基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的制作方法

1.本实用新型属于家用电器技术领域，具体涉及一种基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇。


背景技术：

2.风扇在日常生活中的多个场景中均有广泛的应用，现有风扇大多采用交流感应式电机驱动扇叶转动，加速空气流动从而产生风，传统交流感应驱动的电机工作效率低、能耗高。所以，有一小部分风扇现在采用的是无刷直流电机带动扇叶进行转动，无刷直流电机具有高可靠性、无换相火花、低机械噪声等优点，但其也存在一定的问题，无刷直流电机需要通过位置传感器检测转子磁极相对定子绕组的位置，也就导致目前的无刷电机结构较为复杂，且传感器的使用增加了无刷电机的体积和成本，鲁棒性也会有所降低，亟需对无刷电机进行改进；
3.现有的风扇除了电机的使用问题以外，目前其存在的最主要的问题是风扇吹风的角度有限，无法实现360
°
的送风，长期对同一片区域或者区域附近进行吹风，会使人感到不舒适，而在该区域以外的人又无法享受到风的凉爽，也会让该区域以外的人感到不舒适，所以目前亟需一种能够实现360
°
送风的风扇。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供了一种基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇，用以解决现有技术中存在的风扇无法360
°
送风的问题。
5.本实用新型采用的技术方案是：
6.本实用新型提供了一种基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇，风扇包括：
7.气流扰动机构，用于扰动气流而产生风；
8.驱动机构，用于驱动所述气流扰动机构进行正转或者反转；
9.转动机构，用于调节所述气流扰动机构所产生的风的风向；
10.支撑机构，用于支撑所述转动机构、所述气流扰动机构以及所述驱动机构；
11.除尘机构，所述除尘机构设置在所述气流扰动机构上，用于清洁所述气流扰动机构上的灰尘；
12.其中，所述除尘机构包括第一伸缩件以及环形的海绵体，所述海绵体与所述第一伸缩件的伸缩端连接，当所述第一伸缩件进行伸缩运动时，所述海绵体在所述气流扰动机构表面进行来回移动。
13.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述驱动机构包括：防尘外壳、设置在所述防尘外壳内的无刷电机以及用于控制所述无刷电机正反转的控制模块，所述控制模块与所述无刷电机电连接。
14.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述控制模块包括：微处理器、逆变电路以及用于检测所述无刷电机电动势的电动势检测电路，所述微处理
器内置有用于计算所述无刷电机转速和确定所述无刷电机转子磁极位置的滑模观测器和用于控制所述无刷电机转速的速度控制器，所述电动势检测电路与所述无刷电机电连接，所述电动势检测电路还与所述微处理器的信号输入端电连接，所述微处理器的信号输出端与所述逆变电路电连接，所述逆变电路与所述无刷电机电连接，所述逆变电路用于控制所述无刷电机内不同定子绕组的通断电。
15.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述风扇还包括：用于调节所述气流扰动机构与水平面之间的夹角的调节机构，所述调节机构一端与所述气流扰动机构连接，所述调节机构背离所述气流扰动机构的一端与所述转动机构连接。
16.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述转动机构包括：转动主杆、转动副杆以及转动电机，所述转动电机设置在所述支撑机构内部，所述转动主杆的一部分套设在所述支撑机构内部，所述转动副杆设置在所述转动主杆的侧面，且所述转动副杆与所述支撑机构的内部连接，所述转动电机输出端与所述转动主杆连接。
17.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述转动主杆与所述防尘外壳转动连接。
18.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述支撑机构包括：支撑柱、底座以及多个限位块，所述支撑柱设置在所述底座上，所述限位块设置在所述支撑柱的内壁上，所述转动副杆插设在两个所述限位块之间，所述限位块用于支撑和限位所述转动主杆和所述转动副杆。
19.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，部分所述限位块内设有进油通道，所述进油通道用于为所述转动副杆与所述限位块之间添加润滑油。
20.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述气流扰动机构包括：扇叶、轴杆以及保护罩，所述扇叶设置在所述轴杆上，所述轴杆与所述无刷电机的输出端连接，所述扇叶和所述轴杆均设置在所述保护罩内，所述保护罩与所述防尘外壳连接。
21.作为上述基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的优选方案，所述扇叶背离所述轴杆的一端上设有挡块。
22.综上所述，本实用新型的有益效果如下：
23.本实用新型提供的基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇通过所述驱动控制机构，实现所述气流扰动机构进行正反转，对风向进行对称调整，又通过所述转动机构与支撑机构之间的配合，实现所述气流扰动机构产生的风的风向可以在同一水平面进行360度范围的任意调整，且这所有过程均是通过中央控制器进行控制，无需通过人力进行调节，更加智能和方便，也解决了风扇只能通过人力进行调整风向，而不能智能化地实现风向360度任意调整的问题，在实际生活中，对于该类风扇的使用更加的简单便利，除此以外，风扇还设置有除尘机构，用于清洁气流扰动机构上的灰尘。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，这些均在本实用新型的保护范围内。
25.图1为本实用新型实施例1中基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇的结构示意
图；
26.图2为本实用新型实施例1中进油通道的放大示意图；
27.图3为本实用新型实施例1中除尘机构的结构示意图；
28.图4为本实用新型实施例2中调节机构的位置示意图；
29.图5为本实用新型实施例3中控制模块的结构示意图；
30.图6为本实用新型实施例3中微处理器与逆变电路之间的结构示意图；
31.图7为本实用新型实施例3中风扇切换正反转的连接示意图。
32.图中零件部件及编号：
33.10、气流扰动机构；101、扇叶；102、保护罩；
34.20、驱动控制机构；201、防尘外壳；202、无刷电机；203、控制模块；2031、微处理器；2032、逆变电路；20321、逆变器；20322、驱动电路；2033、电动势检测电路；2034、滑模观测器；2035、速度控制器；204、电流检测器；205、低通滤波器；
35.30、转动机构；301、转动主杆；302、转动副杆；303、转动电机；
36.40、支撑机构；401、支撑柱；402、底座；403、限位块；4031、进油通道；
37.50、调节机构；60、除尘机构；601、第一伸缩件；602、海绵体；70、挡块。
具体实施方式
38.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。如果不冲突，本实用新型实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。
39.实施例1
40.请参见图1至图3，本实用新型实施例1公开了基于滑模观测器的正反转无刷电机风扇，该风扇包括：气流扰动机构10，用于扰动气流而产生风；驱动控制机构20，用于驱动气流扰动机构10进行正转或者反转；转动机构30，用于调节气流扰动机构10所产生的风的风向；支撑机构40，用于支撑转动机构30、气流扰动机构10以及驱动机构；中央控制器，用于控制风扇的整个运行过程。其中，驱动机构的输出端与气流扰动机构10连接，转动机构30一端与气流扰动机构10连接，转动机构30背离气流扰动机构10的一端与支撑机构40转动连接。在气流扰动机构10上还设置有除尘机构60，利用除尘机构60，对气流扰动机构10中的扇叶
101进行灰尘清洁，避免扇叶101上灰尘聚积过多，将经过扇叶101的气流进行污染，甚至直接造成风扇的损坏，灰尘聚积过多也会影响美观。
41.为便于理解正反转无刷电机202风扇的结构，现将上述的气流扰动机构10、驱动控制机构20、转动机构30、支撑机构40、除尘机构60以及中央控制器分别进行描述，如下：
42.气流扰动机构10：包括轴杆、扇叶101以及保护罩102，扇叶101一共设有三片，三片扇叶101以轴杆为轴心旋转，且相邻扇叶101之间相隔120度，此处扇叶101的数量不做限定，也可以是四片或者更多，但为保证扇叶101转动的平稳性，相邻扇叶101之间的间隔角度均相等。保护罩102包括一个圆盘、两个圆环以及多根支撑骨架，其中圆盘采用塑料制成，两个圆环和支撑骨架均采用高强度的轻质金属材料，如铝合金，且在其金属表面涂抹有一层防锈漆，避免氧化生锈，减少使用寿命。两个圆环上开设有彼此对应的孔，再通过多个螺栓与螺母配合，将两个圆环固定，支撑骨架则设置在圆环与圆盘之间，一端与圆环连接，一端与圆盘连接，连接方式采用焊接，一体成型，当用户买组装的风扇时，减少用户安装骨架的工序，也能避免用户因为安装不牢固发生安全事故。总的说来，保护罩102主要是起到在不影响风的产生和传播前提下，对扇叶101发生脱机提前做好安全防备的作用，避免扇叶101脱机飞出。其中扇叶101采用金属的叶片，叶片具有一定的倾斜角度，用以对气流进行导向扰动，产生风。
43.驱动控制机构20：包括防尘外壳201、设置在防尘外壳201内的无刷电机202以及用于控制无刷电机202正反转的控制模块203，控制模块203与无刷电机202电连接。其中控制模块203又包括：微处理器2031、逆变电路2032以及位置传感器。微处理器2031内置有速度控制模块203，当从外部输入的参考速度与无刷电机202的实际转速不相等时，微处理器2031会得出参考速度与实际转速之间的差值，将该信号传递给速度控制模块203，速度控制模块203重新调节无刷电机202的实际转速，使其实际转速始终能够跟踪上给定的参考速度。位置传感器采集信号的一端与无刷电机202连接，用于采集无刷电机202中磁极相对于定子绕组的位置，而位置传感器的另一端则与微处理器2031连接，将无刷电机202中转子的位置信息传递到微处理器2031中。微处理器2031的信号输出端与逆变电路2032连接，将转子的位置信息传递到逆变电路2032中，逆变电路2032的输出端则与无刷电机202中的定子绕组接通，控制与转子位置对应的定子绕组通电。当转子到达某个特定位置时，逆变电路2032接收到该位置信息之后，便控制对应的定子绕组通电，控制无刷电机202持续旋转，无刷电机202输出端又与轴杆连接，继而带动轴杆上的扇叶101转动，产生风。
44.转动机构30：包括转动主杆301、转动副杆302以及转动电机303。转动主杆301的一端与保护罩102连接，转动主杆301背离保护罩102的一端则与支撑机构40连接，转动主杆301用于支撑且带动保护罩102在水平方向上进行转动。转动副杆302设置有多根，转动副杆302设置在转动主杆301的侧面上，且多根转动副杆302以转动主杆301为中心轴对称设置，转动副杆302与转动主杆301之间的连接方式有多种，不作具体限定，此实施例中，转动主杆301与转动副杆302采用一体成型的方式，增加转动副杆302与转动主杆301之间的连接强度，使转动副杆302能够更好地承受转动主杆301以及气流扰动机构10的重力。转动主杆301朝向地面的方向的端面与转动电机303的输出端连接，通过转动电机303的转动，从而带动转动主杆301的转动，继而带动保护罩102转动，达到调整风向的目的。
45.支撑机构40：包括支撑柱401、底座402以及多个限位块403。支撑柱401的一端与底
座402连接，底座402则用于将风扇整体平稳放置在目标地点上。支撑柱401的另一端则与转动主杆301连接，转动主杆301朝向地面方向的一部分插设在支撑柱401内部，与支撑柱401转动连接。在支撑住内壁上设有多个限位块403，多个限位块403以支撑柱401中心轴为对称轴对称设置，在上下相邻的限位块403之间的空隙则用于连接转动副杆302，对转动副杆302起到支撑和限位的作用，避免转动副杆302和转动主杆301发生倾斜。其中，为长期使用，转动不卡顿，在一部分限位块403上还开设有进油通道4031，进油通道4031用于往转动副杆302上添加润滑油，一部分限位块403具体指每根转动副杆302上方的限位块403，通过进油通道4031向转动副杆302与限位块403之间添加润滑油，使转动更加流畅，也避免转动副杆302或者限位块403氧化生锈。
46.请参见图3，除尘机构60：除尘机构60包括第一伸缩件601以及环形的海绵体602。第一伸缩件601优选自带电源的电动伸缩杆。所述第一伸缩件601设置在所述轴杆表面，其第一伸缩件601的伸缩端则与海绵体602可拆卸连接，方便后续海绵体602拆卸下来进行更换或者清洗。海绵体602中间的环形部分直径小于扇叶101与轴杆连接一端的最小宽度，海绵体602又具有良好的弹性，以此保证海绵体602在套设在扇叶101上时，能够完全贴附在扇叶101的表面，达到更好地清洁效果。第一伸缩件601共设置有六个，海绵体602设置有三个，其中一个海绵体602与两个第一伸缩件601的伸缩端连接，此处对于第一伸缩件601和海绵体602的整体数量不作限定，依扇叶101数量而定。第一伸缩件601设置在轴杆的两侧面上，其中每个侧面上设置有三个第一伸缩件601。每片扇叶101对应两个以轴杆作为对称面彼此对称的第一伸缩件601，第一伸缩件601沿扇叶101的表面进行伸缩，利于第一伸缩件601平稳地带动海绵体602进行移动。第一伸缩件601与中央控制器电连接。当启动第一伸缩件601时，第一伸缩件601便带动海绵体602在扇叶101表面进行来回移动，以此达到清洁灰尘的效果。在扇叶101背离轴杆的一端上设有挡块70，用于防止海绵体602在移动过程中从扇叶101上脱落。
47.中央控制器：包括控制面板、信号接收器以及远端遥控器。控制面板上集成有控制芯片和各种控制元器件，其中控制面板分别于微处理器2031、转动电机303以及信号接收器点连接，信号接收器与远端遥控器匹配，其中优选红外线进行远端信号传输，实现远程控制风扇上的扇叶101进行正转或者反转以及远程控制风扇上转动机构30的转动，使该风扇产生的风能够进行360度的覆盖，且无需走到风扇前，远程控制即可，更加方便。其中控制面板设置在支撑柱401内，在控制面板朝向支撑柱401外壁方向的一端上设有多个功能按键，多个功能按键延伸至支撑柱401的外表面上，方便用户在风扇上进行调整风扇的整个功能状态。
48.本实施例提供的一种正反转无刷电机风扇的工作原理：
49.在工作时，使用者可以通过远端遥控器或者风扇上控制面板的功能按键进行对风扇的控制，首先将风扇的电源插上，点击对应的功能按键，风扇启动，当需要对风扇调整风向，且调整的风向角度又小于180度时，则通过远端遥控器进行调整，点击对应的按键，控制面板接收到信号，将该信号传递到控制芯片上，控制芯片控制转动电机303做出相应的动作，转动电机303转动，带动支撑机构40转动，支撑机构40继而带动气流扰动机构10转动，对风扇的风向进行调整；当需要调整的角度是180度时，即需要风向从一个方向转变为它的相反方向时，则通过远端遥控器输入控制指令，控制面板上的控制芯片接收信号做出相应动
作，控制模块203接收到信号，对无刷电机202的转向进行控制，使无刷电机202的转向与之前相反，继而控制扇叶101反向转动，产生与之前相反方向的风，达到风扇扇叶101正反转的效果。
50.实施例2
51.如图4所示，本实用新型实施例2中的正反转无刷电机风扇在实施例1的基础上进行改进。
52.具体是风扇还包括有调节机构，该调节机构主要用于调节风在竖直方向上的风向。调节机构包括：第二伸缩件，第二伸缩件的伸缩端与保护罩102朝向地面的一端连接，第二伸缩件背离保护罩102的一端与转动主杆301连接，第二伸缩件基于成本考虑，优选气缸。为实现调节机构调节风扇风向的效果，转动主杆301还需与防尘外壳201之间转动连接，便于在第二伸缩件进行伸缩调节保护罩102与水平方向之间的夹角时，防尘外壳201能够随保护罩102的转动而转动，避免防尘外壳201阻碍保护罩102转动而导致调节机构无法实现竖直方向的风向调整。
53.实施例2其余结构和工作原理同实施例1。
54.实施例3
55.本实用新型实施例3中的正反转无刷电机风扇在实施例1的基础上进行改进。
56.具体是将第一伸缩件601优选电动伸缩杆改为优选弹簧，在轴杆上设有固定块，弹簧的一端则与固定块连接，另一端则沿扇叶101表面与海绵体602连接，控制海绵体602在扇叶101上的移动。在海绵体602上设置有配重块，用于增加海绵体602的自身重量，使风扇启动，扇叶在转动时，海绵体602受到的离心力足以克服扇叶101对海绵体602的阻力以及弹簧的拉力，使海绵体602在扇叶101进行正常转动时，能够通过受到的离心力抵达扇叶101背离轴杆一端的边缘，此时的弹簧处于拉伸状态。当风扇停止，扇叶101转速减慢，直至停止，离心力逐渐减小，直至为零，此时，弹簧为恢复形变，会给予海绵体602朝向轴杆移动的拉力，将海绵体602拉回至轴杆附近，在拉回轴杆过程中，便达到对扇叶101表面清洁的效果。
57.实施例4
58.请参见图5至图7，本实用新型实施例4中的正反转无刷电机风扇在实施例1的基础上进行改进。
59.具体是对驱动控制机构20中的控制模块203进行改进，控制模块内涉及的电路用硬件电路或者现有软件程序即可实现。控制模块203包括：微处理器2031、逆变电路2032以及用于检测无刷电机202电动势的电动势检测电路2033，微处理器2031内置有用于计算无刷电机202转速和确定无刷电机202转子磁极位置的滑模观测器2034和用于控制无刷电机202转速的速度控制器2035，滑动观测器是指根据系统的外部变量(输出变量和输入变量)的实测值得出状态变量估计值的一类动态系统。电动势检测电路2033与无刷电机202电连接，电动势检测电路2033还与微处理器2031的信号输入端电连接，微处理器2031的信号输出端与逆变电路2032电连接，逆变电路2032与无刷电机202电连接，逆变电路2032用于控制无刷电机202内不同定子绕组的通断电。滑动观测器对电动势检测电路2033输送进来的数据进行分析计算，过零检测后即可得到相应的换相点，该反电动势过零点与位置传感器控制中的霍尔信号的换相点相对应，滑模观测器2034即可估算出相应的反电动势信号，再通过反电动势信号计算得到无刷电机202的转子转速。滑模观测器2034估算出的转子速度信
息则传递给速度控制器2035，速度控制器2035将该估算的速度(相当于无刷电机202转子的实际转速)与参考速度进行比较，使无刷电机202转子的速度能够始终跟踪上工作所需的参考速度，形成速度闭环。滑模观测器2034通过过零检测得到的换相点信号则传输到逆变电路2032中。
60.逆变电路2032包括逆变器20321和驱动电路20322。逆变器20321内设有dc-dc模块和dc-ac模块，主要用于将外部电源输入的电压转换为后续内部电路工作所需的电压。驱动电路20322内设有pwm模块(脉冲宽度调制模块)和多个mos管。其中pwm模块的输入端与微处理器2031连接，用于将从微处理器2031中输出的模拟信号进行调制编号，该信号的内容主要是关于滑模观测器2034估算的无刷电机202中转子的位置，即相位的换相点。pwm模块的输出端则与多个mos管相连接，用于控制mos管进行开合运动。多个mos管背离pwm模块的一端分别与无刷电机202上u、v、w三相相连通，在mos管内包括有三极管，pwm模块则通过控制mos管的接通与断开，以此控制相应的定子绕组通电和断电，调整无刷电机202定子线圈的通电顺序，实现无刷电机202的换相操作。
61.电动势检测电路2033：电动势检测电路2033包括三条支路，其中一条支路与无刷电机202上的u相连接，一条支路与无刷电机202上的w相连接，一条支路与无刷电机202上的v相连接，三条支路背离无刷电机202的一端则均与微处理器2031连接，微处理器2031接收到三条支路所传输的电压值，再通过微处理器2031内的滑模观测器2034对该三条支路的电压值进行三相反电动势的计算，得到三相反电动势之后，再进行过零检测即可得到相应的换相点。
62.具体地，在无刷电机202与微处理器2031之间还设有电流检测器204，用于检测无刷电机202上的电流是否过载。电流检测器204优选lem电流传感器，其测量范围大且反应速度快。
63.具体地，在微处理器2031与逆变电路2032之间连接有低通滤波器205，在微处理器2031与电流检测器204之间也连接有低通滤波器205，用于过滤出数据中的干扰信号。其中低通滤波器205优选5阶的巴特沃斯低通滤波器205。
64.本实施例选用两相导通星形三相六状态的无刷电机202为例，忽略电机的磁路饱和、涡流磁滞损耗以及齿槽效应，不计电枢反应。
65.对于采用两两导通控制方式的无刷电机202，每个电周期换相6次，需要检测换相点的6个位置信号，因此需要进行转子位置的估计。图6为电动势信号与换相点之间的关系图，从图6中可知，在滑模观测器2034中得到三相反电动势之后，进行过零检测即可得到所需的6个换相点，当滑模观测器2034估计出反电动势信号之后，便可计算出无刷电机202转子的转速。
66.根据图6所示，得出如表1所示的无刷电机正转和反转分别对应的mos管开关导通和绕组通电顺序。
[0067][0068][0069]
表1
[0070]
实施例4其余结构和工作原理同实施例1。
[0071]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。