【導讀】睡眠呼吸機是用于治療在睡眠狀態(tài)下，病人上呼吸道阻塞的一種設備。睡眠的上呼吸道阻塞會(huì )造成鼾聲、血氧降低、代謝紊亂等狀況，長(cháng)期會(huì )導致或加重各種慢性疾?。喝绺哐獕?、糖尿病、心腦血管疾病、神經(jīng)性疾病等。睡眠呼吸機通過(guò)對患者呼吸道持續輸送一定壓力的氣流，從而形成氣體支架，支撐患者的氣道開(kāi)放，保證患者的呼吸通暢，消除鼾聲以及OSAHS所帶來(lái)的負面影響。
本次技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健邀請到了行業(yè)資深工程師沈工來(lái)分享他的實(shí)戰設計經(jīng)驗。沈工及團隊設計的正壓睡眠呼吸機硬件方案由電機控制系統、壓力/流量測量系統、氣路系統、加熱/加濕系統和人機界面等組成。
多數使用正壓睡眠呼吸機的患者是在睡眠期間使用該設備，所以呼吸機的通氣舒適度及靜音性能是其重要指標。另外，睡眠呼吸機的功能之一是在系統發(fā)生異常時(shí)，能及時(shí)發(fā)現并立即采取適合的保護措施，其核心要點(diǎn)即是呼吸機風(fēng)機的控制。
這款正壓睡眠呼吸機硬件設計方案有三個(gè)重要特征。第一涵蓋極高動(dòng)態(tài)的電機轉速范圍：雙水平模式下，電機轉速范圍會(huì )在10000rpm以?xún)燃?5000rpm以上快速切換，轉速切換時(shí)間可低于0.5秒。第二可維持盡可能小的噪聲。呼吸機壓力為10cm水柱時(shí)，一般要求低于30dB，高端的產(chǎn)品可以做到23dB及以下。第三具有靈活方便的系統診斷，保護機制：以方便的結合驅動(dòng)器信息及相關(guān)傳感器定位相關(guān)異常事件，包括呼吸面罩脫落、呼吸管路漏氣、風(fēng)機堵轉等等。
家用正壓睡眠呼吸機要求小巧的體積及極小的運行噪聲，因此電機控制需要采用FOC算法，根據負載（系統壓力和流量狀況），控制風(fēng)機穩定運行，減小轉矩脈動(dòng)，從而大大減少電機自身的運行噪聲。通常工程師在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，會(huì )選擇直接購買(mǎi)風(fēng)機配套的驅動(dòng)板，這樣成本相對比較高，而且接口控制不夠靈活。 沈工的方案則能以較低的成本達到更好的性能及靈活度。
1.呼吸機風(fēng)機控制系統
表1 呼吸機風(fēng)機參數
圖1 所用醫用級風(fēng)機實(shí)物圖
在TMC4671和呼吸機風(fēng)機參數的基礎上，沈工及團隊開(kāi)發(fā)了風(fēng)機驅動(dòng)板，電機控制部分簡(jiǎn)要框圖如下：
圖2 電機控制部分簡(jiǎn)要框圖
電機控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic的TMC4671完成，功率驅動(dòng)部分及電流采樣使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671極大簡(jiǎn)化了電機控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用戶(hù)可以專(zhuān)注于系統應用級的設計，如更適于患者的壓力流量曲線(xiàn)等。
壓力值通過(guò)壓力傳感器反饋，經(jīng)由MCU進(jìn)行PI運算后，其輸出作為T(mén)MC4671的速度給定信號，TMC4671輸出風(fēng)機控制SVPWM信號給TMC6200，TMC6200作為MOS管門(mén)級驅動(dòng)，控制三相H橋以驅動(dòng)電機運行，使呼吸機壓力保持在需要的值或按給定的曲線(xiàn)變化。
2.核心器件介紹
表2 系統核心器件
TMC4671是一款ADI Trinamic于2020年發(fā)布的全球首個(gè)具有針對BLDC/PMSM和兩相步進(jìn)電動(dòng)機以及直流電動(dòng)機和音圈的磁場(chǎng)定向控制的全集成伺服控制器IC、集成ADC、位置傳感器接口（增量式編碼器，HALL信號等）和位置插值器的完整組件。
圖3 TMC4671結構框圖
芯片采用級聯(lián)的閉環(huán)控制架構（位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)），如下圖所示。
圖4 TMC4671控制環(huán)框圖
轉矩環(huán)核心的FOC算法，將FOC算法包含的Park，反Park變化等時(shí)間關(guān)鍵性的計算都集成在硬件中。因此開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)伺服控制器只需幾行代碼，這不僅減輕了處理器處理實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)的負擔，還優(yōu)化了設計周期，縮短了上市時(shí)間。
圖5 TMC4671內部FOC算法框圖
表3 TMC4671核心功能
TMC6200是一個(gè)大功率門(mén)驅動(dòng)器，專(zhuān)為永磁同步電機伺服或無(wú)刷直流電機設計，可以驅動(dòng)從幾瓦特到幾千瓦的電機；集成了FOC驅動(dòng)系統的全高電壓部分，適用于12V、24V或48V系統。使用TMC6200，可以最少數量的外部組件來(lái)構建具有完全保護和保護功能的堅固驅動(dòng)器診斷。
TMC6200除驅動(dòng)三相H橋外，還完成電流信號的采集及轉換，其內置運放及PGA，適合不同功率的電機。采樣相電流，非常適用于TMC4671中實(shí)現的Δ-Σ電流測量，可實(shí)現對電流的低噪聲采樣，提高系統的控制精度。另外TMC6200提供了完善的功率級診斷功能，方便系統的故障處理。
圖6 TMC4671+TMC6200系統架構框圖
圖7 TMC6200框圖
表4 TMC6200告警及保護功能概覽
3.系統連接和測試
TMC4671及TMC6200均采用SPI與MCU通信，官方的IDE可方便對外圍連接進(jìn)行標定。標定結束后，用戶(hù)只需通過(guò)SPI進(jìn)行相關(guān)配置即可對電機進(jìn)行控制，十分方便高效。
下圖是TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖。
圖8 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖
圖9 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖
圖10 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖
4.技術(shù)難點(diǎn)
PI 調節
TMC4671對電機控制參數的調整也十分便捷，通過(guò)官方的IDE可以方便的設置系統的PI控制參數，官方原裝的RTMI調試器由于接口問(wèn)題關(guān)系，連接自己的目標板不夠靈活。沈工及團隊設計了一個(gè)相同功能的模塊，同時(shí)實(shí)現了調試信號的電氣隔離，另外加上了電源及信號傳輸指示燈，接口也改成了2.54mm，也可擴展為2.0mm或1.27mm，可十分方便的轉接到目標板。
圖11 帶隔離及信號指示的TMC4671調試器
圖12 HALL識別
圖13 電機參數識別
圖14 PI參數調整
圖15 轉速與電流關(guān)系
圖16 使用內置雙四階濾波器優(yōu)化性能
正壓睡眠呼吸機硬件設計方案使用TMC4671+TMC6200的組合，大大降低了高性能電機驅動(dòng)器設計的門(mén)檻，使用戶(hù)可以非?？焖俚卮罱ㄏ嚓P(guān)的高性能電機應用，無(wú)需編寫(xiě)復雜費時(shí)的底層驅動(dòng)，節省了了大量的調試時(shí)間；相關(guān)診斷功能使工程師在調試初期可快速定位系統故障；配合TMC IDE，用戶(hù)可以方便地進(jìn)行系統辨識和控制參數優(yōu)化，加速產(chǎn)品設計定型；用戶(hù)可專(zhuān)注于產(chǎn)品本身的設計優(yōu)化，這是未來(lái)電機控制應用的方向。Excelpoint世健提供相關(guān)技術(shù)指導和支持，能幫助用戶(hù)更好地進(jìn)行設計，盡快讓產(chǎn)品上市。
關(guān)于世健——亞太區領(lǐng)先的元器件授權代理商
世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠(chǎng)商包括原設備生產(chǎn)商(OEM)、原設計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設計及供應鏈管理服務(wù)。
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