一种小功率换气扇的制作方法

本发明涉及一种小功率换气扇，尤其涉及其机械、电动机和控制方法的配合，ipc分类可属于f04d25/08、f04d19/00和f04d17/08。
背景技术：
传统的小功率换气扇由于风口所在环境气压或配装风管不统一，导致换气扇使用时的实际风量的不确定性，影响通风设计和使用效果。采用经典的如工业设备上使用的风量检测负反馈控制，成本过高。有关术语和常识，除本说明书已指明外，可参考国家标准gb/t14806《家用和类似用途交流换气扇及其调速器》以及《通风机》(华中工学院李庆宜，机械工业出版社1981年北京第1版)、《机械工程手册》和《电机工程手册》(编写组，机械工业出版社1997年第2版)。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提出一种小功率换气扇，其可达到较佳的风量恒定，而成本较低。本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种小功率换气扇，包括：叶轮，直接驱动该叶轮的电动机及其控制电路；其特征在于：a)所述叶轮为离心式叶轮，叶轮直径为250mm以内，叶片数20～70，额定转速不低于800r/m，还包括环绕叶轮的涡壳和连接外部管道的出风口；b)所述电动机为永磁无刷电动机，其被输入电源和控制该电源的pwm信号以控制转速，并输出转速信号；c)所述控制电路含内置程序，该内置程序包括：按换气扇风量的恒定值和所述转速信号向所述电动机输入电源和控制该电源的pwm信号，当电动机转速改变时，所述pwm信号的占空比与转速的改变正相关地改变。该定值闭环控制与通常以目标值负反馈达到稳定不同，其基于永磁无刷电动机的转速与向其输入的电源和控制该电源的pwm占空比正相关，巧妙利用小型离心式换气扇在风量因空气输出阻力变化而改变时转速与风量呈负相关的特性，使pwm的占空比与转速正相关地调整向电动机提供的输入电源和pwm信号，此为转速的正反馈，因而显著提高闭环系统的放大系数，即使不直接测量风量控制，也可以较好地恒定风量，但成本较低。该技术方案的进一步设计是，所述内置程序含换气扇于各恒定风量下所述输入电源为规定电压时所述pwm占空比与转速关系的数据库以及如下步骤：——对于具体恒定风量值，以规定电压输入电源和当前占空比的pwm信号运行的电动机，其输出的转速信号表明其转速高于所述数据库查得的该风量值下该级占空比对应的转速时，改为以提高一级占空比的pwm信号运行电动机，否则相反。其进一步设计为，当电动机以规定电压输入电源和最高级占空比的pwm信号运行，其输出的转速信号表明其转速仍高于所述数据库查得的该风量值下最高级占空比对应的转速时，使电动机以高于规定电压的输入电源和最高级占空比的pwm信号运行。所述换气扇于各恒定风量下所述pwm占空比与转速关系的数据库按如下建立：a)对所述换气扇使所述电动机与控制电路断开，改为直接输入电源和占空比级差可调的pwm信号，且以规定电压的输入电源和每级占空比进行换气扇产品标准规定的空气性能试验，同时测量该试验过程各风量值相应的电动机转速；b)以a)项所得数据得到各恒定风量值下所述输入电源为规定电压时，所述pwm占空比与转速的关系。本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。附图说明图1是本发明实施例换气扇基本机械结构主視示意图；图2是本发明实施例换气扇电动机控制电路示意图；图3是本发明实施例换气扇各转速-风量特性测试结果示意图；图4是本发明实施例换气扇从图3得到恒定风量qn的pwm占空比与转速关系示意图；图5是本发明实施例换气扇恒定风量qn工作点自动调整第1实施例示意图；图6是本发明实施例换气扇恒定风量qn工作点自动调整第2实施例示意图；图7是本发明实施例换气扇从图3得到恒定风量qn’的pwm占空比与转速关系示意图；图8是本发明实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第1实施例示意图；图9是本发明实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第2实施例示意图；图10是本发明实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第3实施例示意图；图11是本发明实施例换气扇恒定风量效果示意图。具体实施方式本发明实施例换气扇基本机械结构如图1所示，是在一传统的家用自由进气型管道式换气扇上改进而成。该换气扇叶轮为离心式，直径200mm，叶片数32，额定转速1380r/m；也可改为250mm以内的其它直径、更多的叶片(最好50以内)和更高的转速，出风口接管额定长度为1～10m。主要的改进包括：——固定于机壳的电动机17，由原交流电动机改为额定电压为24v的无传感器永磁无刷直流电动机；——增加了电路板8；——外部电网交流电源自传统换气扇电源输入后即直接向交流电动机供电，改为经电路板8向直流电动机17供电。在该换气扇中，电动机17驱动原有的离心式叶轮3在环绕叶轮的蜗壳内运转，室内空气穿越原有装饰面板4从蜗壳的进风口5进入叶轮3，经叶轮3在涡壳内加速后，从原有连接外部管道的出风口2排出。本发明实施例换气扇的控制电路如图2所示，其除电动机17外，制作于电路板8，主要包括：——自端子11、12输入的交流电源经桥式整流器15整流后向开关电源10供电；——开关电源10(参考型号：nes-350-24)，按照其控制端18输入的信号，输出端16向驱动模块30的电源输入端31供给额定24v或升高至最高26.4v的直流电压；——驱动模块30(参考型号：tb6633afng)将所述直流电压逆变为三相pwm电压，输往电动机17的u、v、w三相端子；pwm电压的占空比受端子33输入的pwm信号控制；——单片机20(参考型号：pic16f1827)的电源端22获得自电源模块10的输出端16经电阻13降压和稳压二极管14稳压形成的5v电源电压，输入端21接收驱动模块30端子32输出的转速信号，单片机的内置程序以该转速信号对照所数据库中指定恒定风量下的额定电压倍数、pwm占空比与转速关系，控制自端子23输往驱动模块30的输入端子33的pwm信号的占空比。此外，端子24输出信号送往开关电源模块10的控制端18，用于调整输出端16输出的电压。为实施恒定风量控制，首先对单片机的内置程序建立各恒定风量下的规定电压、pwm占空比与转速关系的数据库，方法如下：a)按
背景技术：
所述常识对实施例样品换气扇进行空气性能试验，步骤为：——将电路板8中与驱动模块30的的所有连接断开，使用一pwm信号发生器直接向驱动模块30的端子33输入占空比可调的pwm信号，使用一直流稳压电源直接向驱动模块30的电源输入端31供给可调的直流电压；——以额定电压和0.1、0.2、……1.0共10级的每1级占空比的pwm信号控制，测量换气扇空气性能，测量时按驱动模块30端子32输出的信号记录跟随空气性能每一风量值的转速，得到图3所示样品换气扇10级占空比pwm信号的转速-风量特性:n(q)0.1、n(q)0.2、……n(q)1.0。标注于横坐标的q1m、q2m……q10m是相应级占空比的转速-风量或压力-风量特性的最大风量，标注于纵坐标的p1m、p2m……p10m和pmm是相应级占空比的压力-风量特性的最大压力，标注于横坐标的n1m、n2m……n10m和nmm是相应级占空比的转速-风量特性的最大转速；——以1.1倍额定电压和1.0占空比的pwm信号控制，测量换气扇空气性能和记录跟随空气性能每一风量值的转速，得到图3所示样品换气扇此时的转速-风量特性n(q)1.0vm；——以图3的转速-风量特性曲线族求取恒定风量下的pwm占空比与转速关系：如图4所示，于风量轴过qn点作垂线交各转速-风量特性曲线的交点k、a、……m、z，各交点的纵坐标nn0.6、nn0.7、……nn1.0、nn1.0vm与所在曲线的占空比构成恒定风量qn下规定电压的pwm占空比与转速一一对应的关系，如表1：表1恒定风量qn1下的额定电压倍数、pwm占空比与转速关系交点kaclmz额定电压倍数1.01.01.01.01.01.1占空比0.60.70.80.91.01.0转速nn0.6nn0.7nn0.8nn0.9nn1.0nn1.0vm如图7所示，于风量轴过qn’点作垂线交各转速-风量特性曲线的交点e、r、……s、sm，这些交点的纵坐标nn0.7、nn0.8、……nn1.0、nn’1.0vm与所在曲线的占空比构成恒定风量qn’下规定电压的pwm占空比与转速一一对应的关系，如表2：表2恒定风量qn’下的额定电压倍数、pwm占空比与转速关系交点erhssm额定电压倍数1.01.01.01.01.1占空比0.70.80.91.01.0转速nn’0.7nn’0.8nn’0.9nn’1.0nn’1.0vm同样地，可对更多的恒定风量值得到其规定电压的pwm占空比与转速关系，即类似的表格。b)上述表格作为数据库，写入单片机20的内置程序。所述内置程序包括以下步骤：接通电源；开关电源10按其控制端18获得的信号，输出端16向驱动模块30的电源输入端31供给额定电压倍数为1.0的直流电压；单片机20的输出端子23向驱动模块30的输入端子33输出初值(通常取0.7～0.9)占空比pwm信号；执行如下步骤：——单片机20的输入端子21接收驱动模块30的输出端子32输出的转速信号；——查所述数据库，得恒定风量值的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为当前值时的转速；——如果信号转速大于查得转速超过规定偏差，使输出端子23向驱动模块30的输入端子33输出的pwm信号的占空比按当前值提高1级；——如果信号转速小于查得转速超过规定偏差，使输出端子23向驱动模块30的输入端子33输出的pwm信号的占空比按当前值降低1级；——如果信号转速与查得转速之差在规定偏差内，使输出端子23向驱动模块30的输入端子33输出的pwm信号的占空比维持当前值不变；——当pwm信号的占空比的当前值已达到1.0，但信号转速仍大于查得转速和超过规定偏差时，使输出端子24向开关电源10的控制端18发出信号，使其输出端16向驱动模块30的电源输入端31供给额定电压倍数为1.1的直流电压；——间隔规定周期重复执行上述步骤。若闭环系统振荡可接受，规定偏差可取零，否则宜取折算至电动机轴转速1～10r/m。图5给出实施例换气扇恒定风量qn工作点自动调整第1实施例的调整过程：——换气扇以额定电压倍数为1.0的直流电压和占空比为0.7的pwm信号启动；——换气扇连接外部管道为4m时，工作点为该4m管阻特性p(q)4m与转速-风量特性n(q)0.7的交点a；——换气扇连接外部管道改为6m时，工作点由a移至该6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.7的交点b，风量由恒定风量qn减少至qb，转速则由nn0.7升高至nb；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点b的转速信号nb，查所述数据库得恒定风量qn的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.7时(交点a)的转速nn0.7；——可见nb大于nn0.7，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.7提高1级，为0.8；——换气扇转速升高，工作点由b点移至6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.8的交点c，换气扇转速升高至nn0.8，风量由qb增大为qn，即恢复为恒定风量；交点c也是风量轴过qn点的垂线与转速-风量特性n(q)0.8的交点，即信号转速与查得转速之差为零，下一周期检查若继续该情况，使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比维持0.8不变，风量因而恒定于qn。图6给出上述第1实施例外部管道改为1.5m的调整过程：——换气扇连接外部管道由4m改为1.5m时，工作点由a移至该1.5m管阻特性p(q)1.5m与转速-风量特性n(q)0.7的交点d’，风量由恒定风量qn增大至qd’,转速则由nn0.7降低至nd’；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点d’的转速信号nd’，查所述数据库得恒定风量qn的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.7时(交点a)的转速nn0.7；——可见nd’小于nn0.7，内置程序因此使输子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.7降低1级，为0.6；——换气扇转速降低，工作点由d’点移至该1.5m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.6的交点k，换气扇转速降低至nn0.6，风量由qd’减少为qn，即恢复为恒定风量；交点k也是风量轴过qn点的垂线与转速-风量特性n(q)0.6的交点，即信号转速与查得转速之差为零，下一周期检查若继续该情况，使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比维持0.6不变，风量因而恒定于qn。图8给出实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第1实施例的调整过程：——换气扇以额定电压倍数为1.0的直流电压和占空比为0.7的pwm信号启动；——换气扇连接外部管道为2m时，工作点为该2m管阻特性p(q)2m与转速-风量特性n(q)0.7的交点e；——换气扇连接外部管道改为6m时，工作点由e移至该6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.7的交点f，风量由恒定风量qn’减少至qf，转速则由nn’0.7升高至nf；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点f的转速信号nf，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.7时(交点e)的转速nn’0.7；——可见nf大于nn’0.7，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.7提高1级，为0.8；——换气扇转速因而升高，工作点由f点移至该6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.8的交点g，风量由qf增大为qg，转速则由nf升高至ng；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点g的转速信号ng，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.8时(交点r)的转速nn’0.8；——可见ng仍大于nn’0.8，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.8进一步提高1级，为0.9；——换气扇转速因而进一步升高，工作点由g点移至该6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.9的交点h，转速由ng升高至nn’0.9，风量由qg进一步增大为qn’，即恢复为恒定风量qn’；交点h也是风量轴过qn’点的垂线与转速-风量特性n(q)0.9的交点，即信号转速与查得转速之差为零，下一周期检查若继续该情况，使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比维持0.9不变，风量因而恒定于qn’。图9给出实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第2实施例的调整过程：——换气扇以额定电压倍数为1.0的直流电压和占空比为0.9的pwm信号启动；——换气扇连接外部管道为6m时，工作点为该6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.9的交点h；——换气扇连接外部管道改为2m时，工作点移至该2m管阻特性p(q)2m与转速-风量特性n(q)0.9的交点i，风量由恒定风量qn’增大至qi，转速则由nn’0.9降低至ni；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点i的转速信号ni，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.9时(交点h)的转速nn’0.9；——可见ni小于nn’0.9，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.9降低1级，为0.8；——换气扇转速因而降低，工作点由i点移至2m管阻特性p(q)2m与转速-风量特性n(q)0.8的交点j，风量由qi增大为qj，转速则由ni降低至nj；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点j的转速信号nj，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.8时(交点r)的转速nn’0.8；——可见nj仍小于nn’0.8，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.8进一步降低1级，为0.7；——换气扇转速因而进一步降低，工作点由j点移至6m管阻特性p(q)6m与转速-风量特性n(q)0.9的交点e，转速由nj降低至nn’0.7，风量由qj进一步降低为qn’，即恢复为恒定风量qn’；交点e也是风量轴过qn’点的垂线与转速-风量特性n(q)0.7的交点，即信号转速与查得转速之差为零，下一周期检查若继续该情况，使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比维持0.7不变，风量因而恒定于qn’。图10给出实施例换气扇恒定风量qn’工作点自动调整第3实施例的调整过程：——换气扇以额定电压倍数为1.0的直流电压和占空比为0.7的pwm信号启动；——换气扇连接外部管道为2m时，工作点为该2m管阻特性p(q)2m与转速-风量特性n(q)0.7的交点e；——换气扇连接外部管道改为9m时，工作点移至该9m管阻特性p(q)9m与转速-风量特性n(q)0.7的交点t，风量由恒定风量qn’减少至qt，转速则由nn’0.7升高至nt；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点t的转速信号nt，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.7时(交点e)的转速nn’0.7；——可见nt远大于nn’0.7，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.7先提高1级，为0.8；——换气扇转速因而升高，工作点由t点移至9m管阻特性p(q)9m与转速-风量特性n(q)0.8的交点u，风量由qt增大为qu，转速则由nt升高至nu；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点u的转速信号nu，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.8时(交点r)的转速nn’0.8；——可见nu仍大于nn’0.8，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.8进一步提高1级，为0.9；——换气扇转速因而进一步升高，工作点由u点移至9m管阻特性p(q)9m与转速-风量特性n(q)0.9的交点v，风量由qu增大为qv，转速则由nu升高至nv；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点v的转速信号nv，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为0.9时(交点h)的转速nn’0.9；——可见nv仍大于nn’0.9，内置程序因此使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值0.9进一步提高1级，为1.0；——换气扇转速因而进一步升高，工作点由v点移至该9m管阻特性p(q)9m与转速-风量特性n(q)1.0的交点w，风量由qv增大为qw，转速则由nv升高至nw；——单片机20的端子21接收驱动模块30的端子32输出的交点w的转速信号nw，查所述数据库得恒定风量qn’的额定电压倍数为1.0和pwm占空比为1.0时(交点s)的转速nn’1.0；——可见nw仍大于nn’1.0，但内置程序已不能使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比按当前值1.0进一步提高，此时使端子24向开关电源10的控制端18发出信号，使其输出端16向驱动模块30的电源输入端31供给额定电压倍数为1.1的直流电压；——换气扇转速因而进一步升高，工作点由w点移至9m管阻特性p(q)9m与转速-风量特性n(q)1.0vm的交点sm，转速由nw升高至nn’1.0vm，风量由qw进一步增大为qn’，即恢复为恒定风量qn’；交点sm也是风量轴过qn’点的垂线与转速-风量特性n(q)1.0vm的交点，即信号转速与查得转速之差为零，下一周期检查若继续该情况，使端子23向驱动模块30的端子33输出的pwm信号的占空比维持1.0和额定电压倍数为1.1不变，风量因而恒定于qn’。若转速升高，pwm信号的占空比和电压不再改变；转速降低，首先恢复直流电压的额定电压倍数为1.0，再参照上述方法视情况调整pwm信号的占空比。该在占空比为1.0时增加电压的设计，可提高换气扇恒风量的工作压力范围，且基于小型离心式换气扇压力升高时功率不太增加甚至降低的特点，不会导致电动机过载。图11可见，本实施例换气扇的压力-风量特性p(q)1.0vm相比无恒风量控制的换气扇的压力-风量特性p(q)1.0，在常用压力pn’1.0vm范围内达到了风量值qn’恒定，且产品标准要求的额定压力(零风量时的压力)pmm也高于无恒风量控制的换气扇的额定压力p10m。可有如下改进：a)本实施例的单片机可代之以可体现单片机的内置程序和cpu及其外围电路功能的分立元件或/和小规模集成电路的组合。b)图2电路是原理性的，实际结构可体现于具体器件：这些器件可含有电路的2个或更多甚至全部单元，或1个单元的功能分在不同的器件。例如，电动机通常指电磁结构，电子电路可部分(如驱动模块)甚至全部安装于电动机壳体内，这些电路即使在电动机壳体外，也可属于本申请电动机的组成。c)转速信号可来自电动机相绕组换相断电期间测量到的反电动势，或安装于电动机内、外的转子位置传感器，或对电动机电流的测量。可参考《永磁电机》(王秀和，中国电力出版社2007年北京第1版)d)测量转速-风量特性时，取占空比的级差为0.1，主要为撰写说明书作图和表格简化。实际应用时，为有更精准的自动调节，宜取更小的级差。如取级差0.02，即可得到50条即50级占空比pwm信号的转速-风量特性曲线。也可以较大的级差测量到的特性插值取得其更小级差的中间值的特性，或者查数据库时直接插值取得中间值。类似地，对于占空比为1而直流电压改变时的测量，也可以0.01倍的级差测量或插值得到1.01、1.02、……1.10倍共10级倍数额定电压和占空比为1.0的pwm信号的转速-风量特性。e)所述规定电压通常为额定电压，即按照产品标准的标识值，也可以是以该标识值为基础有所增减的规定值。当前第1页12