用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置制造方法

用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置，包括：檢測無刷直流電機轉速的速度檢測器；采集無刷直流電機的電流信號、電壓信號的采集器；三相逆變器；驅動器，驅動三相逆變器中的功率管的開通和關斷；電流調節器，根據電流信號和預設的電流參考信號進行PID調節以生成第一控制信號，驅動器根據第一控制信號驅動三相逆變器中的功率管的開通和關斷以調節無刷直流電機的轉速；信號奇異性分析器，根據電流信號、電壓信號和無刷直流電機的轉速生成速度指令；速度調節器，根據無刷直流電機的轉速和速度指令進行PID調節以生成第二控制信號，并根據第一控制信號和第二控制信號生成速度調節指令以調節無刷直流電機的轉速。
【專利說明】用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及醫療器械制造領域，特別涉及一種用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置。
【背景技術】
[0002]麻醉機已經在ICU治療領域中正越來越廣泛的應用。由于直流無刷電機具有成本低、體積小、高效等優點，采用直流無刷電機作為氣源越來越得到麻醉機設備行業的重視。
[0003]目前，基于直流無刷電機的監測與控制技術存在著以下缺點:轉速控制精度低，轉速的波動容易造成氣流流速不穩定；電路的響應速度較慢，軟件控制算法需要改進。
實用新型內容
[0004]本實用新型旨在至少解決上述技術問題之一。
[0005]為此，本實用新型的目的在于提出一種用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置。該裝置在驅動電路中加入開關電路，提高MOS管的快速開關的穩定性；并且在直流無刷電機控制策略中提出簡化的電流環和速度環的計算方法，采用信號奇異性分析方法提高轉速波動抑制能力。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置，主要包括:檢測所述無刷直流電機的轉速的速度檢測器；采集所述無刷直流電機的電流信號、電壓信號的采集器；三相逆變器，所述三相逆變器與所述無刷直流電機相連；驅動器，所述驅動器包括三相開關電路，所述三相開關電路與所述三相逆變器相連，所述驅動器驅動所述三相逆變器中的功率管的開通和關斷；電流調節器，所述電流調節器與所述采集器和所述驅動器分別相連，所述電流調節器根據所述電流信號和預設的電流參考信號進行PID調節以生成第一控制信號，所述驅動器根據所述第一控制信號驅動所述三相逆變器中的功率管的開通和關斷以調節所述無刷直流電機的轉速；信號奇異性分析器，所述信號奇異性分析器與所述速度檢測器和所述采集器分別相連，所述信號奇異性分析器根據所述電流信號、電壓信號和所述無刷直流電機的轉速生成速度指令；速度調節器，所述速度調節器與所述速度檢測器、信號奇異性分析器和所述電流調節器分別相連，所述速度調節器根據所述無刷直流電機的轉速和所述速度指令進行PID調節以生成第二控制信號，并根據所述第一控制信號和所述第二控制信號生成速度調節指令以調節所述無刷直流電機的轉速。
[0007]在本實用新型的一個實施例中，所述三相開關電路中的每相開關電路與所述三相逆變器中對應的一對橋臂相連，每對橋臂包括串聯的第一功率管和第二功率管。
[0008]在本實用新型的一個實施例中，所述每相開關電路包括:第一二極管，所述第一二極管的陽極與所述驅動器中的驅動芯片的第一輸出端相連；第一電阻，所述第一電阻的一端與所述第一二極管的陽極相連，所述第一電阻的另一端與所述第一二極管的陰極相連；第二電阻，所述第二電阻連接在第一 MOS管的源極和柵極之間，所述第一 MOS管的柵極與所述第一二極管的陰極相連，所述第一 MOS管的漏極與母線電壓的正極端相連；第二二極管，所述第二二極管的陽極與所述驅動芯片的第二輸出端相連；第三電阻，所述第三電阻的一端與所述第二二極管的陽極相連，所述第三電阻的另一端與所述第二二極管的陰極相連；第四電阻，所述第四電阻連接在第二 MOS管的源極和柵極之間，所述第二 MOS管的柵極與所述第二二極管的陰極相連，所述第二 MOS管的漏極與所述母線電壓的負極端相連。
[0009]根據本實用新型實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置，在驅動電路中加入開關電路，提聞MOS管的快速開關的穩定性；并且在直流無刷電機控制策略中提出簡化的電流環和速度環的計算方法，采用信號奇異性分析方法提高轉速波動抑制能力。
[0010]本實用新型附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本實用新型上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0012]圖1為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置的結構示意圖；
[0013]圖2為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置的電路圖；
[0014]圖3為根據本實用新型一個實施例的每相開關電路與對應的橋臂的連接關系示意圖；
[0015]圖4為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的電流環的模擬量數學模型；
[0016]圖5為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的電流環的簡化后的模擬量數學模型；
[0017]圖6為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的速度環的模擬量數學模型；
[0018]圖7為根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的速度環的簡化后的模擬量數學模型。
【具體實施方式】
[0019]下面詳細描述本實用新型的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0020]下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本實用新型的不同結構。為了簡化本實用新型的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本實用新型。此外，本實用新型可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此外，本實用新型提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0021]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0022]參照下面的描述和附圖，將清楚本實用新型的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本實用新型的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本實用新型的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本實用新型的實施例的范圍不受此限制。相反，本實用新型的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0023]下面參考附圖描述根據本實用新型實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制
>J-U ρ?α裝直。
[0024]目前，基于直流無刷電機的監測與控制技術存在著以下缺點:轉速控制精度低，轉速的波動容易造成氣流流速不穩定；電路的響應速度較慢，軟件控制算法需要改進。為此，本實用新型提出了一種用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置。
[0025]圖1是根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置的結構示意圖；圖2根據本實用新型一個實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置的電路圖。
[0026]如圖1所示，用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置包括:速度檢測器110、采集器120、三相逆變器130、驅動器140、電流調節器150、信號奇異性分析器160和速度調節器170。
[0027]其中，速度檢測器110用于檢測無刷直流電機的轉速。
[0028]采集器120用于采集無刷直流電機的電流信號、電壓信號。
[0029]三相逆變器130與無刷直流電機相連。
[0030]驅動器140包括三相開關電路，三相開關電路與三相逆變器130相連，驅動器140驅動三相逆變器130中的功率管的開通和關斷。
[0031]其中，三相開關電路中的每相開關電路與三相逆變器130中對應的一對橋臂相連，每對橋臂包括串聯的第一功率管和第二功率管。第一功率管和第二功率管均為MOS管。
[0032]具體地，每相開關電路與對應的一對橋臂的連接關系如圖3所示，其中，每相開關電路進一步包括:
[0033]第一二極管D1，第一二極管Dl的陽極與驅動器140中的驅動芯片的第一輸出端Hl相連。
[0034]第一電阻R1，第一電阻Rl的一端與第一二極管Dl的陽極相連，第一電阻Rl的另一端與第一二極管Dl的陰極相連。為了避免因MOS管的快速開關造成的MOS管器件漏源之間的振蕩，而產生的射頻干擾，可通過第一電阻Rl抑制控制電壓的波動。 [0035]第二電阻R2，第二電阻R2連接在第一 MOS管的源極和柵極之間，第一 MOS管的柵極與第一二極管Dl的陰極相連，第一 MOS管的漏極與母線電壓的正極端相連。由此，第二電阻R2可使第一 MOS管的源極和柵極兩端快速放電，從而避免第一 MOS管因過高的瞬間電壓而被擊穿。
[0036]第二二極管D2，第二二極管D2的陽極與驅動芯片的第二輸出端LI相連。
[0037]第三電阻R3，第三電阻R3的一端與第二二極管D2的陽極相連，第三電阻R3的另一端與第二二極管D2的陰極相連。
[0038]第四電阻R4，第四電阻R4連接在第二 MOS管的源極和柵極之間，第二 MOS管的柵極與第二二極管D2的陰極相連，第二 MOS管的漏極與母線電壓的負極端相連。
[0039]電流調節器150與采集器120和驅動器140分別相連，電流調節器150根據電流信號和預設的電流參考信號進行PID調節以生成第一控制信號，驅動器140根據第一控制信號驅動三相逆變器130中的功率管的開通和關斷以調節無刷直流電機的轉速。
[0040]在本實用新型的一個實施例中，在采集無刷直流電機的電流信號、電壓信號后，可建立無刷直流電機的電流環的模擬量數學模型和速度環的模擬量數學模型，并簡化電流環的模擬量數學模型和速度環的模擬量數學模型。
[0041]具體地，電流環的模擬量數學模型，如圖4所示，u為電壓(V) ；i為測量電流(A)；i*為給定電流(A) ；e為感應電動勢(V) ;te為電磁轉矩(N.m)的瞬時值；PI表示比例積分環節；La為電樞電感 (H) ;Ra為電樞電阻(Ω ) ；Kt為轉矩系數；1^為電勢系數；ω為轉子機械角速度(rad/s) Js為轉子的轉動慣量(kg.m2)。
[0042]由于機電時間常數比電磁時間常數大很多，環節(Kt/Js)的乘積很小，則ω也比較小。因為θ=Κθ*ω，所以比較環節u-e也比較小，所以可以忽略反電勢的影響。環節(Kt)，(I/Js), (Ke)相乘后所得到的結果可看作為一個小的擾動，對于變量u來說，所占的比重很小，可以忽略不計。因此，電流環的模擬量數學模型可簡化，具體如圖5所示，PI為模擬比例+積分調節器，各變量都是模擬量。
[0043]此外，如圖6所示，可將測得的數字位置角，經微分計算后，得到數字化的速度值。
[0044]具體地，電流環為一個一階環節。由于設計的電流環帶寬遠大于位置環和速度環，所以可將電流環作為一個增益為I的比例環節。這樣，速度環簡化后的模擬量數學模型，如圖7所示，Θ *為給定轉速；Θ為測量轉速；v*為給定電壓；v為測量電壓為給定電流；i為測量電流為電磁轉矩(N.m)的瞬時值；PID表示比例積分微分環節；N為負載轉矩；s為滑差率；Kt為轉矩系數；ω為轉子機械角速度(rad/s) ；Js為轉子的轉動慣量(kg.m2)。
[0045]信號奇異性分析器160與速度檢測器110和采集器120分別相連，信號奇異性分析器160根據電流信號、電壓信號和無刷直流電機的轉速生成速度指令。
[0046]速度調節器170與速度檢測器110、信號奇異性分析器160和電流調節器150分別相連，速度調節器170根據無刷直流電機的轉速和速度指令進行PID調節以生成第二控制信號，并根據第一控制信號和第二控制信號生成速度調節指令以調節無刷直流電機的轉速。
[0047]根據本實用新型實施例的用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置，在驅動電路中加入開關電路，提聞MOS管的快速開關的穩定性；并且在直流無刷電機控制策略中提出簡化的電流環和速度環的計算方法，采用信號奇異性分析方法提高轉速波動抑制能力。
[0048]流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用于實現特定邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本實用新型的優選實施方式的范圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序,包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序,來執行功能,這應被本實用新型的實施例所屬【技術領域】的技術人員所理解。
[0049]在流程圖中表示或在此以其他方式描述的邏輯和/或步驟，例如，可以被認為是用于實現邏輯功能的可執行指令的定序列表，可以具體實現在任何計算機可讀介質中，以供指令執行系統、裝置或設備(如基于計算機的系統、包括處理器的系統或其他可以從指令執行系統、裝置或設備取指令并執行指令的系統)使用，或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用。就本說明書而言，"計算機可讀介質"可以是任何可以包含、存儲、通信、傳播或傳輸程序以供指令執行系統、裝置或設備或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用的裝置。計算機可讀介質的更具體的示例(非窮盡性列表)包括以下:具有一個或多個布線的電連接部(電子裝置)，便攜式計算機盤盒(磁裝置)，隨機存取存儲器(RAM)，只讀存儲器(R0M)，可擦除可編輯只讀存儲器(EPR0M或閃速存儲器)，光纖裝置，以及便攜式光盤只讀存儲器(⑶ROM)。另外，計算機可讀介質甚至可以是可在其上打印程序的紙或其他合適的介質，因為可以例如通過對紙或其他介質進行光學掃描，接著進行編輯、解譯或必要時以其他合適方式進行處理來以電子方式獲得程序，然后將其存儲在計算機存儲器中。
[0050]應當理解，本實用新型的各部分可以用硬件、軟件、固件或它們的組合來實現。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執行系統執行的軟件或固件來實現。例如，如果用硬件來實現，和在另一實施方式中一樣，可用本領域公知的下列技術中的任一項或他們的組合來實現:具有用于對數據信號實現邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用集成電路，可編程門陣列(PGA)，現場可編程門陣列(FPGA)等。
[0051]本【技術領域】的普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件完成，的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。
[0052]此外，在本實用新型各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能模塊的形式實現。集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。
[0053]上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。
[0054]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0055]盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權利要求及其等同限定。
【權利要求】
1.一種用于麻醉機的無刷直流電機的控制裝置，其特征在于，包括: 檢測所述無刷直流電機的轉速的速度檢測器； 采集所述無刷直流電機的電流信號、電壓信號的采集器； 三相逆變器，所述三相逆變器與所述無刷直流電機相連； 驅動器，所述驅動器包括三相開關電路，所述三相開關電路與所述三相逆變器相連，所述驅動器驅動所述三相逆變器中的功率管的開通和關斷； 電流調節器，所述電流調節器與所述采集器和所述驅動器分別相連，所述電流調節器根據所述電流信號和預設的電流參考信號進行PID調節以生成第一控制信號，所述驅動器根據所述第一控制信號驅動所述三相逆變器中的功率管的開通和關斷以調節所述無刷直流電機的轉速； 信號奇異性分析器，所述信號奇異性分析器與所述速度檢測器和所述采集器分別相連，所述信號奇異性分析器根據所述電流信號、電壓信號和所述無刷直流電機的轉速生成速度指令； 速度調節器，所述速度調節器與所述速度檢測器、信號奇異性分析器和所述電流調節器分別相連，所述速度調節器根據所述無刷直流電機的轉速和所述速度指令進行PID調節以生成第二控制信號，并根據所述第一控制信號和所述第二控制信號生成速度調節指令以調節所述無刷直流電機的轉速。
2.如權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述三相開關電路中的每相開關電路與所述三相逆變器中對應的一對橋臂相連，每對橋臂包括串聯的第一功率管和第二功率管。
3.如權利要求2所述的控制裝置，其特征在于，所述功率管為MOS管。
4.如權利要求3所述的控制裝置，其特征在于，所述每相開關電路包括: 第一二極管，所述第一二極管的陽極與所述驅動器中的驅動芯片的第一輸出端相連；第一電阻，所述第一電阻的一端與所述第一二極管的陽極相連，所述第一電阻的另一端與所述第一二極管的陰極相連； 第二電阻，所述第二電阻連接在第一 MOS管的源極和柵極之間，所述第一 MOS管的柵極與所述第一二極管的陰極相連，所述第一 MOS管的漏極與母線電壓的正極端相連； 第二二極管，所述第二二極管的陽極與所述驅動芯片的第二輸出端相連； 第三電阻，所述第三電阻的一端與所述第二二極管的陽極相連，所述第三電阻的另一端與所述第二二極管的陰極相連； 第四電阻，所述第四電阻連接在第二 MOS管的源極和柵極之間，所述第二 MOS管的柵極與所述第二二極管的陰極相連，所述第二 MOS管的漏極與所述母線電壓的負極端相連。
【文檔編號】H02P21/00GK203747714SQ201320870758
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】劉琳 申請人:北京誼安醫療系統股份有限公司