正壓睡眠呼吸機硬件設計方案
2022-12-02 21:00:30 世健睡眠呼吸機是用于治療在睡眠狀態下，病人上呼吸道阻塞的一種設備。睡眠的上呼吸道阻塞會造成鼾聲、血氧降低、代謝紊亂等狀況，長期會導致或加重各種慢性疾病：如高血壓、糖尿病、心腦血管疾病、神經性疾病等。睡眠呼吸機通過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，支撐患者的氣道開放，保證患者的呼吸通暢，消除鼾聲以及OSAHS所帶來的負面影響。
本次技術型授權代理商Excelpoint世健邀請到了行業資深工程師沈工來分享他的實戰設計經驗。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生異常時，能及時發現并立即采取適合的保護措施，其核心要點即是呼吸機風機的控制。
這款正壓睡眠呼吸機硬件設計方案有三個重要特征。第一涵蓋極高動態的電機轉速范圍：雙水平模式下，電機轉速范圍會在10000rpm以內及25000rpm以上快速切換，轉速切換時間可低于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，一般要求低于30dB，高端的產品可以做到23dB及以下。第三具有靈活方便的系統診斷，保護機制：以方便的結合驅動器信息及相關傳感器定位相關異常事件，包括呼吸面罩脫落、呼吸管路漏氣、風機堵轉等等。
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），控制風機穩定運行，減小轉矩脈動，從而大大減少電機自身的運行噪聲。通常工程師在產品開發中，會選擇直接購買風機配套的驅動板，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.呼吸機風機控制系統
表1 呼吸機風機參數
圖1 所用醫用級風機實物圖
在TMC4671和呼吸機風機參數的基礎上，沈工及團隊開發了風機驅動板，電機控制部分簡要框圖如下：
圖2 電機控制部分簡要框圖
電機控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic的TMC4671完成，功率驅動部分及電流采樣使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671極大簡化了電機控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用戶可以專注于系統應用級的設計，如更適于患者的壓力流量曲線等。
壓力值通過壓力傳感器反饋，經由MCU進行PI運算后，其輸出作為TMC4671的速度給定信號，TMC4671輸出風機控制SVPWM信號給TMC6200，TMC6200作為MOS管門級驅動，控制三相H橋以驅動電機運行，使呼吸機壓力保持在需要的值或按給定的曲線變化。
2.核心器件介紹
表2 系統核心器件
TMC4671是一款ADI Trinamic于2020年發布的全球首個具有針對BLDC/PMSM和兩相步進電動機以及直流電動機和音圈的磁場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
芯片采用級聯的閉環控制架構（位置環、速度環和電流環），如下圖所示。
圖4 TMC4671控制環框圖
轉矩環核心的FOC算法，將FOC算法包含的Park，反Park變化等時間關鍵性的計算都集成在硬件中。因此開發動態伺服控制器只需幾行代碼，這不僅減輕了處理器處理實時關鍵任務的負擔，還優化了設計周期，縮短了上市時間。
圖5 TMC4671內部FOC算法框圖
表3 TMC4671核心功能
TMC6200是一個大功率門驅動器，專為永磁同步電機伺服或無刷直流電機設計，可以驅動從幾瓦特到幾千瓦的電機；集成了FOC驅動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構建具有完全保護和保護功能的堅固驅動器診斷。
TMC6200除驅動三相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中實現的Δ-Σ電流測量，可實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行標定。標定結束后，用戶只需通過SPI進行相關配置即可對電機進行控制，十分方便高效。
下圖是TMC4671及TMC6200相關原理圖。
圖8 TMC4671及TMC6200相關原理圖
圖9 TMC4671及TMC6200相關原理圖
圖10 TMC4671及TMC6200相關原理圖
4.技術難點
PI 調節
TMC4671對電機控制參數的調整也十分便捷，通過官方的IDE可以方便的設置系統的PI控制參數，官方原裝的RTMI調試器由于接口問題關系，連接自己的目標板不夠靈活。沈工及團隊設計了一個相同功能的模塊，同時實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 轉速與電流關系
圖16 使用內置雙四階濾波器優化性能
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器設計的門檻，使用戶可以非常快速地搭建相關的高性能電機應用，無需編寫復雜費時的底層驅動，節省了了大量的調試時間；相關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，用戶可以方便地進行系統辨識和控制參數優化，加速產品設計定型；用戶可專注于產品本身的設計優化，這是未來電機控制應用的方向。Excelpoint世健提供相關技術指導和支持，能幫助用戶更好地進行設計，盡快讓產品上市。
