模拟自然风的风扇和方法

专利名称：模拟自然风的风扇和方法技术领域：本发明涉及一种风扇，尤其是一种能够模拟自然风的风扇和模拟自然风的方法。背景技术：目前，在室内环境中所使用的普通风扇只有简单的分档调速功能，方式单调，与自然环境差异较大，吹风感受差，长时间容易产生吹风不适的感觉；具有自动调整与控制功能的风扇或者只按内置的曲线变化，或者只根据温度的变化而进行控制，不能满足多方面的需求。 申请号91211765.6的专利《电子定时模拟自然风电扇控制装置》、申请号90209401.7的专利《模拟自然风控制器》、申请号91214603.6的专利《电扇模拟自然风控制器》，采用简单的电子电路控制风速大小与时间，用可控硅调压调速方式来控制电机转速改变，只是实现了自然风的初级模拟，与真实的自然风有很大差别；可控硅调压方式调速，会使电网正弦波波形畸变，同时带来较大的电磁干扰。申请号201220070500.9的专利《电风扇模拟自然风控制器》用电子电路控制风扇的时转时停，只能形成阵风，与真实的自然风有差距。申请号200920050741.5的专利《一种应用于电风扇上的节能控制电路装置》，其自然风功能用程序方式实现，只有9档固定的选择。申请号201020668439.9的专利《一种紊乱自然风电扇》和申请号97116771.0的专利《形成自然风的方法及自然风电风扇》，通过结构实现一种紊乱自然风，使用方式受到限制。申请号201210086869.3的专利《一种风扇舒适风的控制方法》，用档位方式设定运行模式和风速大小，操作方式复杂；风扇速度改变的速率设定为匀速上升或者匀速下降，与实际自然风的随机多变不符合；采用直流无刷电机成本高，维护困难，需要用变频器配合调速。申请号200510086921.5的专利《一种个体化空调系统的末端动态送风装置》通过把自然风、正弦风、脉冲风、随机风气流的动态风样本风速信号存储在存储器中，单片机读取样本风速信号，经过电压放大电路或变频电路控制直流无刷电机转速，产生的自然风仅与所存储在存储器中的样本风速信号相关，由于样本数量有限，自然风的效果必然是周期性地重复，另外，使用者无法根据自身需要改变风速大小及波动范围。申请号200810185769.X的专利《一种模拟自然风的装置和方法》，用存储器存储多种自然风风速样本信号，用随机方式选择一个样本信号进行控制，由于样本数量有限，自然风的效果同样难以避免周期性地重复；采用闭环控制可以提高调速的精度，但自动控制系统的加入也使装置工作的稳定性下降，故障概率提高，在常规的风扇中应用没有必要；采用直流无刷电机成本高，维护困难，需要用变频器配合调速；同时，使用者也无法根据自身需要改变风速大小及波动范围。申请号201010276923.1的专利《一种基于混沌理论模拟自然风的装置》，基于混沌理论实现自然风，自然风效果较好，但整个系统复杂，成本高，不适合在常规风扇上应用。发明内容本发明的目的是为风扇提供一种产生自然风的解决方案，提高吹风者的舒适感觉。为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种模拟自然风的风扇，包括: 风扇电机；磁饱和可控电抗器，其工作绕组与所述风扇电机串联后连接到220V交流电源，控制其控制绕组流过的电流可以改变加在所述风扇电机上的单相交流电压大小，达到调速的目的；直流斩波调压电路，其输出连接至所述磁饱和可控电抗器的控制绕组，输出电压由输入的PWM脉冲控制；单片机；最大风速设定电位器，用于连接至所述单片机，设定风扇电机目标速度的最大值；风速波动范围设定电位器，用于连接至所述单片机，设定风扇电机目标速度的最小值。所述单片机包括: 模数转换器，用于将所述最大风速设定电位器和风速波动范围设定电位器输出的模拟信号转换成数字信号；PWM发生器，其输出的PWM脉冲连接至所述直流斩波调压电路，以及自然风数据随机模拟处理模块，用于根据所述模数转换器输出的数字信号，采用时间分段方式随机模拟自然风风速信号，风速信号作为所述风扇电机的速度给定，被送至所述的PWM发生器并转换成PWM脉冲输出。所述风扇电机是单相异步电机，所述风扇的结构为采用单相异步电机的普通风扇。此外，所述模拟自然风的风扇还包括直流电源，用于向所述单片机提供工作电源，以及向所述直流斩波调压电路提供工作电源和输入电源。本发明另一方面提供了一种模拟自然风的方法，包括以下步骤:步骤一，初始化；步骤二，从最大风速设定电位器读取最大风速设定值，最大值设定范围O 100%，从风速波动范围设定电位器读取风速波动范围设定值，风速波动范围为相对于设定的最大值的O 100%;步骤三，用随机方式确定本段风速控制预定时间长度Λ步骤四，用随机方式确定本段风速控制的目标值4，目标速度的随机范围由最大风速设定值和风速波动范围设定值限定；步骤五，用随机方式确定本段风速变化的模式，风速变化模式共有6种,风扇速度给定值分别按照以下规律进行计算，其中的A为本段风扇速度的初始值，(为本段时间区间的计时时间变量，段起点时刻 = 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 ； 步骤六,对本段风速控制时间计时；步骤七，按确定的风速变化模式计算风扇速度给定值；步骤八，风扇速度给定值转换为PWM脉冲信号输出；步骤九，当本段风速控制时间t未达到预定时间r时 ，返回步骤六，而当t达到预定时间r时，返回步骤二。本发明与现有技术相比，其有益效果是:使用普通单相异步电机调速实现自然风，只需将普通风扇的调速电感换成磁饱和可控电抗器，无需更改风扇结构；采用磁饱和可控电抗器与单相异步电机串联的方式调速，不会对电网造成谐波污染；自然风的最大风速和风速波动范围可以用电位器设定，设定方式简单，容易操作；风扇速度的改变有多种模式，且随机选择；风速波动范围设置为0%时，风扇可以实现无级调速功能。图1为根据本发明的模拟自然风的风扇的硬件结构示意 图2为根据本发明的模拟自然风的方法的程序流程 图3为根据本发明的模拟自然风的风扇的电机驱动原理 图4为根据本发明的模拟自然风的风扇的直流电源的电路图。具体实施例方式如图1所示，单片机是模拟自然风的风扇的控制核心，最大风速设定电位器用于设定自然风的最大风速，风速波动范围设定电位器用于设定自然风风速的波动范围，两个电位器输出的设定电压被送至单片机内部的模数转换器进行模数转换。单片机读取最大风速设定值、风速波动范围设定值后，模数转换的结果被送至自然风数据随机模拟处理模块，采用时间分段方式随机模拟自然风风速信号，风速信号通过单片机内部的PWM发生器转换成PWM信号输出，进而控制风扇电机的速度，整个过程如图2所示。所述的采用时间分段方式模拟自然风风速信号，分段风速控制的预定时间长度是一个可变量，每一段风速控制的预定时间长度都不一样，预定时间长度的上限值和下限值根据风扇的功率、惯性等确定，随机函数在确定的范围内随机产生本段风扇速度控制的预定时间长度。分段控制时间段终点的风速控制目标值也采用随机方式确定，终点目标速度的随机范围由最大风速设定值和风速波动范围设定值限定，具体是:风扇电机目标速度的最大值由最大风速设定电位器的设定值限定，最大值设定范围O 100% ；目标速度的最小值由风速波动范围设定电位器的设定值限定，风速波动范围为相对于设定的最大值的O 100% ;当风速波动范围设定值为0%时，本发明所述的风扇变成一种无级调速的风扇，风扇速度由最大风速设定值电位器调节。本发明的自然风风速变化模式共有6种。本段具体采用哪种风速变化模式，由随机方式确定。在随机确定好本段风速控制的预定时间长度后，定义预定时间长度为T1，本段时间区间的计时时间变量为 ，段起点时刻t = O ;设本段风扇速度的初始值为A，终点目标速度为A;本段风扇速度的目标速度A是下一段风速控制的初始值A;本段具体采用哪种风速变化模式由随机方式确定，各风速变化模式的风扇速度给定值/7按照以下规律进行计算: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为阶跃变化，给定速度变化最快，模式2给定速度变化次之，变化最慢的是模式6。模式2至模式6的风扇速度变化速率还与随机产生的本段风速控制预定时间长度Γ有关，r越大，风扇速度变化速率越小。风扇速度给定需要转换成PWM控制信号输出，在整个分段控制时间内，程序不停地进行本段时间计时、按确定的风速变化模式计算风扇速度给定值、风扇速度给定值转换为PWM脉冲信号输出等工作，直到本段计时时间到，转入下一风扇速度控制时间段的控制。图2中，开始的初始化模块主要完成定时器初始化、中断初始化以及设置风扇电机的初始速度A = O。如图1所示，模拟自然风的风扇电机及其驱动电路由直流斩波调压电路、磁饱和可控电抗器、风扇电机组成，详细的电路原理如图3所示。风扇电机、特别是中小功率风扇电机，从成本和维护的角度考虑，基本上采用单相异步电机，使用单相异步电机调速，可以在不改变普通风扇结构的前提下进行。采用可控电抗器与单相异步电机串联的方式调速，不会对电网造成谐波污染。调压调速是单相异步电机的主要方式。风扇电机M31与磁饱和可控电抗器L31的工作绕组串联后接至AC220V电源，改变L31控制绕组上的直流电压，即可改变L31工作绕组的电感量，进而改变加在风扇电机M31上的单相交流电压大小，达到调速的目的。驱动器件IR2121是直流斩波调压电路的核心。IR2121工作电源为15V，其输入IN端所接PWM脉冲信号由本发明所 述单片机中的PWM发生器输出，其输入OUT端经电阻R31控制开关元件SenseFET器件V31的通断，电阻R32接至V31的电流镜比例输出端，R32上的电压信号送至IR2121的CS输入端，起过流保护作用。二极管D31作续流用，电容C31、C33作滤波用，电容C32决定器件V31的过流工作时间长短。直流斩波调压电路的输入电压为+ 24V，负载为磁饱和可控电抗器L31的控制绕组，V31与L31的控制绕组串联后，接至+ 24V直流电源。PWM脉冲占空比控制V31的通断比例，占空比高，V31的导通时间占比大，流过L31控制绕组的电流大，L31工作绕组电感小，风扇电机M31速度高；PWM脉冲占空比低，V31的导通时间占比小，流过L31控制绕组的电流小，L31工作绕组电感大，风扇电机M31速度低。对于图1中的直流电源，如图4所示，交流变压器降压后，由二极管整流得到直流电压，通过大电容滤波得到+ 24V直流电压，该+ 24V直流电压分为三路，一路送至直流斩波调压电路，作为直流斩波调压电路的输入电压；一路送至+ 5V稳压电路，作为输入电源；一路送至+ 15V稳压电路，作为输入电源。+5V是单片机的工作电源，其稳压电路的核心是降压开关稳压器TL-2575-5，C41、C42、L41是滤波元件，肖特基二极管D41作续流用；+ 15V是直流斩波驱动器件IR2121的工作电源，其稳压电路的核心是降压开关稳压器TL-2575-15，C43、C44、L42是滤波元件，肖特基二极管D42作续流用。对于图1中的自然风,通过安装在风扇电机转轴上的风扇扇页送出。以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。权利要求1.一种模拟自然风的风扇，其特征在于，包括: 风扇电机； 磁饱和可控电抗器，其工作绕组与所述风扇电机串联后连接到220V交流电源，控制其控制绕组流过的电流可以改变加在所述风扇电机上的单相交流电压大小，达到调速的目的； 直流斩波调压电路，其输出连接至所述磁饱和可控电抗器的控制绕组，输出电压由输入的PWM脉冲控制； 单片机； 最大风速设定电位器，用于连接至所述单片机，设定风扇电机目标速度的最大值； 风速波动范围设定电位器，用于连接至所述单片机，设定风扇电机目标速度的最小值； 所述单片机包括: 模数转换器，用于将所述最大风速设定电位器和风速波动范围设定电位器输出的模拟信号转换成数字信号， PWM发生器，其输出的PWM脉冲连接至所述直流斩波调压电路，以及自然风数据随机模拟处理模块，用于根据所述模数转换器输出的数字信号，采用时间分段方式随机模拟自然风风速信号，风速信号作为所述风扇电机的速度给定，被送至所述的PWM发生器并转换成PWM脉冲输出。2.根据权利要求1所述的模拟自然风的风扇，其特征在于，还包括:直流电源，用于向所述单片机提供工作电源，以及向所述直流斩波调压电路提供工作电源和输入电源。3.根据权利要求2所述的模拟自然风的风扇，其特征在于，所述风扇电机是单相异步电机。4.根据权利要求2所述的模拟自然风的风扇，其特征在于，所述风扇的结构为普通风扇。5.根据权利要求2所述的模拟自然风的风扇，其特征在于，所述直流斩波调压电路的开关元件是SenseFET器件。6.根据权利要求2所述的模拟自然风的风扇，其特征在于，所述直流斩波调压电路中开关元件的驱动器件是IR2121。7.一种模拟自然风的方法，其特征在于，包括利用权利要求1至6中任一项所述的模拟自然风的风扇执行的以下步骤: 步骤一，初始化； 步骤二，从最大风速设定电位器读取最大风速设定值，最大值设定范围O 100% ;从风速波动范围设定电位器读取风速波动范围设定值，风速波动范围为相对于设定的最大值的O 100% ； 步骤三，用随机方式确定本段风速控制预定时间长度T ； 步骤四，用随机方式确定本段风速控制的目标值4，目标速度的随机范围由最大风速设定值和风速波动范围设定值限定； 步骤五，用随机方式确定本段风速变化的模式，风速变化模式共有6种，各模式风扇速度给定值分别按照以下规律进行计算，其中的A为本段风扇速度的初始值，t为本段时间区间的计时时间变量，段起点时刻 = O，8.根据权利要求7所述的模拟自然风的方法，其特征在于，所述风速波动范围设定值为0%时,风扇速度由最大风速设定值电位器进行无级调节。全文摘要一种模拟自然风的风扇，包括单片机，最大风速设定电位器，风速波动范围设定电位器，直流斩波调压电路，磁饱和可控电抗器，风扇电机，直流电源。同时还公开了一种模拟自然风的方法，包括初始化；读取最大风速和风速波动范围设定值；用随机方式确定本段风速控制预定时间长度、本段风速控制的目标值、本段风速变化的模式；对本段风速控制时间计时，按确定的风速变化模式计算风扇速度给定值并转换为PWM脉冲信号输出等步骤。本发明使用磁饱和可控电抗器与普通单相异步电机串联调速方式模拟自然风，实现方法简单，不会对电网造成谐波污染，自然风的最大风速和风速波动范围可以用电位器设定。文档编号F04D27/00GK103244448SQ20131019171公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月22日 优先权日2013年5月22日发明者凌云, 郭艳杰, 李飞, 陈欢 申请人:湖南工业大学