CN103899559B

CN103899559B - 一种高性能呼吸机涡轮控制器

Info

Publication number: CN103899559B
Application number: CN201210581107.0A
Authority: CN
Inventors: 刘琳
Original assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Current assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103899559A

Abstract

本发明公开了一种呼吸机的涡轮控制器及其控制方法，该涡轮控制器包括：上位控制部分、现场控制部分及电源管理模块；其中，上位控制部分包括：上位计算机、数/模转换器D/A模块、信号调理模块、电压/频率转换V/F模块、及电源模块；现场控制部分包括：现场控制模块、涡轮驱动模块、涡轮电流检测模块、涡轮转速检测模块；电源管理模块包括核心电路电源模块及功率电源模块。本发明可获得如下的技术效果：采用V/F技术实现转速控制电压-驱动电路输入频率的转换，可移植性好；采用霍尔器件采样涡轮电流，精度高，可靠性好；运行状态灯显示涡轮的多种工作状态，不同的状态灯显示对应不同的工作状态，清晰简洁。

Description

一种高性能呼吸机涡轮控制器

技术领域

本发明涉及一种呼吸机涡轮，尤其涉及一种呼吸机涡轮控制器及其控制方法。

背景技术

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置，已经在急救、麻醉、ICU和呼吸治疗领域中获得越来越广泛的应用。由于涡轮具有成本低、体积小、高效、易于控制等优点，采用涡轮作为气源的呼吸机越来越得到医疗设备行业的重视。一般的，呼吸机的涡轮部分包括涡轮、涡轮控制器、气容及降噪装置等。其中，涡轮控制器的性能直接影响呼吸机的整机指标。目前，采用涡轮作为气源动力的呼吸机至少存在如下问题：（1）涡轮控制器大多从国外购置，具有运输成本高、供货周期长、故障维修难等不利因素；（2）购买的涡轮控制器多为整体密封结构，机械尺寸不可调整，空间布局上需要做特定的考虑；（3）电气输入/输出接口种类少，比较难于与其他元器件匹配，实现数据共享。因此，设计一种满足国内呼吸机产品需求、扩展简洁、成本低廉的涡轮驱动器具有十分重要的市场价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述缺点，本发明提供了一种涡轮控制器，该涡轮控制器包括：上位控制部分、现场控制部分及电源管理模块；其中，上位控制部分包括：上位计算机、数/模转换器D/A模块、信号调理模块、电压/频率转换V/F模块、及电源模块；现场控制部分包括：现场控制模块、涡轮驱动模块、涡轮电流检测模块、涡轮转速检测模块；电源管理模块包括核心电路电源模块及功率电源模块；在上位控制部分中，上位计算机具有控制与数据接口，用于输入控制涡轮运行的控制命令，并从现场控制部分接收与涡轮运行状态相关的数据，上位计算机输出的控制命令通过数/模转换器D/A模块转换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号经数/模转换器D/A模块转换后的信号输入到信号调理模块，在信号调理模中经过直流偏置和滤波进行信号调理后输入到电压/频率转换V/F模块，电压/频率转换V/F模块将模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被发送给现场控制模块以控制涡轮的运行；在现场控制部分中，现场控制模块接收经电压/频率转换V/F模块变换得到的频率信号并对接收到的频率信号进行处理，将经处理的频率信号传送到涡轮驱动模块，驱动涡轮运转；涡轮驱动模块用于驱动涡轮运转；涡轮电流检测模块用于检测涡轮运转时的电流，并将检测到的电流经模/数转换A/D变换后传送给现场控制模块；涡轮转速检测模块用于检测涡轮的转速，并将检测到的转速信号经电平转换后传送给现场控制模块；电源管理模块中的核心电路电源模块用于给上位计算机及现场控制模块提供电源，电源管理模块中的功率电源模块用于给驱动涡轮运转。

本发明还提供了涡轮控制方法，其特征在于包括如下步骤：上位计算机发送一个涡轮转速控制命令，经数/模转换后变换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号，经数/模转换后的信号经过直流偏置和滤波进行信号调理后进行电压/频率转换后，模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被用以控制涡轮的运行。

本发明可获得如下的技术效果：采用V/F技术实现转速控制电压-驱动电路输入频率的转换，可移植性好；采用霍尔器件采样涡轮电流，精度高，可靠性好；运行状态灯显示涡轮的多种工作状态，不同的状态灯显示对应不同的工作状态，清晰简洁。

附图说明

图1为本发明的涡轮控制器框图；

图2为本发明的涡轮控制器的现场控制模块的结构图；

图3涡轮控制器的现场控制模块的控制流程框图；

图4为本发明的V/F芯片AD650配置电路；

图5为本发明的涡轮电流采样芯片ACS714；

图6为本发明的涡轮驱动电路。

图7为本发明的电流环的模拟量数学模型；

图8为本发明的电流环在忽略反电势影响后的简化数学模型；

图9为本发明的电流环采用数字电路后的数学模型；

图10为本发明速度环的数学模型；

图11为将电流环设为一个增益为1的比例环节后，速度环的简化模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明涡轮控制器框图。如图1所示，本发明的涡轮控制器包括上位控制部分、现场控制部分及电源管理模块，其中上位控制部分包括：上位计算机、数/模转换器D/A模块、信号调理模块、电压/频率转换V/F模块、及电源模块；现场控制部分包括：现场控制模块、涡轮驱动模块、涡轮电流检测模块、涡轮转速检测模块；电源管理模块包括核心电路电源模块及功率电源模块。在上位控制部分中，上位计算机（图1中用CPU表示），具有控制与数据接口，用于输入控制涡轮运行的控制命令，并从现场控制部分接收与涡轮运行状态相关的数据，上位计算机输出的控制命令通过数/模转换器D/A模块转换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号，经数/模转换器D/A模块转换后的信号输入到信号调理模块，在信号调理模中经过直流偏置和滤波进行信号调理后输入到电压/频率转换V/F模块，电压/频率转换V/F模块将模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被发送给现场控制模块以控制涡轮的运行。在现场控制部分中，现场控制模块（图1中用FPGA表示）接收经电压/频率转换V/F模块变换得到的频率信号并对接收到的频率信号进行处理，将经处理的频率信号传送到涡轮驱动模块，驱动涡轮运转；涡轮驱动模块用于驱动涡轮运转；涡轮电流检测模块用于检测涡轮运转时的电流，并将检测到的电流经模/数转换A/D变换后传送给现场控制模块；涡轮转速检测模块用于检测涡轮的转速，并将检测到的转速信号经电平转换后传送给现场控制模块。电源管理模块中的核心电路电源模块用于给上位计算机及现场控制模块提供电源，电源管理模块中的功率电源模块用于给驱动涡轮运转。

优选地，现场控制模块发送的数据可以在数据缓冲模块中缓冲后再传送给涡轮驱动模块，其发送给上位计算机的数据可以是涡轮的电流、涡轮的转速、涡轮运行的其它参数。

优选地，上位控制部分和现场控制部分可以一体制造，也可以分开制造。这样可以根据现场的实际需要来设计和安装涡轮控制器。

优选地，现场数据处理模块将涡轮的运行状态通过运行状态灯进行显示，这样可以实时、动态的获知涡轮的运行状态，一旦出现故障，可以有针对性地进行设备故障的查找和维修。

优选地，电源管理模块中的核心电路电源模块可以是分别用于提供上位计算机的电源和提供给现场控制模块的电源，即上位计算机、现场控制模块的供电电源可以相互独立，这样可以根据实际的需要灵活地使用供电电源。

本发明还提供了一种涡轮控制方法，其包括如下步骤：上位计算机发送一个涡轮转速控制命令，经数/模转换后变换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号，经数/模转换后的信号经过直流偏置和滤波进行信号调理后进行电压/频率转换后，模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被用以控制涡轮的运行。进一步地，变换得到的频率信号传送到涡轮驱动模块，驱动涡轮运行；涡轮电流检测模块用于检测涡轮运转时的电流，并将检测到的电流经模/数转换A/D变换后传送给现场控制模块；涡轮转速检测模块用于检测涡轮的转速，并将检测到的转速信号经电平转换后传送给现场控制模块。进一步地，用运行状态灯显示涡轮的运行状态。

优选地，本发明的现场控制模块采用如图2所示的控制结构。现场控制模块包括CPU通讯接口模块、寄存器组、电流反馈模块、电流调节器、速度调节器、位置调节器、脉宽调制电路及状态机，其中CPU通讯接口模块用于与上位机进行通讯，接收来自电压/频率转换V/F模块的频率信号，并将与涡轮的运转相关的状态数据传送给上位机，CPU通讯接口模块将接收到的频率信号传送到寄存器组，在寄存器组中经过缓冲后，送至电流调节器，电流调节器根据检测得到的涡轮转速及涡轮的反馈电流，将调节信号送至脉宽调制电路，脉宽调节电路输出6路脉宽调制信号用于控制涡轮的转速，寄存器组中还接收电流反馈信号，并将接收到的频率信号、反馈电流信号送至速度调节器和位置调节器，在状态机的控制下，位置调节器将其输出信号传送至速度调节器。

图3示出了本发明涡轮控制器的现场控制模块的控制流程框图。如图3所示，当定时器中断计数时，关断脉冲调制信号并置保护灯，如果定时器没有中断计数，则进一步判断是否存在保护信号，如果判断结果为“否”，则关断脉冲调制信号，如果判断结果为“是”，则进一步判断是否存在使能信号，如果存在使能信号，则由外部脉冲数累计处理，查阅现场控制模块中预先设置的Sin(x)表，得到两相相差120度的设定电流，读取电流采样值Ia和Ib并进行滤波处理，再由滞环算法得到矢量U，计算矢量U所在的区间，通过预先设定的坐标转换矩阵进行变换，计算比较器的值并送入对应的比较器中。

在本发明的一个实施例中，上位计算机与外部设备的接口可以为串口，CAN总线，或I2C总线，便于扩展，也可以通过网络等介质进一步将数据传输以作进一步的分析之用。上位计算机的CPU的电源可以为：3.3V，或1.9V，芯片工作频率为150MHz。

在本发明的一个实施例中，电压/频率转换V/F模块是高精度、高频型单片集成电压频率（V/F）变换电路，工作频率高，具有非常低的非线性度。电压/频率转换V/F模块可以选用如图4所示的AD650，该芯片的V/F变换工作频率可达1MHz，满度输出频率为10KHz时，非线性度典型值为0.002%。

涡轮电流检测模块采用精确的低偏置线性霍尔传感器电路，优选为如图5所示的ACS714芯片，该芯片铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔IC感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。当通过用作电流感测通路的主要铜制电流路径（从引脚1和2，到3和4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率(>VIOUT(Q))。该传导通路的内电阻通常是1.2mΩ，具有较低的功耗。传导通路的接线端与传感器引脚（引脚5到8）电气绝缘。

在本发明的一个实施例中，运行状态灯可以显示驱动信号与霍尔信号的工作状态，涡轮启停与正反转，电流保护等功能。通过不同颜色的灯以及闪烁的频率表示不同的工作状态信息，便于故障的查找和维修。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，涡轮驱动模块为一三相逆变器。该三相逆变器可以主要由三组功率驱动模块IR2132和IRF540N组成，每组功率驱动模块连接涡轮三相电压中的一相，每一组功率驱动模块包括两个放大器和两个二极管，其中每一个放大器的集电极与其中一个二极管的低端相连，而其发射极与该二极管的高端相连，并且每一组功率驱动模块的两个放大器中的一个放大器的集电极与另一个放大器的发射极相连，涡轮三相电压中的一相连接在两个放大器的连接点处，由现场控制模块所产生的脉冲宽度调制信号PWM分别输入每个放大器的基极，这样功率驱动模块IR2132实现了信号的放大，驱动三相逆变器。

下面进一步阐述本发明中电流环数学模型及速度环模型的建立。

通过建立一个电流环数学模型可以估算数字调节器增益的范围以确定运算字长及算法，因此仅考虑最简单的情况；实际调试时需要根据实验情况整定。不考虑管压降，则电流环的模拟量数学模型如图7所示。

由于机电时间常数比电磁时间常数大很多，所以可以忽略反电势的影响，而把它看作负载扰动。此时图7所示的电流环的模拟量数学模型可以简化为如图8所示的电流环在忽略反电势影响后的简化数学模型。

注意图中的PI为模拟比例+积分调节器，各变量都是模拟量。

采用数字电路后，相应的数学模型变为如图9所示的电流环采用数字电路后的数学模型。

采用比例加积分调节器，即

PI = K_{p} (1 + \frac{1}{τ_{i} s})

此时开环传递函数为

G_{0} (s) = \frac{K_{p} \times (τ_{i} s + 1) \times U_{DC} \times 1679}{τ_{i} s \times 2825 \times (R_{a} + L_{a} s) \times 4} = \frac{K (τ_{i} s + 1)}{s (Ts + 1)}

其中，

K = \frac{K_{P} \times U_{DC} \times 1679}{τ_{i} \times 2825 \times R_{a} \times 4},

下面阐述速度环数学模型的建立。设速度环的采样频率均为10kHz。速度环带宽为100Hz，由于电流环带宽远高于速度环，因此可忽略电流内环的影响，如图10所示。

其中电流环由前面设计得到，为一个一阶环节；考虑到所设计的电流环带宽远大于位置环和速度环，所以可以近似认为电流环为一个增益为1的比例环节，这样，就有如图11所述的模型：

根据实际指标选择合适的PID结构，将系统校正成最佳环节。

需要说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，本发明的上述多个实施例之间可以相互组合。下表为本发明所列举的各个模块可以使用的芯片型号，当然，本领域的技术人员能够理解本发明并不局限于这些芯片，只要能够实现这些芯片相同功能的电路结构均可。

表1功能模块与芯片型号

功能模块	芯片型号
		CPU	DSP28335PGF
D/A	AD5625RBRUZ-2
		信号调理	LM258D
V/F	AD650AD
		FPGA	XC3S200-4PQ208I
数据缓冲	SN74LVC245ADWR
		电路检测	ACS714ELCTR-05B-T
电流检测A/D	AD7927BRU
		电平转换	HD74LVC4245A
功率驱动	IR2132

进一步地，本领域的技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种涡轮控制器，其特征在于包括：上位控制部分、现场控制部分及电源管理模块；其中，上位控制部分包括：上位计算机、数/模转换器D/A模块、信号调理模块、电压/频率转换V/F模块、及电源模块；现场控制部分包括：现场控制模块、涡轮驱动模块、涡轮电流检测模块、涡轮转速检测模块；电源管理模块包括核心电路电源模块及功率电源模块；

在上位控制部分中，上位计算机具有控制与数据接口，用于输入控制涡轮运行的控制命令，并从现场控制部分接收与涡轮运行状态相关的数据，上位计算机输出的控制命令通过数/模转换器D/A模块转换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号经数/模转换器D/A模块转换后的信号输入到信号调理模块，在信号调理模中经过直流偏置和滤波进行信号调理后输入到电压/频率转换V/F模块，电压/频率转换V/F模块将模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被发送给现场控制模块以控制涡轮的运行；

在现场控制部分中，现场控制模块接收经电压/频率转换V/F模块变换得到的频率信号并对接收到的频率信号进行处理，将经处理的频率信号传送到涡轮驱动模块，驱动涡轮运转；涡轮驱动模块用于驱动涡轮运转；涡轮电流检测模块用于检测涡轮运转时的电流，并将检测到的电流经模/数转换A/D变换后传送给现场控制模块；涡轮转速检测模块用于检测涡轮的转速，并将检测到的转速信号经电平转换后传送给现场控制模块；

电源管理模块中的核心电路电源模块用于给上位计算机及现场控制模块提供电源，电源管理模块中的功率电源模块用于给驱动涡轮运转。

2.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，现场控制模块发送的数据可以在数据缓冲模块中缓冲后再传送给涡轮驱动模块，现场控制模块发送给上位计算机的数据为涡轮的电流、涡轮的转速和/或涡轮运行的其它参数。

3.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，现场控制模块包括CPU通讯接口模块、寄存器组、电流反馈模块、电流调节器、速度调节器、位置调节器、脉宽调制电路及状态机；其中，

CPU通讯接口模块用于与上位机进行通讯，接收来自电压/频率转换V/F模块的频率信号，并将与涡轮的运转相关的状态数据传送给上位机，CPU通讯接口模块将接收到的频率信号传送到寄存器组，在寄存器组中经过缓冲后，送至电流调节器，电流调节器根据检测得到的涡轮转速及涡轮的反馈电流，将调节信号送至脉宽调制电路，脉宽调节电路输出6路脉宽调制信号用于控制涡轮的转速，寄存器组中还接收电流反馈信号，并将接收到的频率信号、反馈电流信号送至速度调节器和位置调节器，在状态机的控制下，位置调节器将其输出信号传送至速度调节器。

4.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，上位控制部分和现场控制部分可以一体制造，也可以分开制造。

5.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，现场控制模块将涡轮的运行状态通过运行状态灯进行显示。

6.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，电源管理模块中的核心电路电源模块分别提供上位计算机的电源和提供给现场控制模块电源，即上位计算机、现场数据处理模块的电源相互独立。

7.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，电压/频率转换V/F模块的V/F变换工作频率为1MHz，满度输出频率为10KHz时非线性度为0.002％。

8.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，涡轮电流检测模块采用霍尔传感器电路。

9.如权利要求1所述的涡轮控制器，其特征在于，涡轮驱动模块为一三相逆变器。

10.一种涡轮控制方法，其特征在于包括如下步骤：上位计算机发送一个涡轮转速控制命令，经数/模转换后变换成模拟信号，成为控制涡轮转速的电压信号，经数/模转换后的信号经过直流偏置和滤波进行信号调理后进行电压/频率转换后，模拟电压信号变换为频率信号，变换得到的频率信号被用以控制涡轮的运行；

现场控制模块的控制包括如下步骤：当定时器中断计数时，关断脉冲调制信号并置保护灯，如果定时器没有中断计数，则进一步判断是否存在保护信号，如果判断结果为“否”，则关断脉冲调制信号，如果判断结果为“是”，则进一步判断是否存在使能信号，如果存在使能信号，则由外部脉冲数累计处理，查阅现场控制模块中预先设置的Sin(x)表，得到两相相差120度的设定电流，读取电流采样值Ia和Ib并进行滤波处理，再由滞环算法得到矢量U，计算矢量U所在的区间，通过预先设定的坐标转换矩阵进行变换，计算比较器的值并送入对应的比较器中。

11.如权利要求10所述的涡轮控制方法，其特征在于，变换得到的频率信号传送到涡轮驱动模块，驱动涡轮运行；涡轮电流检测模块用于检测涡轮运转时的电流，并将检测到的电流经模/数转换A/D变换后传送给现场控制模块；涡轮转速检测模块用于检测涡轮的转速，并将检测到的转速信号经电平转换后传送给现场控制模块。

12.如权利要求10所述的涡轮控制方法，其特征在于，用运行状态灯显示涡轮的运行状态。

13.如权利要求11所述的涡轮控制方法，其特征在于，用运行状态灯显示涡轮的运行状态。