风机控制装置及提高风机可靠性运行的控制方法

摘要

本发明涉及一种风机控制装置及提高风机可靠性运行的控制方法。通过结合负载等级、环境温度、散热器温度因素无级调整风机电压，从而控制风机转速，保证风机转速合理，在低密度散热需求的情况下，降低风机电压来降低风机转速或关闭风机，在高密度散热需求的情况下，提高风机电压来提高风机转速。该装置及方法延长了风机的使用寿命，另一方面使得设备具备低噪声的特点，本发明方法适用于直流风机也适用于交流风机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风机控制装置及提高风机可靠性运行的控制方法。

背景技术

目前，风机已经广泛应用电子设备领域，用于电气设备的冷却散热，主要的风机控制方法如下，

第一，采用持续全速运转，该方法具备简单的特点，但具备如下缺点，降低系统效率，效率损失0.3%左右，特别是空载或轻载情况下，不满足节能要求，另外，风机包含轴承等易损部件，其寿命往往比电子产品本身的寿命要短，风机寿命低，容易损坏，持续全速运转的风机更容易带来灰尘，长期累积容易导致风机故障，电气设备中发热元件产生的热量就无法排出，从而导致电气设备本身也损坏。

第二，根据负载情况对风机转速进行控制，如半载以下慢转，半载以上全转，然而在环境温度比较低时，满载可能仅需要半转即可，导致能源损耗、风机寿命降低、增大噪声。

第三，根据散热器温度控制风机转速，风机控制滞后，待散热器温度上升到一定值时，功率器件温度已经较高，影响电气设备系统的可靠性；在某些条件下，可能造成风机频繁启动、停止，对风机寿命有较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风机控制装置及提高风机可靠性运行的控制方法，该装置及方法延长了风机的使用寿命，另一方面使得设备具备低噪声的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种风机控制装置，包括MCU控制单元及与该MCU控制单元连接的第一温度采样单元、第二温度采样单元、电流采样单元、电压采样单元和BUCK降压电路，还包括与所述BUCK降压电路连接的直流风机；

所述第一温度采样单元设置于需冷却散热电气设备外部，用于采样环境温度；

所述第二温度采样单元设置于电气设备的散热器上，用于采样电气设备散热器温度；

所述电流采样单元用于采样电气设备输出电流值；

所述电压采样单元用于采样电气设备输出电压值；

所述MCU控制单元根据环境温度、电气设备散热器的温度、电气设备输出电流值、电气设备输出电压值，控制所述BUCK降压电路的开关管的工作状态，进而控制直流风机的工作状态，其具体控制方式如下：

根据电气设备输出电流值I、电气设备输出电压值U及电气设备的额定功率                                                ，计算电气设备的负载等级p，其中，再而根据下式计算BUCK降压电路的开关管的占空比系数D1；

式中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

判断散热器温度与散热器低温阈值、高温阈值的大小关系，若散热器温度t2小于低温阈值Tmin时，MCU控制单元设置所述开关管的占空比D为0；若散热器温度t2大于高温阈值Tmax时，MCU控制单元设置所述开关管的占空比D为1；若散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间，MCU控制单元根据开关管的占空比系数D1的大小设置所述开关管的驱动占空比D，并输出PWM驱动信号控制开关管的工作状态，进而控制直流风机的工作状态。

在本发明一实施例中，若散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间时，所述MCU控制单元根据D1的大小控制设置所述开关管的驱动占空比D的具体方式为：设置一占空比系数阈值D0，且D0＜1，若开关管的占空比系数D1大于等于1，则设置开关管的驱动占空比D为1；若开关管的占空比系数D1满足：D0＜D1＜1，则设置开关管的驱动占空比D为D1；若开关管的占空比系数D1小于等于D0，则设置开关管的驱动占空比为0。

在本发明一实施例中，所述BUCK降压电路还包括二极管、电感、电容；所述二极管的阴极、电感的一端与所述开关管的一端连接，所述开关管的另一端连接至风机直流电源的正极，所述二极管的阳极、电感的另一端连接至电容的两端，所述电感的另一端还连接至风机直流电源的负极，所述电容的两端作为BUCK降压电路的输出，并连接至所述直流风机。

本发明还提供了另一种风机控制装置，包括MCU控制单元及与该MCU控制单元连接的第一温度采样单元、第二温度采样单元、电流采样单元、电压采样单元和驱动单元，还包括双向晶闸管及与该双向晶闸管连接的交流风机；

所述第一温度采样单元设置于需冷却散热电气设备外部，用于采样环境温度；

所述第二温度采样单元设置于电气设备的散热器上，用于采样电气设备散热器温度；

所述电流采样单元用于采样电气设备输出电流值；

所述电压采样单元用于采样电气设备输出电压值；

所述MCU控制单元根据环境温度、电气设备散热器的温度、电气设备输出电流值、电气设备输出电压值，通过所述驱动单元控制所述双向晶闸管的工作状态，进而控制交流风机的工作状态，其具体控制方式如下：

根据电气设备输出电流值I、电气设备输出电压值U及电气设备的额定功率，计算电气设备的负载等级p，其中，再而根据下式计算双向晶闸管的导通角系数D1；

式中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

判断散热器温度与散热器低温阈值、高温阈值的大小关系，若散热器温度t2小于低温阈值Tmin时，MCU控制单元设置所述双向晶闸管的驱动导通角大小D为0°；若散热器温度t2大于高温阈值Tmax时，MCU控制单元设置所述双向晶闸管的驱动导通角大小D为180°；若散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间，MCU控制单元根据双向晶闸管的导通角系数D1的大小设置所述双向晶闸管的驱动导通角D，控制双向晶闸管的工作状态，进而控制交流风机的工作状态。

在本发明一实施例中，若散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间，MCU控制单元根据双向晶闸管的导通角系数D1的大小设置所述双向晶闸管的导通角D的具体方式为：若双向晶闸管的导通角系数D1大于75%，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为180°；若双向晶闸管的导通角系数D1满足：50%＜D1≤75%，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为135°；若双向晶闸管的导通角系数D1满足：25%＜D1≤50%，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为90°；若双向晶闸管的导通角系数D1满足：0%＜D1≤25%，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为45°；若双向晶闸管的导通角系数D1小于等于0%则设置双向晶闸管的驱动导通角D为0。

本发明还提供了一种提高风机可靠性运行的控制方法，提供一风机控制装置，包括MCU控制单元及与该MCU控制单元连接的用于采集环境温度的第一温度采样单元、用于采集电气设备散热器温度的第二温度采样单元、用于采集电气设备输出电流值的电流采样单元、用于采集电气设备输出电压值的电压采样单元和BUCK降压电路，还包括与所述BUCK降压电路连接的直流风机，该方法包括如下步骤，

步骤S1，实时采集环境温度t1、电气设备散热器温度t2、电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I；

步骤S2，根据采集的电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I计算负载功率P=U×I以及负载等级p=P/P_额，其中，为电气设备的额定功率；

步骤S3，判断散热器温度t2是否大于高温阈值Tmax，若是，则控制开关管的占空比D为1，否则，进入步骤S4，其中，75 ℃≤Tmax≤ 85℃；

步骤S4，判断散热器温度t2是否小于低温阈值Tmin，若是，则控制开关管的占空比D为0，否则，进入步骤S5，其中，40 ℃≤ Tmin≤ 55 ℃；

步骤S5，根据计算开关管的占空比系数D1，其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

步骤S6，根据占空比系数D1大小设置开关管的驱动占空比D；

步骤S7，根据驱动占空比D控制开关管工作，调整直流风机的输入电压值，控制直流风机的工作。

在本发明一实施例中，所述步骤S6的具体实现步骤如下，

步骤S61，判断开关管的占空比系数D1是否大于等于1，若是，则设置开关管的驱动占空比D为1，否则，进入步骤S62；

步骤S62，判断开关管的占空比系数D1是否小于等于D0，若是，则设置开关管的驱动占空比为0，否则设置开关管的驱动占空比为D1。

本发明还提供了另一种提高风机可靠性运行的控制方法，提供一风机控制装置，包括MCU控制单元及与该MCU控制单元连接的用于采集环境温度的第一温度采样单元、用于采集电气设备散热器温度的第二温度采样单元、用于采集电气设备输出电流值的电流采样单元、用于采集电气设备输出电压值的电压采样单元和驱动单元，还包括双向晶闸管及与该双向晶闸管连接的交流风机，该方法包括如下步骤，

步骤S1，实时采集环境温度t1、电气设备的散热器温度t2、电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I；

步骤S2，根据采集的电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I计算负载功率P=U×I以及负载等级p=P/P_额，其中，为电气设备的额定功率；

步骤S3，判断散热器温度t2是否大于高温阈值Tmax，若是，则控制双向晶闸管的驱动导通角D为180°，否则，进入步骤S4，其中，75 ℃≤Tmax≤ 85℃；

步骤S4，判断散热器温度t2是否小于低温阈值Tmin，若是，则控制双向晶闸管的驱动导通角D为0，否则，进入步骤S5，其中，40 ℃≤ Tmin≤ 55 ℃；

步骤S5，根据计算双向晶闸管的导通角系数D1，其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

步骤S6，根据占双向晶闸管的导通角系数D1大小设置双向晶闸管的驱动导通角D；

步骤S7，根据双向晶闸管的驱动导通角D大小控制双向晶闸管工作，调整交流风机的输入电压值，控制交流风机的工作。

在本发明一实施例中，所述步骤S6，根据占双向晶闸管的导通角系数D1大小设置双向晶闸管的驱动导通角D是通过对双向晶闸管的驱动导通角D设置N个等级，进而根据导通角系数D1所处的与N相对的百分比级别，来设置双向晶闸管的驱动导通角D的大小，其中，N为自然数且N≥2。

在本发明一实施例中，所述N为5，则所述根据占双向晶闸管的导通角系数D1大小设置双向晶闸管的驱动导通角D的具体方式如下，

步骤S61，判断双向晶闸管的导通角系数D1是否大于等于75%，若是，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为180°，否则，进入步骤S62；

步骤S62，判断双向晶闸管的导通角系数D1是否大于等于50%，若是，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为135°，否则，进入步骤S63；

步骤S63，判断双向晶闸管的导通角系数D1是否大于等于25%，若是，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为90°，否则，进入步骤S64；

步骤S64，判断双向晶闸管的导通角系数D1是否大于等于0 %，若是，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为45°，否则，则设置双向晶闸管的驱动导通角D为0。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过结合负载功率、环境温度、散热器温度因素无级调整风机电压，从而控制风机转速，保证风机转速合理的特点；

2、本发明通过无级调整风机电压来控制风机转速，在低密度散热需求的情况下，降低风机电压来降低风机转速或关闭风机，在高密度散热需求的情况下，提高风机电压来提高风机转速，延长了风机的使用寿命，另一方面使得设备具备低噪声的特点；

3、本发明方法适用于直流风机也适用于交流风机。

附图说明

图1 为本发明直流风机控制装置的原理框图。

图2 为本发明针对直流风机的提高风机可靠性的运行方法。

图3 为本发明交流风机控制装置的原理框图。

图4 为本发明针对交流风机的提高风机可靠性的运行方法。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

实施例一（直流风机）

一种直流风机控制装置，如附图1所示，包括第一温度采样单元1、第二温度采样单元2、电流采样单元3、电压采样单元4、MCU控制单元5、BUCK降压电路、所述BUCK降压电路包括一开关管K、二极管D、电感L、电容C；

风机FAN1，电气设备的输出单元6、负载7；

所述第一温度采样单元1设置在电气设备外部，用于采样环境温度t1；

所述第二温度采样单元2设置在电气设备的散热器上，用于采样电气设备内散热器上的温度t2；

所述的电压采样单元3用于采样电气设备的输出电压值U；

所述的电流采样单元4用于采样电气设备的输出电流值I；

所述的MCU控制单元5用于控制所述BUCK降压电路的开关管K的驱动占空比，并输出PWM驱动信号控制开关管K工作；

所述的MCU控制单元用于计算电气设备的负载等级p，并将环境温度t1、电气设备内散热器上的温度t2结合电气设备的负载等级p控制所述BUCK降压电路的开关管K的驱动占空比，并输出PWM驱动信号控制开关管K工作。

当散热器温度t2小于低温阈值Tmin时，MCU控制单元控制开关管K的占空比D为0；当散热器温度t2大于高温阈值Tmax时，MCU控制单元控制开关管K的占空比D为1；当散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间，所述的MCU控制单元根据下式计算开关管的占空比系数D1，并根据D1的大小控制设置开关管的驱动占空比为D；

其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值。

为了实现对上述直流风机的控制，本发明还提供了一种提高风机可靠性运行的控制方法，如附图2所示，包括如下步骤：

步骤S1，实时采集环境温度t1、电气设备的散热器温度t2、电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I；

步骤S2，根据采集的电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I计算负载功率P=U×I以及负载等级p=P/P_额，其中，为电气设备的额定功率；

步骤S3，判断散热器温度t2是否大于高温阈值Tmax，若是，则控制开关管的占空比D为1，否则，进入步骤S4，其中75 ℃≤Tmax≤ 85℃（本实施例，高温阈值Tmax优选80 ℃）；

步骤S4，判断散热器温度t2是否小于低温阈值Tmin，若是，则控制开关管的占空比D为0，否则，进入步骤S5其中40 ℃≤ Tmin≤ 55 ℃（本实施例，低温阈值Tmin优选50 ℃）；

步骤S5，根据计算开关管的占空比系数D1，其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

步骤S6，根据占空比系数D1大小设置开关管的驱动占空比D；

步骤S7，根据驱动占空比D控制开关管工作，调整直流风机的输入电压值。

步骤S6，具体包括如下：

步骤S61，开关管的占空比系数D1是否大于等于1，若是，则设置开关管的驱动占空比为1，否则，进入步骤S62；

步骤S62，开关管的占空比系数D1是否小于等于D0，若是，则设置开关管的驱动占空比为0，否则设置开关管的驱动占空比为D1。

以下举例两种情况下的驱动占空比D的取值：

情况1：

优选的A=0.4，B=0.6，电气设备适用的温度环境范围为T1≤t1≤T2，本实施例适用的温度环境范围取值为-25℃～40℃，即T1=-25 ℃，T2=40 ℃，Tmin=50℃，Tmax=80℃，D0=15%，C=1；

当环境温度为-20℃，散热器温度为60℃，负载等级为50%，，因D1＜D0则控制设置开关管的驱动占空比为0。

情况2：

优选的A=0.4，B=0.6，电气设备适用的温度环境范围为T1≤t1≤T2，本实施例适用的温度环境范围取值为-25℃～40 ℃，即T1=-25 ℃，T2=40 ℃，Tmin=50℃，Tmax=80℃，D0=30 %，C=1.2；

当环境温度为20 ℃，散热器温度为70℃，负载等级为70%，，因D1＞D0控制设置开关管的驱动占空比为56%。

实施例二（交流风机）

一种交流风机控制装置，如附图3所示，包括第一温度采样单元1、第二温度采样单元2、电流采样单元3、电压采样单元4、MCU控制单元5、驱动单元8、双向晶闸管SCR；

交流风机FAN2，电气设备的输出单元6、负载7；

所述第一温度采样单元1设置在电气设备外部，用于采样环境温度t1；

所述第二温度采样单元2设置在电气设备的散热器上，用于采样电气设备内散热器上的温度t2；

所述的电压采样单元3用于采样电气设备的输出电压值U；

所述的电流采样单元4用于采样电气设备的输出电流值I；

所述的MCU控制单元5用于控制所述驱动单元8的驱动占空比，所述驱动单元8输出PWM驱动信号控制双向晶闸管SCR工作；

所述的MCU控制单元用于计算电气设备的负载等级p，并将环境温度t1、电气设备内散热器上的温度t2结合电气设备的负载等级p计算所述双向晶闸管SCR的导通角系数D1的大小，并根据导通角系数D1设置导通角D，驱动单元8控制双向晶闸管SCR工作。

当散热器温度t2小于低温阈值Tmin时，MCU控制单元控制双向晶闸管SCR的导通角大小为0；当散热器温度t2大于高温阈值Tmax时，MCU控制单元控制双向晶闸管SCR的导通角大小为180°；当散热器温度t2介于低温阈值Tmin与高温阈值Tmax之间，所述的MCU控制单元根据下式计算双向晶闸管SCR的导通角系数D1，并根据导通角系数D1的大小设置双向晶闸管SCR的导通角D，控制双向晶闸管SCR工作。

其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值。

为了实现对上述交流风机的控制，本发明还提供了一种提高风机可靠性运行的控制方法，如附图4所示，包括如下步骤：

步骤S1，实时采集环境温度t1、电气设备的散热器温度t2、电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I；

步骤S2，根据采集的电气设备的输出电压值U、电气设备的输出电流值I计算负载功率P=U×I以及负载等级p=P/P_额，其中，为电气设备的额定功率；

步骤S3，判断散热器温度t2是否大于高温阈值Tmax，若是，则控制双向晶闸管SCR导通角D为180°，否则，进入步骤S4，其中75 ℃≤Tmax≤ 85℃（本实施例，高温阈值Tmax优选80 ℃）；

步骤S4，判断散热器温度t2是否小于低温阈值Tmin，若是，则控制双向晶闸管SCR导通角D为0，否则，进入步骤S5其中40 ℃≤ Tmin≤ 55 ℃（本实施例，低温阈值Tmin优选50 ℃）；

步骤S5，根据计算双向晶闸管SCR导通角系数D1，其中，A为环境温度影响系数，B为负载功率影响系数，C为调整常数，A≥0，B≥0，且A+B=1，1≤C≤1.5，t1、t2分别为环境温度、散热器温度，T1、T2分别为电气设备适用环境温度的下、上限值，Tmin、Tmax分别为散热器的低温阈值、高温阈值；

步骤S6，根据占双向晶闸管SCR导通角系数D1大小设置双向晶闸管SCR的驱动导通角（0-180°）；

步骤S7，根据双向晶闸管SCR的驱动导通角大小控制双向晶闸管SCR工作，调整风机的输入电压值；

步骤S6，具体包括如下，设置等级如表1所示：

步骤S61，双向晶闸管SCR的导通角系数D1是否大于等于75%，若是，则设置双向晶闸管SCR的驱动导通角为180°，否则，进入步骤S62；

步骤S62，双向晶闸管SCR的导通角系数D1是否大于等于50%，若是，则设置双向晶闸管SCR的驱动导通角为135°，否则，进入步骤S63；

步骤S63，双向晶闸管SCR的导通角系数D1是否大于等于25%，若是，则设置双向晶闸管SCR的驱动导通角为90°，否则，进入步骤S64；

步骤S64，双向晶闸管SCR的导通角系数D1是否大于等于0 %，若是，则设置双向晶闸管SCR的驱动导通角为45°，否则，则设置双向晶闸管SCR的驱动导通角为0。

本实施例中，不限至对双向晶闸管SCR的的导通角为5个等级0、45°、90°、135°、180°，也可以设置N个等级，N≥2，N为自然数。

以上仅为本发明实施例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。