正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案

睡眠呼吸機(jī)是用于治療在睡眠狀態(tài)下，病人上呼吸道阻塞的一種設(shè)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，長期會(huì)導(dǎo)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(jī)通過對患者呼吸道持續(xù)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(fù)面影響。

本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請到了行業(yè)資深工程師沈工來分享他的實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。沈工及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的正壓睡眠呼吸機(jī)硬件方案由電機(jī)控制系統(tǒng)、壓力/流量測量系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、加熱/加濕系統(tǒng)和人機(jī)界面等組成。

多數(shù)使用正壓睡眠呼吸機(jī)的患者是在睡眠期間使用該設(shè)備，所以呼吸機(jī)的通氣舒適度及靜音性能是其重要指標(biāo)。另外，睡眠呼吸機(jī)的功能之一是在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并立即采取適合的保護(hù)措施，其核心要點(diǎn)即是呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)的控制。

這款正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案有三個(gè)重要特征。第一涵蓋極高動(dòng)態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：雙水平模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍會(huì)在10000rpm以內(nèi)及25000rpm以上快速切換，轉(zhuǎn)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(jī)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(tǒng)診斷，保護(hù)機(jī)制：以方便的結(jié)合驅(qū)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(jī)堵轉(zhuǎn)等等。

家用正壓睡眠呼吸機(jī)要求小巧的體積及極小的運(yùn)行噪聲，因此電機(jī)控制需要采用FOC算法，根據(jù)負(fù)載（系統(tǒng)壓力和流量狀況），控制風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而大大減少電機(jī)自身的運(yùn)行噪聲。通常工程師在產(chǎn)品開發(fā)中，會(huì)選擇直接購買風(fēng)機(jī)配套的驅(qū)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(dá)到更好的性能及靈活度。

1.呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

表1 呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)

圖1 所用醫(yī)用級(jí)風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

在TMC4671和呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，沈工及團(tuán)隊(duì)開發(fā)了風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板，電機(jī)控制部分簡要框圖如下：

圖2 電機(jī)控制部分簡要框圖

電機(jī)控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic的TMC4671完成，功率驅(qū)動(dòng)部分及電流采樣使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671極大簡化了電機(jī)控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用戶可以專注于系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)的設(shè)計(jì)，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(jīng)由MCU進(jìn)行PI運(yùn)算后，其輸出作為TMC4671的速度給定信號(hào)，TMC4671輸出風(fēng)機(jī)控制SVPWM信號(hào)給TMC6200，TMC6200作為MOS管門級(jí)驅(qū)動(dòng)，控制三相H橋以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，使呼吸機(jī)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(tǒng)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(jī)以及直流電動(dòng)機(jī)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(hào)等）和位置插值器的完整組件。

圖3 TMC4671結(jié)構(gòu)框圖

芯片采用級(jí)聯(lián)的閉環(huán)控制架構(gòu)（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(zhuǎn)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(jì)算都集成在硬件中。因此開發(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(fù)擔(dān)，還優(yōu)化了設(shè)計(jì)周期，縮短了上市時(shí)間。 

圖5 TMC4671內(nèi)部FOC算法框圖

表3 TMC4671核心功能

TMC6200是一個(gè)大功率門驅(qū)動(dòng)器，專為永磁同步電機(jī)伺服或無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，可以驅(qū)動(dòng)從幾瓦特到幾千瓦的電機(jī)；集成了FOC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全高電壓部分，適用于12V、24V或48V系統(tǒng)。使用TMC6200，可以最少數(shù)量的外部組件來構(gòu)建具有完全保護(hù)和保護(hù)功能的堅(jiān)固驅(qū)動(dòng)器診斷。

TMC6200除驅(qū)動(dòng)三相H橋外，還完成電流信號(hào)的采集及轉(zhuǎn)換，其內(nèi)置運(yùn)放及PGA，適合不同功率的電機(jī)。采樣相電流，非常適用于TMC4671中實(shí)現(xiàn)的Δ-Σ電流測量，可實(shí)現(xiàn)對電流的低噪聲采樣，提高系統(tǒng)的控制精度。另外TMC6200提供了完善的功率級(jí)診斷功能，方便系統(tǒng)的故障處理。

圖6 TMC4671+TMC6200系統(tǒng)架構(gòu)框圖

圖7 TMC6200框圖

表4 TMC6200告警及保護(hù)功能概覽

3.系統(tǒng)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(biāo)定。標(biāo)定結(jié)束后，用戶只需通過SPI進(jìn)行相關(guān)配置即可對電機(jī)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(diào)節(jié)

TMC4671對電機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整也十分便捷，通過官方的IDE可以方便的設(shè)置系統(tǒng)的PI控制參數(shù)，官方原裝的RTMI調(diào)試器由于接口問題關(guān)系，連接自己的目標(biāo)板不夠靈活。沈工及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)相同功能的模塊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)試信號(hào)的電氣隔離，另外加上了電源及信號(hào)傳輸指示燈，接口也改成了2.54mm，也可擴(kuò)展為2.0mm或1.27mm，可十分方便的轉(zhuǎn)接到目標(biāo)板。

圖11 帶隔離及信號(hào)指示的TMC4671調(diào)試器

圖12 HALL識(shí)別

圖13 電機(jī)參數(shù)識(shí)別

圖14 PI參數(shù)調(diào)整

圖15 轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系

圖16 使用內(nèi)置雙四階濾波器優(yōu)化性能

正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案使用TMC4671+TMC6200的組合，大大降低了高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的門檻，使用戶可以非常快速地搭建相關(guān)的高性能電機(jī)應(yīng)用，無需編寫復(fù)雜費(fèi)時(shí)的底層驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了了大量的調(diào)試時(shí)間；相關(guān)診斷功能使工程師在調(diào)試初期可快速定位系統(tǒng)故障；配合TMC IDE，用戶可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和控制參數(shù)優(yōu)化，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型；用戶可專注于產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這是未來電機(jī)控制應(yīng)用的方向。Excelpoint世健提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)和支持，能幫助用戶更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡快讓產(chǎn)品上市。

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商 

世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
    世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
    世健總部設(shè)于新加坡，擁有超過700名員工，世健的業(yè)務(wù)已擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團(tuán)在2021年的年?duì)I業(yè)額超過16億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn)，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。