要參考馬達工作電流值進行演算，而是透過比較轉速及調整工作周期值的步驟，使風扇所在環境靜壓高低變化時，仍維持相同的轉速以提供穩定的風量輸出。
其中，該工作周期值與該轉速為正相關，該第一關係式為該 工作周期值小於該第一目標工作周期值，該第二關係式為該工作周期值大於該第二工作周期值，其中，該第一目標工作周期值大於該第二目標工作周期值。如此，可依工作周期值控制風扇以高速或低速運轉，滿足換氣需求並節省能量浪費。
其中，該工作周期值與該轉速為負相關，該第一關係式為該工作周期值大於該第一目標工作周期值，該第二關係式為該工作周期值小於該第二工作周期值，其中，該第一目標工作周期值小於該第二目標工作周期值。如此，可依工作周期值控制風扇以高速或低速運轉，滿足換氣需求並節省能量浪費。
其中，該風扇係一換氣扇，並連接至數個開閉空間。如此，具有由單一風扇提供數個開閉空間換氣的功效。
其中，該第一目標轉速、該第二目標轉速、該第一目標工作周期值、該第二目標工作周期值、該第一關係式及該第二關係式係儲存於該控制單元。如此，控制單元依據實驗數據，透過工作周期值控制轉速，而不需量測電流值或使用複雜演算法，具有提升精確度及降低維修成本的功效。
其中，該控制單元儲存數個風扇特性曲線，各代表不同工作周期值。如此，定速步驟中，可透過工作周期值控制轉速，而不需量測電流值或使用複雜演算法，具有提升精確度及降低維修成本的功效。
其中，由該第一定速步驟進入該第二定速步驟時，係依照一第一遲滯曲線進行，由該第二定速步驟進入該第一定速步驟時，係依照一第二遲滯曲線進行。如此，該第一及第二遲滯曲線之設定可避免當該控制單元之工作周期值趨近於該第一目標工作周期值或該第二目標工作周期值時，該馬達轉速於短時間內多次重複高低變換導致馬達損壞或換氣量不穩定，具有提升精確度及穩定風量的功效。
其中，該控制單元係一微控制器。如此，該控制單元可儲存該風扇的相關實驗數據，並進行運算處理，具控制並穩定該馬達轉速的功效。
其中，該控制單元包含一驅動電路，該驅動電路電性連接並驅動該馬達。如此，該控制單元可輸出具有該工作周期值的脈衝寬度調變驅動信號使該馬達運轉，具有控制該馬達轉速的功效。
其中，該馬達具有一測速單元，該測速單元電性連接該控制單元。如此，該測速單元可偵測並傳輸一轉速信號至該控制單元以進行比較，具有監控及協助穩定該馬達轉速的功效。
其中，該控制單元及該測速單元係整合於一電路板，該電路板設置於該風扇或該馬達內部。如此，可簡化硬體架構，具有降低製造成本的功效。
其中，該測速單元係一霍爾感測器。如此，該測速單元可在不影響該馬達旋轉之情況下測量該馬達轉速，具有監控及協助穩定該馬達轉速的功效。
本發明另提供一種風扇，可包含：一扇輪；一馬達，用以帶動該扇輪以一轉速旋轉；及一控制單元，電性連接該馬達，該控制單元輸出具有一工作周期值之一驅動信號驅動該馬達旋轉，該控制單元判斷該工作周期值與預存之目標工作周期值之關係，以控制該馬達以一第一目標轉速或一第二目標轉速作定轉速旋轉。
據此，本發明的風扇不需要參考馬達工作電流值進行演算，而是透過調整工作周期值，使風扇所在環境靜壓高低變化時，仍維持相同的轉速以提供穩定的風量輸出。
其中，該風扇係一換氣扇，具有數個入風口及一個出風口。如此，具有由單一風扇以二段定轉速分別提供數個開閉空間換氣的功效。
其中，該入風口為三個。如此，具有由單一風扇以二段定轉速分別提供數個開閉空間換氣的功效。
F‧‧‧風扇
1‧‧‧控制單元
2‧‧‧馬達
21‧‧‧測速單元
3‧‧‧扇輪
T‧‧‧風管
G‧‧‧閘門
I‧‧‧入風口
O‧‧‧出風口
S0‧‧‧初始化步驟
S1‧‧‧第一定速步驟
S2‧‧‧第二定速步驟
D‧‧‧工作周期值
D1‧‧‧第一目標工作周期值
D2‧‧‧第二目標工作周期值
R‧‧‧馬達轉速
R1‧‧‧第一目標轉速
R2‧‧‧第二目標轉速
H1‧‧‧第一遲滯曲線
H2‧‧‧第二遲滯曲線
第1圖：本發明一實施例之系統方塊圖。
第2圖：本發明一實施例之實際應用圖。
第3圖：本發明中工作周期值與馬達轉速成正相關之一實施例之運作流程圖。
第4圖：本發明一實施例之轉速切換的遲滯曲線示意圖。
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「風量」(flow rate)，係指風扇通風面積與通過該面積的風速之乘積，單位係立方公尺/秒(m3/s)，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「靜壓」(static pressure)，係指氣體對物之表面作用的壓力，由管壁上一測壓孔所測量垂直於氣流方向的壓力，單位係帕(Pa)，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「轉速相同」，係指二轉速之差在一可容許之誤差範圍內，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
請參照第1圖，其係本發明風扇轉速控制方法一實施例之系統架構圖，該風扇F係包含一控制單元1、一馬達2及一扇輪3，該控制單元1可為一微控制器，該控制單元1可包含一驅動電路，該驅動電路電性連接該馬達2，該控制單元1傳送一脈衝寬度調變(Pulse width modulation,PWM)驅動信號以驅使該馬達2旋轉，該PWM驅動信號具有可調整的工 作周期值(Duty cycle)D，該馬達2可帶動一扇輪3以一馬達轉速R旋轉(本發明中該馬達轉速R等同於該扇輪3之轉速，以下不再贅述)；該馬達2具有一測速單元21電性連接該控制單元1，該測速單元21可偵測該馬達轉速R並傳輸一轉速信號至該控制單元1，該測速單元21可為一霍爾感測器(Hall sensor)。
在本實施例中，該控制單元1及該測速單元21可整合於一電路板(PCB)，該電路板可設置於該風扇F或該馬達2內部以簡化硬體架構，有利於降低製造成本。
該控制單元1可預先儲存用於控制馬達轉速R之參數，如：代表不同工作周期值D之數個風扇特性曲線(靜壓-風量曲線，P-Q curve)、特定靜壓狀態下不同工作周期值D與馬達轉速R之對應關係、預設之目標工作周期值及預設之目標轉速等資料，以上參數資料係針對該馬達2之功率及風扇構件進行實驗分析所得，用以控制該馬達轉速R，使系統趨近於目標設定值。
請參照第2圖，其係使用本發明之風扇實際應用示意圖，該風扇F可以是一換氣扇，並具有數個入風口I及一個出風口O，且該數個入風口I分別連接數個風管T，該數個風管T可分別連接至數個開閉空間，各該風管T與該數個開閉空間之間可設有閘門G，經由各該閘門G的開闔可選擇需進行換氣之開閉空間，並形成各高低不同的靜壓值影響該風扇F(換氣扇)運轉時的風量及轉速。於本實施例中，該入風口I數量較佳為三個或三個以上，以實現二段定轉速控制功能，惟不以此為限。
請參照第1及3圖，其係本發明風扇轉速控制方法實施例之運作流程圖，該方法包含一初始化步驟S0、一第一定速步驟S1、一第二定速步驟S2。該初始化步驟S0係由該控制單元1發出一PWM驅動信號啟動該馬達2，該PWM驅動信號具有一初始之工作周期值D，該馬達2驅使 該扇輪3以一初始轉速旋轉，該測速單元21偵測該馬達轉速R並傳輸至該控制單元1。於本實施例中，該工作周期值D可以是100%，該初始轉速可以是1600轉/分鐘(Revolutions per minute,rpm)，惟不以此為限。
該第一定速步驟S1係由該控制單元1比較當前測得之該馬達轉速R與預存於該控制單元1之一第一目標轉速R1，若該馬達轉速R與該第一目標轉速R1不同，則改變該控制單元1輸出之工作周期值D，使該馬達轉速R趨近該第一目標轉速R1，並重複比較該馬達轉速R及調整該工作周期值D之過程，直到使該馬達轉速R與該第一目標轉速R1相同；續比較此時之工作周期值D與預存於該控制單元1之一第一目標工作周期值D1，若該工作周期值D與該第一目標工作周期值D1未滿足一第一關係式，則重複進行該第一定速步驟S1，使該馬達轉速R可保持以預設之該第一目標轉速R1運轉；若此時之工作周期值D與該第一目標工作周期值D1滿足該第一關係式，則進行該第二定速步驟S2。於本實施例中，該第一目標轉速R1可以是1300rpm，該第一目標工作周期值D1可以是70%，且於本實施例中該工作周期值D係與該馬達轉速R成正相關，故該第一關係式為D<D1，惟不以此為限。
請參照第1、2及3圖，具體而言，由於本發明之風扇F係透過數個風管T連接至數個開閉空間進行換氣，該風扇F之轉速可能因為各該數個風管T的閘門G之開闔而有所增減。故，於本實施例中，當有部分閘門G打開或闔起時，該風扇F之轉速會因為系統靜壓變化而改變，此時，該控制單元1需透過調整該工作周期值D穩定該馬達轉速R，以提供穩定之風量輸出。又，於本實施例中，當有多數閘門G闔起時，該風扇F可能僅需接收具有小於該第一目標工作周期值D1的工作周期值D之PWM驅動信號(例如僅具有65%工作周期值之PWM驅動信號)即可維持以該第一目標轉速R1運轉，此時，控制單元判斷應切換至該第二定速步驟S2 以低速運轉避免能量浪費。
該第二定速步驟S2係由該控制單元1比較當前測得之該馬達轉速R與預存於該控制單元1之一第二目標轉速R2，若該馬達轉速R與該第二目標轉速R2不同，則改變該控制單元1輸出之工作周期值D，使該馬達轉速R趨近該第二目標轉速R2，並重複比較該馬達轉速R及調整該工作周期值D之過程，直到使該馬達轉速R與該第二目標轉速R2相同；續比較此時之工作周期值D與預存於該控制單元1之一第二目標工作周期值D2，若該工作周期值D與該第二目標工作周期值D2未滿足一第二關係式，則重複進行該第二定速步驟S2，使該馬達轉速R可保持以預設之該第二目標轉速R2運轉；若此時之工作周期值D與該第二目標工作周期值D2滿足該第二關係式，則進行該第一定速步驟S1。於本實施例中，該第二目標轉速R2可以是1100rpm，該第二目標工作周期值D2可以是50%，且於本實施例中該工作周期值D係與該馬達轉速R成正相關，故該第二關係式為D>D2，惟不以此為限。
具體而言，當有多數閘門G開啟時，該風扇F可能需接收具有大於該第二目標工作周期值D2的工作周期值D之PWM驅動信號(例如具有55%工作周期值之PWM驅動信號)才能維持以該第二目標轉速R2運轉，此時，該控制單元1判斷應切換至該第一定速步驟S1以高速運轉方能滿足換氣需求。
於上述實施例中，該工作周期值D係與該馬達轉速R為正相關，因此該工作周期值D與該第一目標工作周期值D1應滿足之第一關係式為D<D1，該工作周期值D與該第二目標工作周期值D2應滿足之第二關係式為D>D2，且此實施例中D1>D2。於另一實施例中，該工作周期值D可與該馬達轉速R為負相關，因此該工作周期值D與該第一目標工作周期值D1應滿足之第一關係式為D>D1，該工作周期值D與該第二目標 工作周期值D2應滿足之第二關係式為D<D2，此實施例中D1<D2。
於另一實施例中，本發明之風扇轉速控制方法依實施狀況可另包含一第三定速步驟，使風扇維持以介於該第一目標轉速R1及該第二目標轉速R2間之一第三目標轉速R3運轉，並依照一第三目標工作周期值D3判斷是否切換該馬達轉速R。據此，視實施狀況亦可增設第四、第五定速步驟，分別使風扇維持以第四、第五目標轉速運轉，並以對應的目標工作周期值設定適用範圍，惟不以此為限。
請參照第1、3及4圖，其係本發明風扇轉速控制方法一實施例之轉速切換的遲滯曲線示意圖，該第一定速步驟S1係對應至風扇特性曲線之1300rpm定轉速區間，該第二定速步驟S2係對應至風扇特性曲線之1100rpm定轉速區間，而由該第一定速步驟S1進入該第二定速步驟S2時，係依照一第一遲滯曲線H1進行，由該第二定速步驟S2進入該第一定速步驟S1時，係依照一第二遲滯曲線H2進行，該第一及第二遲滯曲線H1、H2之設定可避免當該控制單元1之工作周期值D趨近於該第一目標工作周期值D1或該第二目標工作周期值D2時，該馬達轉速R於短時間內多次重複高低變換導致該馬達2損壞或換氣量不穩定。
綜上所述，本發明的風扇轉速控制方法，不需要參考馬達工作電流值進行演算，而是透過預先進行實驗測得欲切換轉速的目標工作周期值，再藉由比較轉速及調整工作周期值，使風扇不論環境靜壓之高低變化，仍維持相同的轉速，提供閘門開啟的開閉空間穩定的換氣量。
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。

Claims (22)

  1. 一種風扇轉速控制方法，包含：一初始化步驟，由一控制單元依一初始工作周期值啟動一風扇之一馬達；一第一定速步驟，該控制單元比較該馬達之轉速與預存之一第一目標轉速，若該轉速與該第一目標轉速不同，則改變該控制單元輸出之工作周期值使該轉速與該第一目標轉速相同，若該轉速與該第一目標轉速相同，續比較此時該工作周期值與預存之一第一目標工作周期值是否滿足一第一關係式，若否，重複進行該第一定速步驟；及一第二定速步驟，若該第一定速步驟中該工作周期值與該第一目標工作周期值滿足該第一關係式，則該控制單元比較該轉速與預存之一第二目標轉速，若該轉速與該第二目標轉速不同，則改變該控制單元輸出之該工作周期值使該轉速與該第二目標轉速相同，若該轉速與該第二目標轉速相同，續比較此時該工作周期值與預存之一第二目標工作周期值是否滿足一第二關係式，若否，重複進行該第二定速步驟，若是，則進行該第一定速步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該工作周期值與該轉速為正相關，該第一關係式為該工作周期值小於該第一目標工作周期值，該第二關係式為該工作周期值大於該第二工作周期值，其中，該第一目標工作周期值大於該第二目標工作周期值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該工作周期值與該轉速為負相關，該第一關係式為該工作周期值大於該第一目標工作周期值，該第二關係式為該工作周期值小於該第二工作周期值，其中，該第一目標工作周期值小於該第二目標工作周期值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該風扇係一換 氣扇，並連接至數個開閉空間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該第一目標轉速、該第二目標轉速、該第一目標工作周期值、該第二目標工作周期值、該第一關係式及該第二關係式係儲存於該控制單元。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該控制單元儲存數個風扇特性曲線，各代表不同工作周期值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，由該第一定速步驟進入該第二定速步驟時，係依照一第一遲滯曲線進行，由該第二定速步驟進入該第一定速步驟時，係依照一第二遲滯曲線進行。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該控制單元係一微控制器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該控制單元包含一驅動電路，該驅動電路電性連接並驅動該馬達。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制方法，其中，該馬達具有一測速單元，該測速單元電性連接該控制單元。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之風扇轉速控制方法，其中，該控制單元及該測速單元係整合於一電路板，該電路板設置於該風扇或該馬達內部。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之風扇轉速控制方法，其中，該測速單元係一霍爾感測器。
  13. 一種風扇，包含：一扇輪；一馬達，用以帶動該扇輪以一轉速旋轉；及一控制單元，電性連接該馬達，該控制單元輸出具有一工作周期值之一驅動信號驅動該馬達旋轉，該控制單元判斷該工作周期值與預存之目標 工作周期值之關係，以控制該馬達以一第一目標轉速或一第二目標轉速作定轉速旋轉，由該第一目標轉速改變為該第二目標轉速時，係依照一第一遲滯曲線進行，由該第二目標轉速改變為該第一目標轉速時，係依照一第二遲滯曲線進行。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該風扇係一換氣扇，具有數個入風口及一個出風口。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之風扇，其中，該入風口為三個。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該第一目標轉速、該第二目標轉速及該目標工作周期值係儲存於該控制單元。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該控制單元儲存數個風扇特性曲線，各代表不同工作周期值。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該控制單元係一微控制器。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該控制單元包含一驅動電路，該驅動電路電性連接並驅動該馬達。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之風扇，其中，該馬達具有一測速單元，該測速單元電性連接該控制單元。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之風扇，其中，該控制單元及該測速單元係整合於一電路板，該電路板設置於該風扇或該馬達內部。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之風扇，其中，該測速單元係一霍爾感測器。
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