專利名稱：模擬自然風的風扇和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風扇，尤其是一種能夠模擬自然風的風扇和模擬自然風的方法。
背景技術：
目前，在室內環(huán)境中所使用的普通風扇只有簡單的分檔調速功能，方式單調，與自然環(huán)境差異較大，吹風感受差，長時間容易產(chǎn)生吹風不適的感覺；具有自動調整與控制功能的風扇或者只按內置的曲線變化，或者只根據(jù)溫度的變化而進行控制，不能滿足多方面的
需求。 申請?zhí)?1211765.6的專利《電子定時模擬自然風電扇控制裝置》、申請?zhí)?0209401.7的專利《模擬自然風控制器》、申請?zhí)?1214603.6的專利《電扇模擬自然風控制器》，采用簡單的電子電路控制風速大小與時間，用可控硅調壓調速方式來控制電機轉速改變，只是實現(xiàn)了自然風的初級模擬，與真實的自然風有很大差別；可控硅調壓方式調速，會使電網(wǎng)正弦波波形畸變，同時帶來較大的電磁干擾。申請?zhí)?01220070500.9的專利《電風扇模擬自然風控制器》用電子電路控制風扇的時轉時停，只能形成陣風，與真實的自然風有差距。申請?zhí)?00920050741.5的專利《一種應用于電風扇上的節(jié)能控制電路裝置》，其自然風功能用程序方式實現(xiàn)，只有9檔固定的選擇。申請?zhí)?01020668439.9的專利《一種紊亂自然風電扇》和申請?zhí)?7116771.0的專利《形成自然風的方法及自然風電風扇》，通過結構實現(xiàn)一種紊亂自然風，使用方式受到限制。申請?zhí)?01210086869.3的專利《一種風扇舒適風的控制方法》，用檔位方式設定運行模式和風速大小，操作方式復雜；風扇速度改變的速率設定為勻速上升或者勻速下降，與實際自然風的隨機多變不符合；采用直流無刷電機成本高，維護困難，需要用變頻器配合調速。申請?zhí)?00510086921.5的專利《一種個體化空調系統(tǒng)的末端動態(tài)送風裝置》通過把自然風、正弦風、脈沖風、隨機風氣流的動態(tài)風樣本風速信號存儲在存儲器中，單片機讀取樣本風速信號，經(jīng)過電壓放大電路或變頻電路控制直流無刷電機轉速，產(chǎn)生的自然風僅與所存儲在存儲器中的樣本風速信號相關，由于樣本數(shù)量有限，自然風的效果必然是周期性地重復，另外，使用者無法根據(jù)自身需要改變風速大小及波動范圍。申請?zhí)?00810185769.X的專利《一種模擬自然風的裝置和方法》，用存儲器存儲多種自然風風速樣本信號，用隨機方式選擇一個樣本信號進行控制，由于樣本數(shù)量有限，自然風的效果同樣難以避免周期性地重復；采用閉環(huán)控制可以提高調速的精度，但自動控制系統(tǒng)的加入也使裝置工作的穩(wěn)定性下降，故障概率提高，在常規(guī)的風扇中應用沒有必要；采用直流無刷電機成本高，維護困難，需要用變頻器配合調速；同時，使用者也無法根據(jù)自身需要改變風速大小及波動范圍。申請?zhí)?01010276923.1的專利《一種基于混沌理論模擬自然風的裝置》，基于混沌理論實現(xiàn)自然風，自然風效果較好，但整個系統(tǒng)復雜，成本高，不適合在常規(guī)風扇上應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為風扇提供一種產(chǎn)生自然風的解決方案，提高吹風者的舒適感覺。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種模擬自然風的風扇，包括:
風扇電機；磁飽和可控電抗器，其工作繞組與所述風扇電機串聯(lián)后連接到220V交流電源，控制其控制繞組流過的電流可以改變加在所述風扇電機上的單相交流電壓大小，達到調速的目的；直流斬波調壓電路，其輸出連接至所述磁飽和可控電抗器的控制繞組，輸出電壓由輸入的PWM脈沖控制；單片機；最大風速設定電位器，用于連接至所述單片機，設定風扇電機目標速度的最大值；風速波動范圍設定電位器，用于連接至所述單片機，設定風扇電機目標速度的最小值。所述單片機包括:
模數(shù)轉換器，用于將所述最大風速設定電位器和風速波動范圍設定電位器輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號；PWM發(fā)生器，其輸出的PWM脈沖連接至所述直流斬波調壓電路，以及自然風數(shù)據(jù)隨機模擬處理模塊，用于根據(jù)所述模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字信號，采用時間分段方式隨機模擬自然風風速信號，風速信號作為所述風扇電機的速度給定，被送至所述的PWM發(fā)生器并轉換成PWM脈沖輸出。所述風扇電機是單相異步電機，所述風扇的結構為采用單相異步電機的普通風扇。此外，所述模擬自然風的風扇還包括直流電源，用于向所述單片機提供工作電源，以及向所述直流斬波調壓電路提供工作電源和輸入電源。本發(fā)明另一方面提供了一種模擬自然風的方法，包括以下步驟:步驟一，初始化；步驟二，從最大風速設定電位器讀取最大風速設定值，最大值設定范圍O 100%，從風速波動范圍設定電位器讀取風速波動范圍設定值，風速波動范圍為相對于設定的最大值的O 100%;步驟三，用隨機方式確定本段風速控制預定時間長度Λ步驟四，用隨機方式確定本段風速控制的目標值4，目標速度的隨機范圍由最大風速設定值和風速波動范圍設定值限定；步驟五，用隨機方式確定本段風速變化的模式，風速變化模式共有6種,風扇速度給定值分別按照以下規(guī)律進行計算，其中的A為本段風扇速度的初始值，(為本段時間區(qū)間的計時時間變量，段起點時刻 = 0，
模式 1,/7 = A1 ;
模式 2, η = / 0 + 2 X (/ ! — η0) X— Qi1 — n0) X ( t — T )3 ；
模式 3，/ = / 0 + 2 X (/ ! — n0) X— Qi1 — n0) X ( t — T )2 ;
模式 4,/7 =/7。+ (^1 —/7。)X ( + 7);
模式 5,/ =/ + 0 ! —/ 0) X ( t — T Y ;
模式 6,/ =/ (!+ 0 ! — / o) X ( t—T )3 ；
步驟六,對本段風速控制時間計時；步驟七，按確定的風速變化模式計算風扇速度給定值；步驟八，風扇速度給定值轉換為PWM脈沖信號輸出；步驟九，當本段風速控制時間t未達到預定時間r時 ，返回步驟六，而當t達到預定時間r時，返回步驟二。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其有益效果是:使用普通單相異步電機調速實現(xiàn)自然風，只需將普通風扇的調速電感換成磁飽和可控電抗器，無需更改風扇結構；采用磁飽和可控電抗器與單相異步電機串聯(lián)的方式調速，不會對電網(wǎng)造成諧波污染；自然風的最大風速和風速波動范圍可以用電位器設定，設定方式簡單，容易操作；風扇速度的改變有多種模式，且隨機選擇；風速波動范圍設置為0%時，風扇可以實現(xiàn)無級調速功能。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的模擬自然風的風扇的硬件結構示意 圖2為根據(jù)本發(fā)明的模擬自然風的方法的程序流程 圖3為根據(jù)本發(fā)明的模擬自然風的風扇的電機驅動原理 圖4為根據(jù)本發(fā)明的模擬自然風的風扇的直流電源的電路圖。
具體實施例方式
如圖1所示，單片機是模擬自然風的風扇的控制核心，最大風速設定電位器用于設定自然風的最大風速，風速波動范圍設定電位器用于設定自然風風速的波動范圍，兩個電位器輸出的設定電壓被送至單片機內部的模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換。單片機讀取最大風速設定值、風速波動范圍設定值后，模數(shù)轉換的結果被送至自然風數(shù)據(jù)隨機模擬處理模塊，采用時間分段方式隨機模擬自然風風速信號，風速信號通過單片機內部的PWM發(fā)生器轉換成PWM信號輸出，進而控制風扇電機的速度，整個過程如圖2所示。所述的采用時間分段方式模擬自然風風速信號，分段風速控制的預定時間長度是一個可變量，每一段風速控制的預定時間長度都不一樣，預定時間長度的上限值和下限值根據(jù)風扇的功率、慣性等確定，隨機函數(shù)在確定的范圍內隨機產(chǎn)生本段風扇速度控制的預定時間長度。分段控制時間段終點的風速控制目標值也采用隨機方式確定，終點目標速度的隨機范圍由最大風速設定值和風速波動范圍設定值限定，具體是:風扇電機目標速度的最大值由最大風速設定電位器的設定值限定，最大值設定范圍O 100% ；目標速度的最小值由風速波動范圍設定電位器的設定值限定，風速波動范圍為相對于設定的最大值的O 100% ;當風速波動范圍設定值為0%時，本發(fā)明所述的風扇變成一種無級調速的風扇，風扇速度由最大風速設定值電位器調節(jié)。本發(fā)明的自然風風速變化模式共有6種。本段具體采用哪種風速變化模式，由隨機方式確定。在隨機確定好本段風速控制的預定時間長度后，定義預定時間長度為T1，本段時間區(qū)間的計時時間變量為 ，段起點時刻t = O ;設本段風扇速度的初始值為A，終點目標速度為A;本段風扇速度的目標速度A是下一段風速控制的初始值A;本段具體采用哪種風速變化模式由隨機方式確定，各風速變化模式的風扇速度給定值/7按照以下規(guī)律進行計算:
模式 1,/7 = A1 ;
模式 2, η = / 0 + 2 X (/ ! — n0) X— Qi1 — n0) X ( t — T )3 ；
模式 3，/ = / 0 + 2 X (/ ! — n0) X— Qi1 — n0) X ( t — T )2 ;
模式 4,/ =/7。+ 0 ! —/7。)X it — T); 模式 5,/ =/ + 0 ! —/ o) X ( t — T Y ;模式 6,/7 =/ (!+ 0 ! — / o) X ( t—T )3 ；
模式I為階躍變化，給定速度變化最快，模式2給定速度變化次之，變化最慢的是模式
6。模式2至模式6的風扇速度變化速率還與隨機產(chǎn)生的本段風速控制預定時間長度Γ有關，r越大，風扇速度變化速率越小。風扇速度給定需要轉換成PWM控制信號輸出，在整個分段控制時間內，程序不停地進行本段時間計時、按確定的風速變化模式計算風扇速度給定值、風扇速度給定值轉換為PWM脈沖信號輸出等工作，直到本段計時時間到，轉入下一風扇速度控制時間段的控制。圖2中，開始的初始化模塊主要完成定時器初始化、中斷初始化以及設置風扇電機的初始速度A = O。如圖1所示，模擬自然風的風扇電機及其驅動電路由直流斬波調壓電路、磁飽和可控電抗器、風扇電機組成，詳細的電路原理如圖3所示。風扇電機、特別是中小功率風扇電機，從成本和維護的角度考慮，基本上采用單相異步電機，使用單相異步電機調速，可以在不改變普通風扇結構的前提下進行。采用可控電抗器與單相異步電機串聯(lián)的方式調速，不會對電網(wǎng)造成諧波污染。調壓調速是單相異步電機的主要方式。風扇電機M31與磁飽和可控電抗器L31的工作繞組串聯(lián)后接至AC220V電源，改變L31控制繞組上的直流電壓，即可改變L31工作繞組的電感量，進而改變加在風扇電機M31上的單相交流電壓大小，達到調速的目的。驅動器件IR2121是直流斬波調壓電路的核心。IR2121工作電源為15V，其輸入IN端所接PWM脈沖信號由本發(fā)明所 述單片機中的PWM發(fā)生器輸出，其輸入OUT端經(jīng)電阻R31控制開關元件SenseFET器件V31的通斷，電阻R32接至V31的電流鏡比例輸出端，R32上的電壓信號送至IR2121的CS輸入端，起過流保護作用。二極管D31作續(xù)流用，電容C31、C33作濾波用，電容C32決定器件V31的過流工作時間長短。直流斬波調壓電路的輸入電壓為+ 24V，負載為磁飽和可控電抗器L31的控制繞組，V31與L31的控制繞組串聯(lián)后，接至+ 24V直流電源。PWM脈沖占空比控制V31的通斷比例，占空比高，V31的導通時間占比大，流過L31控制繞組的電流大，L31工作繞組電感小，風扇電機M31速度高；PWM脈沖占空比低，V31的導通時間占比小，流過L31控制繞組的電流小，L31工作繞組電感大，風扇電機M31速度低。對于圖1中的直流電源，如圖4所示，交流變壓器降壓后，由二極管整流得到直流電壓，通過大電容濾波得到+ 24V直流電壓，該+ 24V直流電壓分為三路，一路送至直流斬波調壓電路，作為直流斬波調壓電路的輸入電壓；一路送至+ 5V穩(wěn)壓電路，作為輸入電源；一路送至+ 15V穩(wěn)壓電路，作為輸入電源。+5V是單片機的工作電源，其穩(wěn)壓電路的核心是降壓開關穩(wěn)壓器TL-2575-5，C41、C42、L41是濾波元件，肖特基二極管D41作續(xù)流用；+ 15V是直流斬波驅動器件IR2121的工作電源，其穩(wěn)壓電路的核心是降壓開關穩(wěn)壓器TL-2575-15，C43、C44、L42是濾波元件，肖特基二極管D42作續(xù)流用。對于圖1中的自然風,通過安裝在風扇電機轉軸上的風扇扇頁送出。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求范圍之內。
權利要求
1.一種模擬自然風的風扇，其特征在于，包括: 風扇電機； 磁飽和可控電抗器，其工作繞組與所述風扇電機串聯(lián)后連接到220V交流電源，控制其控制繞組流過的電流可以改變加在所述風扇電機上的單相交流電壓大小，達到調速的目的； 直流斬波調壓電路，其輸出連接至所述磁飽和可控電抗器的控制繞組，輸出電壓由輸入的PWM脈沖控制； 單片機； 最大風速設定電位器，用于連接至所述單片機，設定風扇電機目標速度的最大值； 風速波動范圍設定電位器，用于連接至所述單片機，設定風扇電機目標速度的最小值； 所述單片機包括: 模數(shù)轉換器，用于將所述最大風速設定電位器和風速波動范圍設定電位器輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號， PWM發(fā)生器，其輸出的PWM脈沖連接至所述直流斬波調壓電路，以及自然風數(shù)據(jù)隨機模擬處理模塊，用于根據(jù)所述模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字信號，采用時間分段方式隨機模擬自然風風速信號，風速信號作為所述風扇電機的速度給定，被送至所述的PWM發(fā)生器并轉換成PWM脈沖輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的模擬自然風的風扇，其特征在于，還包括:直流電源，用于向所述單片機提供工作電源，以及向所述直流斬波調壓電路提供工作電源和輸入電源。
3.根據(jù)權利要求2所述的模擬自然風的風扇，其特征在于，所述風扇電機是單相異步電機。
4.根據(jù)權利要求2所述的模擬自然風的風扇，其特征在于，所述風扇的結構為普通風扇。
5.根據(jù)權利要求2所述的模擬自然風的風扇，其特征在于，所述直流斬波調壓電路的開關元件是SenseFET器件。
6.根據(jù)權利要求2所述的模擬自然風的風扇，其特征在于，所述直流斬波調壓電路中開關元件的驅動器件是IR2121。
7.一種模擬自然風的方法，其特征在于，包括利用權利要求1至6中任一項所述的模擬自然風的風扇執(zhí)行的以下步驟: 步驟一，初始化； 步驟二，從最大風速設定電位器讀取最大風速設定值，最大值設定范圍O 100% ;從風速波動范圍設定電位器讀取風速波動范圍設定值，風速波動范圍為相對于設定的最大值的O 100% ； 步驟三，用隨機方式確定本段風速控制預定時間長度T ； 步驟四，用隨機方式確定本段風速控制的目標值4，目標速度的隨機范圍由最大風速設定值和風速波動范圍設定值限定； 步驟五，用隨機方式確定本段風速變化的模式，風速變化模式共有6種，各模式風扇速度給定值分別按照以下規(guī)律進行計算，其中的A為本段風扇速度的初始值，t為本段時間區(qū)間的計時時間變量，段起點時刻 = O，
8.根據(jù)權利要求7所述的模擬自然風的方法，其特征在于，所述風速波動范圍設定值為0%時,風扇速度由最大風速設定值電位器進行無級調節(jié)。
全文摘要
一種模擬自然風的風扇，包括單片機，最大風速設定電位器，風速波動范圍設定電位器，直流斬波調壓電路，磁飽和可控電抗器，風扇電機，直流電源。同時還公開了一種模擬自然風的方法，包括初始化；讀取最大風速和風速波動范圍設定值；用隨機方式確定本段風速控制預定時間長度、本段風速控制的目標值、本段風速變化的模式；對本段風速控制時間計時，按確定的風速變化模式計算風扇速度給定值并轉換為PWM脈沖信號輸出等步驟。本發(fā)明使用磁飽和可控電抗器與普通單相異步電機串聯(lián)調速方式模擬自然風，實現(xiàn)方法簡單，不會對電網(wǎng)造成諧波污染，自然風的最大風速和風速波動范圍可以用電位器設定。
文檔編號F04D27/00GK103244448SQ20131019171
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優(yōu)先權日2013年5月22日
發(fā)明者凌云, 郭艷杰, 李飛, 陳歡 申請人:湖南工業(yè)大學