仿自然风风场的多风源生成系统及方法

本发明涉及动态风生成系统，特别是涉及仿自然风风场的多风源生成系统及方法。

背景技术：

1、市面上的空调公司在设计空调送风模式时往往更关注于营造一个无风感且室内各处无明显温差的稳态空调环境，从而避免室内人员的冷吹风感。然而，这种控制方式下营造的空调环境不仅使人有沉闷、缺乏新鲜感等不适感，也会削弱人体的热适应力，同时带来了建筑高能耗问题。而相比于稳态气流，动态气流具有更强的冷却作用和舒适反馈。因此，许多厂商开始尝试将模拟自然风技术应用到空调、风扇等通风制冷设备中，进而避免“病态建筑综合征”与“空调综合征”的出现。通常情况下，动态气流的作用能使得人体对偏热环境的接受度高于稳态环境。同时，模拟自然风模式的应用使得使用者对气流的单调性评价和室内空气品质评价得到了显著改善。因此，伴随着越来越多不同种类的模拟自然风设备涌入市场，研究人员和用户们均认为，采用模拟自然风送风来人工营造动态热环境是一种实现室内环境动态化的有效手段。

2、然而，有研究人员指出，现有的模拟自然风技术依赖于单个设备产生，与实际自然风环境相去甚远。因此，可以指出目前仿自然风技术存在的两个弊端：1)从市面上的仿自然风产品来说，其产生的仿自然风气流不仅不满足实际自然风的特征，且内部使用的原始信号多来自设计者于某固定地域的采集信号，从而导致长时间使用下存在的重复体验的效果；2)从科学研究的成果来说，以往的仿自然风技术均依赖于单一的送风末端装置，忽略了实际自然风环境中来流方向多变且随机的动态特征。

3、基于前人总结的仿自然动态气流理论，目前国内外动态气流发生装置主要仅依托单个风源实现，其中主要有两种实现途径：末端节流阀控制和电机变频控制。末端节流阀控制法：通过步进电机实现半圆形转动盘的精确定位，从而控制节流阀的阀位以调节出风口风速，进而产生动态化气流；后者是通过风机转速的有效控制，从而产生动态化气流。前者装置体积大，不方便实际应用，后者体型较小，方便使用。电机变频控制法：目前大部分研究和空调厂商均以该方法为主，设计了仿自然风风扇及空调等动态装置。该方法通过改变电机转速，从而产生仿自然风的动态气流。装置一般由两部分构成：电机控制单元和气流产生单元。通过d/a(数字量/模拟量)卡将控制信号转化为控制电压输入变频器，变频器根据电压信号改变风机转速，从而获得符合自然风动态特性的仿自然风。

4、以风扇这类常见家用送风设备为例，该类设备控制策略形式各异，但往往只聚焦于单一装置：现有的风扇控制方案主要分为使用者主动控制和程序自动控制两类方式，第一种为主流控制形式，通过使用者自行设定风扇电机的启停来控制风扇的运转来满足人体的吹风需求；第二种为程序自动控制形式，通过温湿度传感器来探测人体所处环境的热条件以控制电机转速带动风叶，进而制取能消除当下环境热不舒适的气流。现有风扇产生的气流形式多样，包含直吹的稳态机械风，摇摆模式下的正弦风以及各式各样的仿自然风。对于直吹机械风和摇摆正弦风来说，风扇在摇头时的送风角度调节常常不够方便，容易造成风力浪费；而风扇在固定时容易因风力集中导致风速过高造成人体的吹风不适感。然而，当设计为仿自然风模式下，根据调研，市面上绝大部分产品制取的仿自然风并不满足自然风风速的动态特征。同时，产品配备的仿自然风模式以原始自然风采集信号为输入信号，这会导致在长时间的使用后气流对人来说又趋于重复体验。

5、然而，根据目前对实际自然风环境的风向动态特征与舒适性研究，可以发现，以风扇为载体的仿自然风技术的主要缺陷来自于气流源形式的单一。尽管不同地域的自然风特征存在差异，但实际自然风的来流方向均多是随机变化的。尽管这些自然风通常存在一个主导方向，但如果将人置身于自然环境中，会发现大部分时间身体的各部位均会受到不同强度的气流刺激。这说明：现有技术所搭建的仿自然风末端装置只能通过单一方向的送风形式作用于人体，无法达到实际室外环境自然风所产生的降温与刺激效果，从而制约了模拟自然风的舒适与冷却效果的上限。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明基于研究和市场使用需求，可以同时满足风速时序为自然风信号，送风方向的角度与周期可分区调节的风源，最后将三个相同风源进行组合得到一种仿自然风风场生成系统，可以高效率的生成摇摆的自然风。

3、本发明的另一个目的在于提出一种仿自然风风场的多风源生成方法。

4、为达上述目的，本发明一方面提出一种仿自然风风场的多风源生成系统，包括客户端、电机转速控制系统、步进电机摇摆模式控制系统和动态气流装置；其中，

5、所述客户端，包括仿自然风控制面板，所述仿自然风控制面板，用于利用预先存储的滤波模块处理原始风速信号以输出滤波后的风速信号；

6、所述电机转速控制系统，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并转化输出无级调速控制信号；

7、所述步进电机摇摆模式控制系统，用于接收所述客户端输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值，并响应客户端下发的角速度控制指令以输出转动角速度信号；

8、所述动态气流装置，用于响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号以输出多风源的仿自然风。

9、另外，根据本发明上述实施例的仿自然风风场的多风源生成系统还可以具有以下附加的技术特征：

10、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述仿自然风控制面板，还用于：

11、输入原始风速信号；

12、利用预先存储的低通滤波模块基于输入的截止频率以通过低通快速傅里叶将所述原始风速信号转换为频域；

13、对所述频域执行逆低通快速傅里叶并输出滤波后的风速信号。

14、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电机转速控制系统，包括：第一电机控制器、无刷直流电机控制电路板和无刷直流电机；其中，

15、所述第一电机控制器，用于将所述滤波后的风速信号转换为档位控制信号，并接收所述滤波后的风速信号和所述档位控制信号分别与对应信号阈值比较得到的信号比较判断结果；

16、所述无刷直流电机控制电路板，用于响应所述信号比较判断结果，以通过电路板中的电子元器件控制所述无刷直流电机输出无级调速控制信号。

17、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述客户端，还用于：

18、判断所述滤波后的风速信号在电机控制极限内风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围以输出第一判断结果；

19、判断所述档位控制信号的步进档位差是否超出电机的控制响应速率以输出第二判断结果；

20、基于所述第一判断结果和所述第二判断结果输出得到所述信号比较判断结果。

21、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步进电机摇摆模式控制系统，包括：第二电机控制器、步进电机驱动和五线步进电机；其中，

22、所述第二电机控制器，用于接收并响应所述客户端的摇摆控制面板输入仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和客户端下发的角速度控制指令以控制所述步进电机驱动输出驱动信号；

23、所述五线步进电机，用于响应所述驱动信号输出转动角速度信号。

24、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述动态气流装置，包括风扇；所述预设区域包括仿自然风风场的多个摇摆角区域；所述风扇，响应所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号，并按照所述多个摇摆角区域的预设转动方向和对应区域的转动角速设定值进行转动。

25、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述仿自然风控制面板，还用于根据输入放缩指数调节整体瞬时风速的大小。

26、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述述无刷直流电机控制电路板采用eg2133和wsd3066控制芯片；所述第一电机控制器和所述第二电机控制器采用esp32主控芯片；所述步进电机驱动，采用uln2803g控制芯片；所述五线步进电机，还用于通过24v电源进行供电。

27、为达上述目的，本发明另一方面提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，包括：

28、利用预设的滤波处理方法对原始风速信号进行滤波处理以得到滤波后的风速信号；

29、将所述滤波后的风速信号进行转换得到档位控制信号，并将所述档位控制信转化为无级调速控制信号；

30、根据仿自然风风场的预设区域的转动角速度设定值和角速度控制指令得到转动角速度信号；

31、根据所述无级调速控制信号和所述转动角速度信号得到多风源的仿自然风。

32、本发明实施例的仿自然风风场的多风源生成系统和方法，通过利用主控mcu、无刷电机驱动电路板、无刷电机等关键元器件，通过它们的协同工作，可以实现高效、低噪音、低振动的摇摆自然风扇效果。

33、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。