具有温度预估的风扇pwm调速节能控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统及控制方法，针对变频器功率单元温度与输出电流和开关频率相关的特性，根据变频器的载波频率和输出电流有效值，对功率单元温度及变化做出预估，从而提前对风扇进行调速。温度检测电路检测出功率单元的温度，输出模拟量给单片机，同时电流检测电路检测变频器输出电流，并输出模拟量给单片机。单片机根据温度模拟量和电流模拟量，计算并合成出实际需要输出的PWM波。PWM经驱动电路放大后驱动风扇，从而达到调速节能的目的。本发明直接通过温度反馈和电流前馈控制PWM对风扇进行调速，提高了风扇散热的动态响应以及静态稳定性。
【专利说明】具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气领域，涉及变频器风扇技术，尤其是变频器风扇调速控制。
【背景技术】
[0002] 在现有变频器中，风扇控制一直处于恒电压恒功率驱动模式，在变频器温度较低 时，这种驱动模式就显得散热效率低下，不能有效节省能源，尤其是在使用有限能源（如电 池）供电的情况下，则更突显其不能有效节能的缺点。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效节能、工作效率高的具有温度预 估的风扇PWM调速节能控制系统及控制方法。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] -种具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统，系统组成包括：
[0006] 温度检测电路：包括温度传感器及其驱动电路，用于检测变频器功率单元温度，并 输出温度模拟量；
[0007] 电流检测电路：包括电流互感器及信号偏置电路，用于检测变频器输出电流，并输 出电流模拟量；
[0008] 单片机：用于接收处理温度检测电路输出的温度模拟量和电流检测电路输出的电 流模拟量，根据载波频率、温度模拟量及电流模拟量计算并输出PWM波形；
[0009] 驱动电路：根据单片机输出的PWM波形，转换电压以驱动风扇。
[0010] 所述温度检测电路的结构为：温度传感器与第一电阻并联，再与第二电阻串联后 接地，另一端接+5V，组成一个温度检测单元，第一电阻、第二电阻之间为温度信号输出端； 多个温度检测单元的输出端相连合成0HV信号，经电解电容接地并将0HV信号输出给单片 机。
[0011] 所述电流检测电路的结构为：信号偏置电路包含运算放大器，电流互感器检出信 号Iu或Iw经第一钳位二极管和第三电阻进入运算放大器的反相输入端，第一钳位二极管 的正端接-15V，负端接+15V，同时有-2. 5V电压经第四电阻与运算放大器的反相输入端相 连，运算放大器的输出端接第二钳位二极管中间点，第二钳位二极管的正端接运算放大器 的反相输入端，第三钳位二极管的负端经第五电阻与运算放大器的反相输入端相连，第三 钳位二极管的负端经第六电阻、第四钳位二极管接单片机，第四钳位二极管的正端接地， 负端接+5V，中间为输出电流模拟信号Iuu或Iww。
[0012] 所述第三钳位二极管利用二极管反向不导通的特性，对运算放大器的放大区间进 行限制，对进入运算放大器反相输入端的电压，总电压高于0V时，输出电压限制为0,总电 压低于ον时，电压信号反相放大输出。
[0013] 一种具有温度预估的风扇PWM调速节能控制方法，单片机先根据载波频率Kfc确 定功率单元的温度-电流特性曲线，再读取温度模拟量0HV，初步计算出PWM占空比；接着 读取电流模拟量Iuu、Iww，计算电流有效值I_out，根据电流有效值I_out的大小及变化，依 据温度-电流特性曲线，对变频器温度的变化作出估算，从而对PWM占空比作前馈补偿，合 成实际需要的占空比；前馈补偿方式为：若输出电流增大，则变频器运转温度将升高，需增 大PWM占空比，增加风扇转速；若输出电流降低，则变频器运转温度将降低，此时PWM占空比 不立即减小，而是随着变频器温度的降低而减小；最后单片机输出PWM波，经驱动电路转换 后驱动风扇。
[0014] 所述PWM占空比随着变频器温度降低而减小时，当温度下降至风扇停止温度以下 并维持2min以上，PWM停止输出。
[0015] 所述温度检测电路根据变频器功率单元的个数，确定温度检测点数，检测每个功 率单元的温度。
[0016] 本发明的有益技术效果是：
[0017] 本发明直接通过温度反馈和电流前馈控制PWM对风扇进行调速，提高了风扇散热 的动态响应以及静态稳定性。降低变频器风扇耗能，单片机对根据温度反馈和电流前馈，对 风扇进行PWM调速控制，可有效提高风扇工作效率、节省能源；温度下降至风扇停止温度以 下2min后，PWM停止输出，可有效增加风扇使用寿命，降低使用成本；多点温度检测，可以更 准确的检测出变频器当前运行温度，为PWM计算提供准确的数据，从而保证风扇具有较高 的散热效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明控制系统组成框图。
[0019] 图2是温度检测电路原理图。
[0020] 图3是电流检测电路原理图。
[0021] 图4是本发明控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明。
[0023] 如图1所示，本发明中，风扇PWM调速节能控制系统主要由温度检测电路、电流检 测电路、单片机、驱动电路以及风扇组成。温度检测电路包括温度传感器及其驱动电路，用 于检测变频器功率单元温度，并输出温度模拟量0HV。电流检测电路包括电流互感器及信号 偏置电路，用于检测变频器输出电流，并输出电流模拟量Imulww。单片机用于接收处理温 度模拟量和电流模拟量，根据载波频率、温度模拟量及电流模拟量计算并输出PWM波形。驱 动电路根据单片机输出的PWM波形，转换电压以驱动风扇。
[0024] 温度检测电路的实施例如图2所示，温度传感器与电阻R19并联，再与电阻R20串 联后接地GND，另一端接+5V，组成一个温度检测单元，R19、R20之间为温度信号输出端，多 个温度检测单元的输出端相连合成0HV信号，经电解电容C5接地GND并将0HV信号输出给 单片机。
[0025] 电流检测电路的实施例如图3所示，信号偏置电路包含运算放大器U2A，电流互感 器检出信号Iu或Iw经钳位二极管D1和电阻R10进入运算放大器U2A的反相输入端，钳位 二极管D1的正端接-15V，负端接+15V，同时有-2. 5V电压经电阻R12与运算放大器U2A的 反相输入端相连，运算放大器U2A的输出端接钳位二极管D2中间点，钳位二极管D2的正端 接运算放大器U2A的反相输入端，钳位二极管D3的负端经电阻R13与运算放大器U2A的反 相输入端相连，钳位二极管D3的负端经电阻R14、钳位二极管D4接单片机，钳位二极管D4 的正端接地GND，负端接+5V，中间为输出电流模拟信号Iuu或Iww。
[0026] 钳位二极管D3利用二极管反向不导通的特性，对运算放大器U2A的放大区间进行 限制，对进入运算放大器U2A反相输入端的电压，总电压高于0V时，输出电压限制为0,总电 压低于0V时，电压信号反相放大输出。
[0027] 如图4所示，本发明控制方法的流程为：
[0028] 1、单片机初始化，根据载波频率Kfc选择温度-电流特性曲线。
[0029] 2、温度检测电路检测每个变频器功率单元，同时输出温度最高点的模拟量，以保 证温度检测结果的准确性，再将温度模拟量输出给单片机。
[0030] 3、单片机读取温度模拟量0HV，判断温度是否高于风扇启动温度，若高于风扇启动 温度，则初步计算PWM占空比。
[0031] 4、初步计算PWM占空比后，单片机读取电流模拟量Iuu、Iww。
[0032] 5、单片机根据电流模拟量Iuu、Iww计算输出电流有效值，再根据电流有效值的大 小和变化趋势，参考功率单元的温度-电流特性曲线，对变频器温度的变化作出预估，并对 PWM作前馈补偿：若输出电流增大，则温度将上升，增大PWM占空比；若输出电流将降低，则 温度降低，PWM占空比不立即减小，而是随着变频器温度的降低而减小，温度下降至风扇停 止温度以下并持续2min以上，PWM停止输出。
[0033] 6、单片机输出合成后的PWM，经外部驱动电路放大后，驱动风扇。
[0034] 7、温度下降至风扇停止温度以下，PWM不再计算新值，并开始延时计时，计时时间 到达后，PWM停止输出。
[0035] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本 领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变 化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统，其特征在于，系统组成包括： 温度检测电路：包括温度传感器及其驱动电路，用于检测变频器功率单元温度，并输出 温度模拟量； 电流检测电路：包括电流互感器及信号偏置电路，用于检测变频器输出电流，并输出电 流模拟量； 单片机：用于接收处理温度检测电路输出的温度模拟量和电流检测电路输出的电流模 拟量，根据载波频率、温度模拟量及电流模拟量计算并输出PWM波形； 驱动电路：根据单片机输出的PWM波形，转换电压以驱动风扇。
2. 根据权利要求1所述具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统，其特征在于，所 述温度检测电路的结构为：温度传感器与第一电阻（R19)并联，再与第二电阻（R20)串联后 接地（GND)，另一端接+5V，组成一个温度检测单元，第一电阻（R19)、第二电阻（R20)之间 为温度信号输出端；多个温度检测单元的输出端相连合成OHV信号，经电解电容（C5)接地 (GND)并将OHV信号输出给单片机。
3. 根据权利要求1所述具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统，其特征在于，所述 电流检测电路的结构为：信号偏置电路包含运算放大器（U2A)，电流互感器检出信号Iu或 Iw经第一钳位二极管（D1)和第三电阻（R10)进入运算放大器（U2A)的反相输入端，第一 钳位二极管（D1)的正端接-15V，负端接+15V，同时有-2.5V电压经第四电阻（R12)与运算 放大器（U2A)的反相输入端相连，运算放大器（U2A)的输出端接第二钳位二极管（D2)中间 点，第二钳位二极管（D2)的正端接运算放大器（U2A)的反相输入端，第三钳位二极管（D3) 的负端经第五电阻（R13)与运算放大器（U2A)的反相输入端相连，第三钳位二极管（D3)的 负端经第六电阻（R14)、第四钳位二极管（D4)接单片机，第四钳位二极管（D4)的正端接地 (GND)，负端接+5V，中间为输出电流模拟信号Iuu或Iww。
4. 根据权利要求3所述具有温度预估的风扇PWM调速节能控制系统，其特征在于：所 述第三钳位二极管（D3)利用二极管反向不导通的特性，对运算放大器（U2A)的放大区间进 行限制，对进入运算放大器（U2A)反相输入端的电压，总电压高于0V时，输出电压限制为0， 总电压低于0V时，电压信号反相放大输出。
5. -种具有温度预估的风扇PWM调速节能控制方法，其特征在于：单片机先根据载波 频率Kfc确定功率单元的温度-电流特性曲线，再读取温度模拟量OHV，初步计算出PWM占 空比；接着读取电流模拟量Iuu、Iww，计算电流有效值I_out，根据电流有效值I_out的大 小及变化，依据温度-电流特性曲线，对变频器温度的变化作出估算，从而对PWM占空比作 前馈补偿，合成实际需要的占空比；前馈补偿方式为：若输出电流增大，则变频器运转温度 将升高，需增大PWM占空比，增加风扇转速；若输出电流降低，则变频器运转温度将降低，此 时PWM占空比不立即减小，而是随着变频器温度的降低而减小；最后单片机输出PWM波，经 驱动电路转换后驱动风扇。
6. 根据权利要求5所述具有温度预估的风扇PWM调速节能控制方法，其特征在于：所 述PWM占空比随着变频器温度降低而减小时，当温度下降至风扇停止温度以下并维持2min 以上，PWM停止输出。
7. 根据权利要求5所述具有温度预估的风扇PWM调速节能控制方法，其特征在于：所 述温度检测电路根据变频器功率单元的个数，确定温度检测点数，检测每个功率单元的温
【文档编号】F04D27/00GK104061180SQ201410274484
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】马锋, 叶伟 申请人:台安科技(无锡)有限公司