TWI691653B - 風扇轉速控制方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種風扇轉速控制方法，適用於一伺服器，該伺服器包括一風扇，該風扇轉速控制方法包括於一第一時間偵測一第一溫度訊號，並以該第一溫度訊號與一預設溫度作比較，以產生一溫度誤差訊號，並對該溫度誤差訊號進行一模糊邏輯運算得到一溫度誤差模糊變數。於一第二時間偵測一第二溫度訊號並與該第一溫度訊號作比較，以產生一溫度變化訊號，並對其進行該模糊邏輯運算以得到一溫度變化模糊變數。以該溫度誤差模糊變數、該溫度變化模糊變數與一資料庫中之一模糊條件表進行匹配，得到一轉速變化模糊變數，並據以調整該風扇之轉速。

Description

風扇轉速控制方法及其裝置

本發明係關於一種風扇轉速控制方法及其裝置，特別是一種根據 伺服器之工作溫度而動態調整風扇轉速的控制方法及其裝置。

伺服器運轉時會產生大量廢熱，因此會配置風扇以調整其內部溫度。藉由良好的風扇轉速調控，可使伺服器內部溫度維持在系統設定的溫度值以維持正常運作，同時能避免因過度冷卻(over-provisioning cooling)而使風扇過度運轉，耗費多餘的電力。

然而，目前的風扇轉速控制方法，需依賴精確的參數設定，才能使伺服器系統的內部溫度能剛好維持在設定點(set-point)。當參數設定不夠精準，除了影響散熱效率，風扇的轉速也會因此發生震盪，進而影響風扇的性能。因此，開發人員需耗費相當長的時間調整相關的參數值並測試驗證。當一個系統架構完成驗證後，如果更換了部分元件（例如，會產生廢熱的CPU或是散熱片），因原先校調好的參數值無法適應新的系統架構，需要再次微調，將耗費額外的時間與人力。

因此，目前尚需要一種風扇轉速控制方法及其裝置，能針對不同的溫度變化，在一合適的範圍內調整風扇轉速，且不需做參數微調，以維持伺服器運作時的溫度並改進現有的問題。

本發明在於提供一種風扇轉速控制方法及其裝置，能針對不同的溫度變化，在一合適的範圍內彈性調整風扇轉速，以維持伺服器運作時的溫度。

本發明提出一種風扇轉速控制裝置，包含一溫度感測器、一運算裝置，及一風扇。溫度感測器偵測一第一溫度訊號和一第二溫度訊號，並傳送第一溫度訊號和第二溫度訊號。運算裝置電性連結於溫度感測器，並比較第一溫度訊號與第二溫度訊號，以產生一溫度變化訊號，並對溫度變化訊號進行一模糊邏輯運算，以得到一溫度變化模糊變數，再將溫度誤差模糊變數、溫度變化模糊變數與一資料庫中之一模糊條件表進行匹配，以得到一轉速變化模糊變數。風扇電性連結於運算裝置，用以接收轉速變化模糊變數並據以進行運轉。

本發明提出一種風扇轉速控制方法，適用於一伺服器，伺服器包括一風扇，風扇轉速控制方法包括於一第一時間偵測一第一溫度訊號，以第一溫度訊號與一預設溫度作比較，並產生一溫度誤差訊號，對溫度誤差訊號進行一模糊邏輯運算，並得到一溫度誤差模糊變數。於一第二時間偵測一第二溫度訊號，以第一溫度訊號與第二溫度訊號作比較，並產生一溫度變化訊號，對溫度變化訊號進行模糊邏輯運算，並得到一溫度變化模糊變數，以溫度誤差模糊變數、溫度變化模糊變數與一資料庫中之一模糊條件表進行匹配，並得到一轉速變化模糊變數，以及以轉速變化模糊變數調整風扇之轉速。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1，圖1為依據本發明一實施例風扇轉速控制裝置的結構示意圖。風扇轉速控制裝置1包含一溫度感測器11、一運算裝置13與一風扇15 。溫度感測器11可包括一適用於測量伺服器內部溫度的溫度計，及一用以測量伺服器內風扇15轉速的轉速計。溫度感測器11用於偵測一第一溫度訊號、一第二溫度訊號和一轉速值，並傳送第一溫度訊號、第二溫度訊號和轉速值至運算裝置13。運算裝置13為一具有運算功能的硬體，電性連結於溫度感測器11，以接收第一溫度訊號、第二溫度訊號和轉速值，並產生一轉速變化模糊變數；另外，運算裝置13包含一記憶體131，記憶體131包含一脈波寬度調變表，脈波寬度調變表用於與轉速變化模糊變數進行匹配後，得到轉速變化量並傳送到風扇15。風扇15電性連結於運算裝置13，以接收轉速變化模糊變數，並據以調整其轉速。本發明係以模糊邏輯做為運算基礎，並以上述的運算裝置13執行相關的運算程序；因此，運算裝置13可另包含多個運算單元：一模糊化單元、一經驗化單元、一資料庫以及一解模糊化單元。關於上述的溫度誤差訊號、溫度變化訊號、模糊條件、溫度誤差模糊變數、溫度變化模糊變數、溫度響應-時間函數及轉速變化函數，以及關於上述的運算單元各別對應於模糊邏輯中不同的運算步驟，其詳細內容將於後續的段落進一步予以說明。

請參考圖2A與圖2B，圖2A為一傳統邏輯溫度的示意圖，圖2B為一模糊邏輯溫度的示意圖。傳統邏輯又稱為二值邏輯，即使用二元分法分析問題，其結果不是0就是1；但對於多數實務上的問題，其過於精確的邏輯分法不但適應性不夠，遇到複雜的問題時也較難真實呈現其結果。不同於傳統邏輯，模糊邏輯對於問題的判斷在0和1之間做了許多不同程度的區隔。即藉由歸屬函數(membership function)將輸入與輸出變數模糊化，做為設計模糊系統的第一個步驟，此步驟即是模糊邏輯運算，在本實施例中則以運算裝置13的模糊化單元執行此步驟。本實施例包含兩個輸入變數，分別為溫度誤差訊號和溫度變化訊號；其中溫度誤差訊號為溫度感測器11所測量的溫度訊號與一預設溫度的差異，溫度變化訊號則為溫度誤差訊號單位時間的變化量。輸出變數為一轉速變化模糊變數，用以改變風扇15的轉速，於後續段落會詳細描述。根據圖2B，透過模糊邏輯作為某種程度的表示係可針對不同的數據變化量加以定義，本實施例定義七種模糊變數，以涵蓋輸入與輸出相關的數據範圍，七種模糊變數對應於不同的敘述，如下表1所示。

表1

請參考圖3A，圖3A為依據本發明一實施例溫度誤差訊號歸屬函數的示意圖。根據表1所示的七種模糊變數，可進一步定義出不同範圍的溫度誤差訊號，所對應的歸屬函數即為前述的溫度誤差模糊變數。溫度誤差訊號對應的模糊變數、歸屬函數形狀與其數據範圍如表2和圖3A所示。

表2

請參考圖3B，圖3B為依據本發明一實施例溫度變化訊號歸屬函數的示意圖。同樣地，根據表1所示的七種模糊變數，可進一步定義出溫度變化訊號對應的歸屬函數，此歸屬函數即為前述的誤差變化模糊變數。溫度變化訊號對應的模糊變數、歸屬函數形狀與其數據範圍如表3和圖3B所示。

表3

請參考圖4與圖5，圖4為依據本發明一實施例溫度響應-時間函數的示意圖，圖5為依據本發明一實施例溫度響應-時間函數的歸屬函數的示意圖。以模糊化單元定義溫度誤差模糊變數與溫度變化模糊變數後，為定義上述的輸入變數與輸出變數「轉速變化歸屬函數」間的關係，需藉由運算裝置13的經驗化單元提供溫度響應-時間函數，以做為本實施例運算裝置13的運算基礎，進而建立模糊規則。由圖4，依據縱軸的振幅大小，可分為第一區B、第二區M與第三區S；其中第一區B的溫度誤差訊號及溫度變化訊號的絕對值較其他區域大，即輸入的變數較其他區域大，第二區M次之，第三區S則為最小。圖5係表示圖4中第一區B、第二區M與第三區S所對應的歸屬函數；由圖5可得知，除了在30℃至50℃之間涵蓋了第一區B、第二區M與第三區S三種不同的冷熱程度，另外在溫度低於30℃時定義為絕對的冷，高於50℃時定義為絕對的熱。因此，根據上述的歸屬函數，本實施例可對圖4的第一區B、第二區M與第三區S定義不同程度的風扇15轉速增減，使伺服器的內部溫度隨時間的變化趨近於圖4所示的溫度響應-時間函數。

請參考圖6，圖6為依據本發明一實施例模糊規則對應溫度響應-時間函數的示意圖。如同前面段落所述，表2所示的溫度誤差模糊變數與表3所示的溫度變化模糊變數，皆對應於表1所示的模糊變數；根據上述的資料，可藉由運算裝置13的一資料庫的多個模糊條件產生轉速變化模糊變數。其中溫度誤差模糊變數與溫度變化模糊變數各有七種可能，因此最多有49個模糊條件。本實施例係根據圖4的第一區B、第二區M與第三區S中各四個特徵點（極值與過零點），以及最後溫度平衡時的平衡點列出十三個模糊條件，並建構出如表4所示的模糊條件表，藉此，不僅簡化運算流程，並且仍能維持運算裝置13對溫度變化的敏感度及系統強健性。

表4(模糊條件表)

為詳細說明表4與圖6的關係，請一併參考表2與表3；本段落以圖6中第一負極值B1、第一過零點 B2、第一正極值 B3與第二過零點 B4 舉例說明。首先請參考第一負極值B1，當溫度誤差模糊變數為“PB”且溫度變化模糊變數為“ZO”，表示此時溫度誤差訊號介於3°C至5°C或5°C以上，溫度變化訊號則介於-0.15°C至0.15°C；上述的情況通常發生在伺服器剛開機但尚未產生大量廢熱，其溫度誤差訊號趨近於整個平衡過程中的最大值，且溫度變化訊號也較其他特徵點小；對應的轉速變化模糊變數為“NB”（此時內部處於低溫狀態，故風扇將以降低轉速的方式來運作)，此時風扇15以一預設轉速運轉。請參考第一過零點 B2，其溫度誤差模糊變數為“ZO”（溫度誤差訊號介於-1.5°C至1.5°C）且溫度變化模糊變數為“NB”（ 溫度變化訊號介於-0.5°C至-0.3°C或-0.5°C以下），溫度變化模糊變數為“NB”表示上一秒量測到的溫度低於這一秒量測到的溫度，內部溫度趨勢是逐漸升高，對應的轉速變化模糊變數為“PB” 表示風扇將以調升轉速的方式來運作。此時伺服器已開始運作並產生大量廢熱，使其內部溫度急遽上升並超過所設定的預設溫度，直到達到圖6的第一正極值 B3，對應於第一正極值 B3，其溫度誤差模糊變數為“NB”（ 溫度誤差訊號介於-3°C至-5°C或-5°C以下）且溫度變化模糊變數為“ZO”（ 溫度變化訊號介於-0.15°C至0.15°C），並對應於轉速變化模糊變數“PB” (由於此時內部處於高溫狀態，風扇仍須以調升轉速的方式來運作，確保內部溫度能朝逐步降溫的方向進行)；接著伺服器內部會因為風扇15轉速變快而增加散熱效率，而來到圖6的第二過零點B4，對應於第二過零點B4其溫度誤差模糊變數為“ZO”（溫度誤差訊號介於-1.5°C至1.5°C）且溫度變化模糊變數為“PB”（溫度變化訊號介於0.3°C至0.5°C或0.5°C以上），溫度變化模糊變數為“PB”表示上一秒量測到的溫度高於這一秒量測到的溫度，內部溫度趨勢是逐漸降低，對應的轉速變化模糊變數為“NB” 表示風扇將以降低轉速的方式來運作。以此類推第二負極值M1、第三過零點M2、第二正極值M3、第四過零點M4、第三負極值S1、第五過零點S2、第三正極值S3、第六過零點S4；風扇15的轉速變化量會持續減緩，使風扇15的轉速已調降到一合適的範圍且內部溫度越來越趨近於預設溫度，避免因過度冷卻(over-provisioning cooling)而消耗過多的風扇電力，且風扇15的轉速變化過程平順。

請參考圖7，圖7為依據本發明一實施例轉速變化歸屬函數的示意圖。如前所述，以資料庫建立十三個模糊條件後，資料庫根據該些模糊條件產生轉速變化歸屬函數；但轉速變化歸屬函數仍然以模糊變數的形式描述，因此尚需以解模糊化單元將其進行解模糊邏輯運算而改為以數值形式呈現。根據前述的模糊條件，不同範圍的溫度誤差訊號與溫度變化訊號，皆對應於不同的轉速變化模糊變數，而該些轉速變化模糊變數也對應於不同的轉速變化範圍。轉速變化歸屬函數對應的模糊變數、歸屬函數形狀與轉速變化量的範圍如表5與圖7所示。

表5(脈波寬度調變表)

請繼續參考表5與圖7。為簡單說明表5(即脈波寬度調變表)，接續段落將以表4所列的其中一個模糊條件為例進行說明。當溫度誤差模糊變數為“NB”且溫度變化模糊變數為“ZO”，則轉速變化模糊變數為“PB”；上述各模糊變數若改以實際對應的數據範圍呈現，則如下所述：當溫度誤差訊號介於-5°C至-3°C或-5°C以下且當溫度變化訊號介於-0.15°C至0.15°C，則轉速變化量訊號為介於0.4至1 PWM%之間的一數值，風扇15則依據此數值改變其轉速，其中PWM為Pulse Width Modulation(脈波寬度調變)簡稱，而PWM%係脈波寬度調變的工作週期百分比。進一步說明，運算裝置13的解模糊化單元通過”解模糊化運算”會得到確切的數值，舉例來說，脈波寬度調變表(即表5)中“轉速變化量” 若為 “ZO模糊變數的歸屬函數”，表示”轉速變化量”是在 -0.2%~0.2%，在採用重心法解模糊化後，假設是得到0.15%，則表示轉速變化量是對PWM的工作週期調升0.15%；又假若得到的是負值，表示調降。運算裝置13根據轉速值與轉速變化量輸出一變更轉速訊號至風扇15，令風扇15據以調整其轉速，本案風扇在實際運作上，其最低轉速是對應於20%的PWM工作週期百分比（即為預設轉速值），最高轉速對應於100%的PWM工作週期百分比。

請參考圖8，圖8為依據本發明一實施例風扇轉速控制方法的流程圖。請參考步驟S101：以溫度感測器11於第一時間偵測第一溫度訊號與轉速值，並接續步驟S103：以運算裝置13將第一溫度訊號與預設溫度作比較，並產生溫度誤差訊號；其中溫度感測器11與運算裝置13電性連結。當運算裝置13產生溫度誤差訊號後，請參考步驟S105：運算裝置13對溫度誤差訊號進行模糊邏輯運算，並得到溫度誤差模糊變數；其中模糊邏輯運算係藉由歸屬函數將數值模糊化。接續請參考步驟S107：溫度感測器11於第二時間偵測第二溫度訊號；其中第二時間不同於第一時間。當溫度感測器11於第二時間偵測第二溫度訊號後，請參考步驟S109：運算裝置13將第一溫度訊號與第二溫度訊號作比較，並產生溫度變化訊號；其中溫度變化訊號可為第一溫度訊號與第二溫度訊號之間的數值差。接續，請參考步驟S111：運算裝置13對溫度變化訊號進行模糊邏輯運算，並得到溫度變化模糊變數。透過溫度誤差模糊變數、溫度變化模糊變數以產生轉速變化模糊變數的步驟，請參考步驟S113：運算裝置13將溫度誤差模糊變數、溫度變化模糊變數與資料庫中之模糊條件表進行匹配，得到轉速變化模糊變數；其中透過轉速變化模糊變數，可調整風扇15的轉速。接續，請參考步驟S115：運算裝置13對轉速變化模糊變數進行解模糊邏輯運算，並得到轉速變化量；詳細來說，運算裝置13依據轉速變化模糊變數與資料庫中的脈波寬度調變表進行匹配，而得到轉速變化量。運算裝置13產生轉速變化量後，請參考步驟S117：運算裝置13根據轉速值與轉速變化量，以輸出變更轉速訊號，並將變更轉速訊號傳送至風扇15。當風扇15接收變更轉速訊號後，請參考步驟S119：以風扇15根據變更轉速訊號調整風扇15之轉速。於本實施例中，轉速變化模糊變數係依據不同的溫度變化情形而產生，因此風扇15能依據此變更轉速訊號，在合適的範圍內調整其轉速。

本發明提供一種風扇轉速控制裝置與方法，能針對不同範圍的溫度與溫度變化，在一合適的範圍內彈性地調整風扇15的轉速，以維持伺服器運作時的溫度。並且，此系統與方法不需額外花時間調整參數，即使更換了相關元件（例如，會產生大量廢熱的CPU與散熱片），此系統與方法不需調整參數即可適應新的硬體配置，有效改善先前技術適應性的問題。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:風扇轉速控制裝置

11:溫度感測器

13:運算裝置

15:風扇

131:記憶體

B:第一區

M:第二區

S:第三區

B1:第一負極值

B2:第一過零點

B3:第一正極值

B4:第二過零點

M1:第二負極值

M2:第三過零點

M3:第二正極值

M4:第四過零點

S1:第三負極值

S2:第五過零點

S3:第三正極值

S4:第六過零點

圖1為依據本發明一實施例風扇轉速控制裝置的示意圖。 圖2A為一傳統邏輯溫度的示意圖。 圖2B為依據本發明一實施例模糊邏輯溫度的示意圖 圖3A為依據本發明一實施例溫度誤差訊號歸屬函數的示意圖。 圖3B為依據本發明一實施例溫度變化訊號歸屬函數的示意圖。 圖4為依據本發明一實施例溫度響應-時間函數的示意圖。 圖5為依據本發明一實施例溫度響應-時間函數的歸屬函數的示意圖。 圖6為依據本發明一實施例模糊規則對應溫度響應-時間函數的示意圖。 圖7為依據本發明一實施例轉速變化量歸屬函數的示意圖。 圖8為依據本發明一實施例風扇轉速控制方法的流程圖。

B1:第一負極值

B2:第一過零點

B3:第一正極值

B4:第二過零點

M1:第二負極值

M2:第三過零點

M3:第二正極值

M4:第四過零點

S1:第三負極值

S2:第五過零點

S3:第三正極值

S4:第六過零點

Claims (10)

1. 一種風扇轉速控制方法，適用於一伺服器，該伺服器包括一風扇，該風扇轉速控制方法包括：於一第一時間偵測一第一溫度訊號；以該第一溫度訊號與一預設溫度作比較，並產生一溫度誤差訊號；對該溫度誤差訊號進行一模糊邏輯運算，並得到一溫度誤差模糊變數；於一第二時間偵測一第二溫度訊號；以該第一溫度訊號與該第二溫度訊號作比較，並產生一溫度變化訊號；對該溫度變化訊號進行該模糊邏輯運算，並得到一溫度變化模糊變數；以該溫度誤差模糊變數、該溫度變化模糊變數與一資料庫中之一模糊條件表進行匹配，並得到一轉速變化模糊變數；以及以該轉速變化模糊變數調整該風扇之轉速。
2. 如請求項1所述的風扇轉速控制方法，更包括：於該第一時間對該風扇進行偵測，並得到該風扇的一轉速值。
3. 如請求項2所述的風扇轉速控制方法，其中以該轉速變化模糊變數調整該風扇之轉速之步驟包括：對該轉速變化模糊變數進行一解模糊邏輯運算，並得到一轉速變化量；以及以該轉速變化量調整該風扇之轉速。
4. 如請求項3所述的風扇轉速控制方法，其中對該轉速變化模糊變數進行該解模糊邏輯運算，並得到該轉速變化量之步驟包括：以該轉速變化模糊變數與該資料庫中之一脈波寬度調變表進行匹配，並得到該轉速變化量。
5. 如請求項3所述的風扇轉速控制方法，其中以該轉速變化量調整該風扇之轉速之步驟包括：根據該轉速值與該轉速變化量輸出一變更轉速訊號；以及以該變更轉速訊號調整該風扇之轉速。
6. 一種風扇轉速控制裝置，包含：一溫度感測器，偵測一第一溫度訊號和一第二溫度訊號，並傳送該第一溫度訊號和該第二溫度訊號；一運算裝置，電性連結於該溫度感測器以接收該第一溫度訊號和該第二溫度訊號，並比較該第一溫度訊號與該第二溫度訊號，以產生一溫度變化訊號，並對該溫度變化訊號進行一模糊邏輯運算，以得到 一溫度變化模糊變數，該運算裝置以該第一溫度訊號與一預設溫度作比較，得到一溫度誤差訊號，再對該溫度誤差訊號進行該模糊邏輯運算，以得到一溫度誤差模糊變數，該運算裝置再將該溫度誤差模糊變數、該溫度變化模糊變數與一資料庫中之一模糊條件表進行匹配，以得到一轉速變化模糊變數；以及一風扇，電性連結於該運算裝置，接收該轉速變化模糊變數並據以調整其轉速。
7. 如請求項6所述的控制裝置，其中該溫度感測器更用於在該第一時間偵測得到一轉速值。
8. 如請求項7所述的控制裝置，其中該運算裝置更用於對該轉速變化模糊變數進行一解模糊邏輯運算，以得到一轉速變化量。
9. 如請求項8所述的控制裝置，其中該運算裝置更包含一記憶體，該記憶體包含一脈波寬度調變表，該脈波寬度調變表用於與該轉速變化模糊變數進行匹配後，得到該轉速變化量。
10. 如請求項8所述的控制裝置，其中該運算裝置更用於根據該轉速值與該轉速變化量輸出一變更轉速訊號並傳送至該風扇，以調整該風扇之轉速。

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