一种机电系统的风扇无级调速方法与装置
技术领域
本发明属于风扇转速控制技术领域，更具体地，涉及一种机电系统的风扇无级调速方法与装置。
背景技术
通信设备内部通常包含大量高性能的芯片，这些芯片工作时会产生大量的热量，导致设备温度上升。如果温度控制不好，轻则导致设备性能受损，重则烧毁芯片，因此通信设备的风扇散热系统至关重要。当设备温度不同时，散热需求不同，这时需要根据设备温度对风扇转速进行相应的调整，以满足使用需求。传统的风扇调速策略中，通常将风扇转速划分为若干个档位，温度升高超过门限值，则提高档位；温度下降低于门限值(含回差控制)，则降低风扇档位。但这种传统调整方法一般具有以下缺点：
第一，风扇转速收敛速度慢，甚至风扇转速无法稳定。温度超过门限时，风扇持续升档，只有当温度低于【过温阈值-回差值】时，风扇才开始降档，调节过程较长，高速转动噪声持续时间较长。而使用一般的无级调速方法时，由于温度响应有迟滞性，常常导致风扇速度过度调节，过度调节导致风扇速度无法稳定平衡在一个位置，就会来回震荡。
第二，风扇跳档。使用档位划分进行控制时，如果主控盘和风扇盘档位状态不一致，有可能导致主控盘下发一个与风扇盘当前档位相差较大的档位，这时候风扇档位会大幅跳变，用户体验不好。
第三，响应速度慢。一般风扇调节的时间周期是几分钟，每几分钟根据温度重新计算风扇转速，响应有些慢。例如，传统分档调节的时间周期是2分钟，档位每2分钟根据温度重新计算。
第四，噪声污染严重。传统风扇调速中，为了保证温度不超过高温阈值，通常风扇档位下调的调节都包含一个回差控制，也就是温度要下降到比较低的情况下，风扇速度才开始下调。这样会导致风扇长期处于全速状态，造成严重的噪声污染。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机电系统的风扇无级调速方法与装置，其目的在于通过调节PWM占空比实现风扇的无级调速，将设备的温度控制在一个合理的范围，由此解决风扇转速收敛慢、响应慢、易跳档和噪声严重的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种机电系统的风扇无级调速方法，通信设备上设有多个温度监控点，则风扇无级调速方法包括：
获取各温度监控点的温度，并从获取的多个温度值中筛选出最高温度；
根据所述最高温度和目标温度的差值，计算出新的PWM占空比；
下发新的PWM占空比给风扇盘，以便风扇盘根据新的PWM占空比调节转速，进而将设备温度稳定在所述目标温度；
其中，当所述最高温度超过高温阈值，且所述最高温度对应的温度监控点处的温度还在继续升高或者不变时，将PWM占空比上调；当所述最高温度低于低温阈值，且所述最高温度对应的温度监控点处的温度还在继续下降或者不变时，将PWM占空比下调；其中，所述高温阈值大于所述目标温度，所述低温阈值小于所述目标温度。
优选地，所述PWM占空比的计算过程具体为：
当delta_t＞Tdiff且temp≥temp1时，pwm＝pwm1+C1*delta_t-C1*Tdiff；
当delta_t<-Tdiff且temp≤temp1时，pwm＝pwm1+C2*delta_t+C2*Tdiff；
其中，delta_t＝temp-Tref，temp为本次监控时的所述最高温度，Tref为目标温度，Tdiff为最大允许偏差；temp1为上次调速时关键节点处的温度，所述关键节点是指本次监控时所述最高温度对应的温度监控点；
pwm为本次计算出的新的PWM占空比，pwm1为上次调速后的PWM占空比；C1为温度上调系数，C2为温度下调系数。
优选地，所述温度上调系数C1与所述温度下调系数C2之间的关系为：C1＞2C2。
优选地，所述温度上调系数C1的取值范围为：1≤C1≤3。
优选地，所述温度下调系数C2的取值范围为：0.4≤C2≤0.8。
优选地，所述PWM占空比单次上调的量为2-20，单次下调的量为1-10。
优选地，在所述下发新的PWM占空比给风扇盘，以便风扇盘根据新的PWM占空比调节转速之后，所述方法还包括：
每隔预设时间t重新获取各温度监控点的温度，继续根据新一轮监测的最高温度和目标温度的差值计算新的PWM占空比，并下发新的PWM占空比给风扇盘。
优选地，所述预设时间t的取值范围为：30s≤t≤60s。
优选地，所述获取各温度监控点的温度，并从获取的多个温度值中筛选出最高温度，具体包括：
MPU获取各温度监控点的温度，并将各温度传给MCU；
MCU汇总各温度监控点的温度，并滚动保存本轮和上轮温度记录；
MCU从各温度监控点的温度值中筛选出多个有效的温度值，并从所述多个有效的温度值中筛选出最高温度。
按照本发明的另一方面，提供了一种机电系统的风扇无级调速装置，包括MPU、MCU、风扇盘和多个温度传感器；
其中，所述多个温度传感器用于采集通信设备上各温度监控点的温度；
所述MPU用于获取各温度传感器采集到的温度，并将各温度传给MCU；
所述MCU用于从获取的多个温度值中筛选出最高温度，根据所述最高温度和目标温度的差值计算新的PWM占空比，并下发新的PWM占空比给风扇盘，以便风扇盘根据新的PWM占空比调节转速。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明直接通过调节PWM占空比来调节风扇的转速，而不是将转速粗略地分为几个档位，实现了风扇的无级调速，与档位调速相比收敛更快、响应更及时、温控更稳定精确，且不会出现跳档问题；采用负反馈控制原理来调节占空比，将风扇的温度控制在一个目标温度附近，可达到控温与降噪的平衡效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种机电系统的风扇无级调速方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种机电系统的组成框架图；
图3是本发明实施例提供的一种风扇无级调速过程中实际温度、目标温度、PWM占空比之间的动态关系演变示意图；
图4是本发明实施例提供的有无偏移校正因子时PWM单次调节幅度和设备温度的关系示意图；
图5是本发明实施例提供的一种机电系统的风扇无级调速装置架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
为解决传统的风扇档位调速转速收敛慢、响应慢、易跳档和噪声严重等问题，本发明实施例提供了一种机电系统的风扇无级调速方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤101，获取各温度监控点的温度，并从获取的多个温度值中筛选出最高温度。
参考图2，通信设备上通常设有多个温度监控点，分别记为温度监控点1、温度监控点2、...、温度监控点n，分别分布于通信设备的各业务盘或其他需要散热的主板的各处理器上；每个温度监控点处设有温度传感器，所述温度传感器采集对应温度监控点的温度，并可通过SPI/IIC/CAN等串行总线接口传输到微处理器(Micro Processing Unit，简写为MPU，此处是指通信设备的主控盘主芯片)，最终由机电系统控制中心的微控制器(MicroControl Unit，简写为MCU)筛选出最高温度。具体过程可参考图2，如下：
第一步，MPU获取各温度监控点的温度，并将各温度值传给MCU。
第二步，MCU缓存汇总各温度监控点的温度值，并滚动保存本轮和上轮温度记录，以便后续计算PWM占空比时使用。其中，PWM是指控制风扇转速的脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation)，占空比是指PWM中有驱动电压的时间占整个周期的比例，范围为0-100。
第三步，MCU从各温度监控点的温度值中筛选出多个有效的温度值，并从所述多个有效的温度值中筛选出最高温度，以便后续计算PWM占空比时使用。其中，温度的有效性检查主要是通过判断设备是否在位和温度数据是否正确接收到来确定。为了后续方便描述，此处可将所述最高温度所在的温度监控点记为关键节点。
步骤102，根据所述最高温度和目标温度的差值，计算出新的PWM占空比。
所述MCU从有效温度值中筛选出最高温度后，即可根据最高温度和目标温度来计算新的PWM占空比；其中，所述目标温度可根据实际的不同温控需求进行设定和调整，在此不做具体限定。另外，为了避免占空比单次调节的量出现跳跃性的变化，进而影响负反馈调节的收敛，本发明在占空比的计算过程中增加了偏移量校正因子，使得实际温度接近目标温度时占空比调节量尽可能小，转速收敛更快。其中，具体的占空比计算公式以及相应的公式说明将在实施例2中展开，在此不做赘述。
在本发明实施例中，为避免温度的过度调节，所述PWM占空比的调节原则具体为：当所述最高温度超过高温阈值，且所述最高温度对应的温度监控点处的温度还在继续升高或者不变时，将PWM占空比上调；当所述最高温度低于低温阈值，且所述最高温度对应的温度监控点处的温度还在继续下降或者不变时，将PWM占空比下调。也就是说，即使温度超过高温阈值，但如果温度已经在下降，则不应该继续上调占空比，否则容易过度调节；即使温度低于低温阈值，但如果温度已经在上升，则不应该继续下调占空比，否则容易过度调节。
其中，所述高温阈值大于所述目标温度，所述低温阈值小于所述目标温度。具体地，高温阈值＝目标温度+最大允许偏差，低温阈值＝目标温度-最大允许偏差，所述最大允许偏差是指实际温度与目标温度间的最大允许偏差，可根据精度需求或收敛时间要求进行设定，例如可设置为2℃。
步骤103，下发新的PWM占空比给风扇盘，以便风扇盘根据新的PWM占空比调节转速，进而将设备温度稳定在所述目标温度；
所述MCU计算出新的PWM占空比后便下发给通信设备上的风扇盘，以便风扇盘进行转速调节，实现无级调速。本发明在进行调节时采用负反馈控制的原理，即给定一个参考的目标温度，逐步将实际温度稳定控制在目标温度附近。因此，为了逐步将实际温度稳定控制在目标温度附近，本轮调节完成后，每隔预设时间t(即调节周期)需要重新获取各温度监控点的温度，继续根据新一轮监测的最高温度和目标温度的差值计算新的PWM占空比，并下发新的PWM占空比给风扇盘。
也就是说，每隔预设时间t便重复执行步骤101-步骤103，进行新一轮的占空比调节。其中，所述预设时间t的取值范围为：30s≤t≤60s，其调节周期相比传统档位调速更短，提高了响应速度。参考图3，横坐标表示占空比调节次数，纵坐标表示温度以及占空比；在一个具体的实施例中，目标温度设定为95摄氏度，调节周期t设为40s，经多次试验发现只需要十几个调节周期，PWM占空比就可以稳定下来，设备温度最终也稳定在目标温度95摄氏度附近，达到负反馈控制的目的。
综上所述，本发明提供的上述风扇调速方法主要有以下有益效果：
使用无级调速对风扇的转速进行控制，即直接通过调节PWM占空比来调节风扇转速，而不是将转速粗略地分为几个档位。与档位调速相比，无级调速收敛更快、响应更及时、温控更稳定精确，且不会出现跳档问题；
调节占空比时使用自动控制理论中的负反馈控制原理，将风扇的温度控制在一个目标温度附近，可达到控温与降噪的平衡效果，且解决了风扇档位上升后长时间不下降的问题，降低环境噪声污染；
缩短风扇调速的周期，提高响应速度。由于温度变化具有滞后性，缩短风扇调速的周期由可能导致过度调节，本发明通过一定的限制条件，即当温度超过高温阈值且还在继续升高或者不变时才将占空比上调，当温度低于低温阈值且还在继续下降或者不变时才将占空比下调，可达到缩短调节周期与防止过度调节的需求平衡。
实施例2
在上述实施例1提供的一种机电系统的风扇无级调速方法的基础上，本发明实施例进一步对步骤102中PWM占空比的计算公式进行说明。
所述PWM占空比的计算方式具体包括以下三种情况：
1)当delta_t＞Tdiff且temp≥temp1，pwm＝pwm1+C1*delta_t-C1*Tdiff；
2)当delta_t<-Tdiff且temp≤temp1，pwm＝pwm1+C2*delta_t+C2*Tdiff；
3)其他情况，pwm＝pwm1，即本次不对占空比进行调节；
其中，delta_t＝temp-Tref。上述公式中各参数的表征含义如下：Tref为设定的目标温度，Tdiff为最大允许偏差；temp为本次监控时的所述最高温度，temp1为上次调速时关键节点处的温度；pwm为本次计算出的新的PWM占空比，pwm1为上次调速后的PWM占空比；C1为温度上调系数，C2为温度下调系数。
下面对占空比计算公式中的各参数以及公式原理进行具体说明：
(1)目标温度Tref：在实际使用时可根据不同的温控需求进行设定和适当调整，在此不做具体限定。
(2)最大允许偏差Tdiff：即实际温度与目标温度的最大允许偏差；该值越小，调节精度越高，风扇转速也越难收敛。在实际使用时可根据不同的精度需求或收敛时间要求进行设定和适当调整，在此不做具体限定。
(3)温度上调系数C1：该值设置较大(与C2相比)，以便当温度过高时，可以快速上调占空比，提高风扇转速使设备冷却，达到快速降温目的。本发明实施例经多次试验确定，所述温度上调系数C1的取值范围为：1≤C1≤3；在优选的实施例中，C1＝2，但并不唯一限定。
(4)温度下调系数C2：该值设置较小(与C1相比)，以便当温度较低时，使占空比下调过程可以小步长进行，进而在下调过程中找到平衡点，避免温度过度下调(因为温度变化有滞后性)。本发明实施例经多次试验确定，所述温度下调系数C2的取值范围为：0.4≤C2≤0.8；在优选的实施例中，C2＝0.5，但并不唯一限定。
(5)C1与C2的关系：C1与C2要有一定差异，如果二者相近或相等，则上下调界限不够分明，会导致震荡，负反馈调节难以收敛；而且，如前面第3点和第4点中介绍，C1需大于C2，以保证占空比快速上调和小步长下调。本发明实施例经多次试验确定，所述温度上调系数C1与所述温度下调系数C2之间的关系为：C1＞2C2，从而有利于收敛；在优选的实施例中，C1＝2，C2＝0.5，但并不唯一限定。
(6)偏移量校正因子-C1*Tdiff和C2*Tdiff：参考图4中给出的折线对比图可知，如果计算公式中没有偏移量校正因子，温度刚偏离误差允许范围的时候，占空比单次调节的量会有跳跃性的变化，这样不利于负反馈调节的收敛；而通过在计算公式中增加偏移量校正因子，可以很好地解决这个问题。
仍以图4为例，在一个具体的实施例中，Tref＝95，Tdiff＝2，C1＝2，C2＝0.5。当温度刚向上偏离误差允许范围时，如果没有这两个偏移量校正因子，那么PWM占空比单次上调的最小值为6；如果设置两个偏移量校正因子，则可将PWM占空比单次上调的最小值限制到2。类似地，当温度刚向下偏离误差允许范围时，如果没有这两个偏移量校正因子，那么PWM占空比单次下调的最小值为2；如果设置两个偏移量校正因子，则可将PWM占空比单次下调的最小值限制到1。由此可知，通过设置偏移量校正因子，可使得实际温度接近目标温度时，调节幅度尽可能小，转速收敛更快。
(7)pwm上下调范围：增加上述第6点中的偏移量校正因子之后，所述PWM占空比单次上调的范围为2-20，单次下调的范围为1-10，从而避免了单次调节量过大造成的风扇转速突变；其中，最后计算得到的pwm限制范围为10-100。
(8)计算公式的使用原理：令TH＝Tref+Tdiff，TL＝Tref-Tdiff；TH即为前文提到的所述高温阈值，TL即为前文提到的所述低温阈值，则占空比计算公式的使用原理具体如下：
只有当最高温度超过TH，且关键节点处本轮温度比上轮温度高或相等(即关键节点处的温度还在继续升高或不变)时，占空比才上调；即使最高温度超过TH，但如果关键节点处的温度已经在下降，则不应该继续上调占空比，否则容易过度调节。
只有当最高温度低于TL，且关键节点处本轮温度比上轮温度低或相等(即关键节点处的温度还在继续下降或不变)时，占空比才下调；即使最高温度低于TL，但如果关键节点处的温度已经在上升，则不应该继续下调占空比，否则容易过度调节。
综上所述，本发明实施例提供的占空比计算公式具有以下优势：
使用负反馈控制的方式调节风扇的PWM占空比，温度上调系数C1大于温度下调系数C2，优选为C1＝2,C2＝0.5，不仅可以在温度过高时快速上调占空比，提高风扇转速以达到快速降温；在温度较低时小步长下调占空比，避免温度过度下调；还有利于快速风扇转速的收敛；
使用偏移量纠正因子-C1*Tdiff和C2*Tdiff，使得实际温度接近目标温度时，调节量尽可能小，有利于快速收敛；
计算公式的限制条件为：温度超过高温阈值且温度继续上升或不变时才上调占空比；温度低于低温阈值且温度继续下降或不变时才下调占空比，从而可避免温度的过度调节。
实施例3
在上述实施例1提供的一种机电系统的风扇无级调速方法的基础上，本发明实施例进一步提供了一种机电系统的风扇无级调速装置，用于实现实施例1中的风扇无级调速方法。
如图2所示，本发明实施例提供的风扇无级调速装置主要包括MPU、控制中心的MCU、风扇盘和多个温度传感器。
所述多个温度传感器分别对应设置在通信设备上的多个温度监控点处，用于采集通信设备上各温度监控点的温度；
所述MPU用于获取各温度传感器采集到的温度，并将各温度传给控制中心MCU；
所述MCU用于收集监控点温度，调节风扇转速，具体包括：从获取的多个温度值中筛选出最高温度，根据所述最高温度和目标温度的差值计算新的PWM占空比，并下发新的PWM占空比给风扇盘，以便风扇盘根据新的PWM占空比调节转速；
所述风扇盘用于对通信设备上的各业务盘或其他需要散热的主板进行散热，通常包括一个或多个风扇组，具体数量在此不做限定。
进一步地，所述MCU包括缓存模块、筛选模块和占空比计算模块。
所述缓存模块用于接收所述MPU传动过来的各温度监控点的温度值并缓存；
所述筛选模块用于从各温度监控点的温度值中筛选出多个有效的温度值，并从所述多个有效的温度值中筛选出最高温度；
所述占空比计算模块用于根据所述最高温度和目标温度的差值，计算出新的PWM占空比；其中，具体的计算过程可参考实施例1和实施例2中的相关介绍，在此不做赘述。
实施例4
在上述实施例1提供的一种机电系统的风扇无级调速方法的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法的机电系统的风扇无级调速装置，如图5所示，是本发明实施例的装置架构示意图。本实施例的机电系统的风扇无级调速装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图5中以一个处理器21为例。
所述处理器21和所述存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
所述存储器22作为一种机电系统的风扇无级调速方法非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如实施例1中的机电系统的风扇无级调速方法。所述处理器21通过运行存储在所述存储器22中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行机电系统的风扇无级调速装置的各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1的机电系统的风扇无级调速方法。
所述存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，所述存储器22可选包括相对于所述处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至所述处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1中的机电系统的风扇无级调速方法，例如，执行以上描述的图1所示的各个步骤。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
