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正压睡眠呼吸机硬件设计方案

关键词:闭环控制 矢量控制 编码器引擎 正压睡眠呼吸机 速度模式

时间:2022-12-01 10:20:07       作者:世健       来源:中电网

睡眠呼吸机是用于治疗在睡眠状态下,病人上呼吸道阻塞的一种设备。睡眠的上呼吸道阻塞会造成鼾声、血氧降低、代谢紊乱等状况,长期会导致或加重各种慢性疾病:如高血压、糖尿病、心脑血管疾病、神经性疾病等。睡眠呼吸机通过对患者呼吸道持续输送一定压力的气流,从而形成气体支架,支撑患者的气道开放,保证患者的呼吸通畅,消除鼾声以及OSAHS所带来的负面影响。

本次技术型授权代理商Excelpoint世健邀请到了行业资深工程师沈工来分享他的实战设计经验。沈工及团队设计的正压睡眠呼吸机硬件方案由电机控制系统、压力/流量测量系统、气路系统、加热/加湿系统和人机界面等组成。

多数使用正压睡眠呼吸机的患者是在睡眠期间使用该设备,所以呼吸机的通气舒适度及静音性能是其重要指标。另外,睡眠呼吸机的功能之一是在系统发生异常时,能及时发现并立即采取适合的保护措施,其核心要点即是呼吸机风机的控制。

这款正压睡眠呼吸机硬件设计方案有三个重要特征。第一涵盖极高动态的电机转速范围:双水平模式下,电机转速范围会在10000rpm以内及25000rpm以上快速切换,转速切换时间可低于0.5秒。第二可维持尽可能小的噪声。呼吸机压力为10cm水柱时,一般要求低于30dB,高端的产品可以做到23dB及以下。第三具有灵活方便的系统诊断,保护机制:以方便的结合驱动器信息及相关传感器定位相关异常事件,包括呼吸面罩脱落、呼吸管路漏气、风机堵转等等。

家用正压睡眠呼吸机要求小巧的体积及极小的运行噪声,因此电机控制需要采用FOC算法,根据负载(系统压力和流量状况),控制风机稳定运行,减小转矩脉动,从而大大减少电机自身的运行噪声。通常工程师在产品开发中,会选择直接购买风机配套的驱动板,这样成本相对比较高,而且接口控制不够灵活。 沈工的方案则能以较低的成本达到更好的性能及灵活度。

1.呼吸机风机控制系统


表1 呼吸机风机参数


图1 所用医用级风机实物图

在TMC4671和呼吸机风机参数的基础上,沈工及团队开发了风机驱动板,电机控制部分简要框图如下:


图2 电机控制部分简要框图

电机控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic的TMC4671完成,功率驱动部分及电流采样使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671极大简化了电机控制部分的算法,解放了MCU的算力,使用户可以专注于系统应用级的设计,如更适于患者的压力流量曲线等。

压力值通过压力传感器反馈,经由MCU进行PI运算后,其输出作为TMC4671的速度给定信号,TMC4671输出风机控制SVPW..

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