CN103914086A - 一种基于pwm的麻醉机气体流量控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）的麻醉机气体流量控制装置及其方法，装置包括：控制器，脉宽调制器，场效应管，比例阀，其中控制器与脉宽调制器相连，向脉宽调制器提供输入电压，并且通过分别调节所述脉宽调制器的振荡频率和所述输入电压来控制脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度；脉宽调制器与场效应管相连，根据输入电压及振荡频率产生PWM波驱动场效应管工作场效应管与比例阀相连，通过调节所述比例阀的功率来调节比例阀的开启程度；比例阀根据自身的开启程度控制麻醉机的气体开关及流量。本发明电路易于实现，成本低，对输入信号的要求较低，同时能够达到较高的精度。

Description

一种基于PWM的麻醉机气体流量控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种基于PWM的麻醉机气体流量控制装置及其方法。

背景技术

随着麻醉机气体流量控制功能的不断完善和发展，对于麻醉机潮气量的精确控制提出越来越高的要求，目前麻醉机控制潮气量的方法有手动调节气体节流阀、步进电机调节气体节流阀、电流闭环调节比例阀等。第一种方式，在调节麻醉机潮气量时，需要手动调节气体节流阀，通过人眼观察潮气量检测值的大小，来判断所调整的节流阀的开度是否合适，或者是否需要重新调整，该方式实现方法简单，成本较低，不需要控制电路，但为了实现或达到一个期望的潮气量值，需要人工反复调节，费时费力而且精度很差。第二种方式，预先设定潮气量的值，控制电路驱动步进电机，并带动其传动机构调节节流阀，使节流阀根据设定值自动跟随潮气量输出值，在调节过程中，步进电机与节流阀之间的齿轮啮合装置发出的噪声较大，而且由于齿轮配合存在着间隙，控制的精度较差。第三种方式，通过调节比例电磁阀的电流大小，来跟随设定值，达到控制气体的流量的目的，该方式虽然控制精度高，噪声小，但对电源的功率、纹波要求比较高，实现比较困难，成本高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种易于实现、成本较低，同时能满足很高精度要求的比例阀控制技术。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，包括：控制器，脉宽调制器，场效应管，比例阀，其中：

所述控制器与所述脉宽调制器相连，通过调节所述脉宽调制器的振荡频率和输入电压的大小来控制所述脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度；

所述脉宽调制器与所述场效应管相连，根据所述输入电压和所述脉宽调制器的振荡频率产生PWM波驱动所述场效应管工作；

所述场效应管与所述比例阀相连，通过调节所述比例阀的功率来调节所述比例阀的开启程度；

所述比例阀根据自身的开关程度控制所述麻醉机的气体开关，并根据所述开关的开启程度控制麻醉机的气体流量。

进一步地，还包括反馈电路，分别与所述脉宽调制器和所述场效应管相连，用于将流经所述场效应管的电流采样后反馈给所述脉宽调制器。

进一步地，还包括工作状态指示器，分别与所述脉宽调制器和所述控制器相连，用于指示所述比例阀的工作状态。

进一步地，所述控制器包括：

振荡电路，包括相互并联的电阻和电容，通过调节所述电阻的大小调节所述脉宽调制器的振荡频率；

信号放大器，用于调节所述脉宽调制器输入的电压的大小。

进一步地，所述信号放大器包括：

零点电位器，用于设置零点电压，使所述比例阀处于待机状态；

增益电位器，用于调节输入电压，使输入电压的变化斜率与所述比例阀的开启程度的斜率相匹配。

进一步地，所述脉宽调制器输出的PWM波频率为500-800Hz。

基于同一发明构思，本发明还提出了一种基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，包括：

S1、通过控制器调节脉宽调制器的振荡频率和输入电压的大小来控制脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度；

S2、所述脉宽调制器根据所述输入电压和所述脉宽调制器的振荡频率产生PWM波驱动场效应管工作；

S3、所述场效应管通过调节比例阀的功率来调节比例阀的开启程度；

S4、所述比例阀根据自身的开关程度控制所述麻醉机的气体开关，并根据所述开关的开启程度控制麻醉机的气体流量。

进一步地，所述步骤S3之后还包括：通过反馈电路将流经场效应管的电流采样后反馈给所述脉宽调制器。

进一步地，还包括：通过工作状态指示器指示所述比例阀的工作状态。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、通过振荡电路调节脉宽调制器的振荡频率；

S12、通过信号放大器调节所述脉宽调制器输入的电压的大小。

本发明借助于脉宽调制器所输出的PWM波来控制比例阀，电路易于实现，成本低，而且对输入信号的要求较低，同时能够达到很高的精度。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置结构框图；

图2是本发明所述的控制器的结构框图；

图3是本发明所述的振荡电路的结构框图；

图4是本发明所述的信号放大器的结构框图；

图5是本发明实施例二所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置结构框图；

图6是本发明实施例三所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置结构框图；

图7是本发明实施例四所述的基于SG3524芯片的麻醉机气体流量控制装置结构框图；

图8是本发明实施例五所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

图1是本发明实施例一基于PWM的麻醉机气体流量控制装置100的结构框图。如图1所示，所述装置100包括控制器101、脉宽调制器102、场效应管103和比例阀104；

其中，控制器101，与脉宽调制器102相连，用于向脉宽调制器提供输入电压，并且通过分别调节所述脉宽调制器的振荡频率和所述输入电压来控制脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度。通过控制器101，可以对所述脉宽调制器102输出的PWM波的宽度及频率进行调节，获得宽度和频率均可调的PWM波。

脉宽调制器102，与场效应管103相连，根据所述输入电压及振荡频率产生PWM波驱动场效应管工作。脉宽调制器的主要功能为脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation)，可以对输入的电压信号进行处理，并基于自身的振荡频率产生正比于所述电压信号的PWM波，该PWM波为占空比可调的脉冲，能够用于驱动场效应管工作。可选择任何具有脉宽调制功能的部件作为本发明的脉宽调制器，例如ST公司生产的SG3524芯片，或者具有PWM功能的单片机等。

场效应管103，与比例阀104相连，用于调节比例阀的开启程度。场效应管是一种单极型半导体器器件，它不但具备双极型晶体管体积小，重量轻，寿命长等优点，而且输入回路的内阻极高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强而且省电，非常适合用于功率驱动。在脉宽调制器102输出PWM波后，以场效应管作为开关管来驱动比例阀104，通过对比例阀的功率调节，达到控制比例阀开启程度的目的。优选MOSFET管作为本发明的场效应管来驱动比例阀。

比例阀104，根据自身的开启程度控制麻醉机的气体开关及流量。可以选用现有技术中具有气体流量控制功能的任意比例阀作为麻醉机气体流量控制的执行部件，例如可以使用burkert公司生产的比例阀来执行流量控制。

参见图2，所述控制器101可以包含以下部件：

振荡电路1011，通过调节脉宽调制器102的振荡频率来改变所述PWM波的脉冲频率。参见图3，所述振荡电路可以包括相互并联的电阻RT和电容CT，通过调节所述电阻RT的阻值来调节所述振荡频率，进而改变脉宽调制器所输出的PWM波的频率。

信号放大器1012，向脉宽调制器提供输入电压并对该输入电压的大小进行调节，从而改变所述PWM波的脉冲宽度。随着为脉宽调制器提供的输入电压的改变，输入电压信号经脉宽调制器处理后所输出的PWM波的脉冲宽度也会随之发生变化，通过调节所述输入电压，即可获得满足特定宽度要求的PWM波。

参见图4，所述信号放大器可以包括：零点电位器10121，用于设置零点电压，使比例阀处于待机状态；增益电位器10122，用于调节输入电压，使所输入电压的变化斜率与比例阀的开启程度的斜率相匹配，即与比例阀从开启的临界状态到满开度的斜率相匹配。

通过上述方式即可获得宽度和频率均可调的PWM波，用该PWM波驱动场效应管，进一步将放大了电压和电流的PWM波施加于比例阀的线圈，便可对比例阀进行有效的控制。

由于PWM波的频率较高，比例阀的阀芯动作较慢，所以虽然PWM波的电压有间歇，但比例阀基本不会震动。经过试验得知，PWM波的输出频率在500Hz-800Hz之间时，比例阀工作震动小、噪音小、工作稳定性高，优选该频段作为PWM波的输出频段。

实施例二

进一步地，为了避免电流过大或短路故障，可以在实施例一的基础上增加一个反馈电路，参见图5，该反馈电路505分别与脉宽调制器502和场效应管503相连，可以将流经场效应管503的电流采样后反馈给脉宽调制器502，脉宽调制器可以根据反馈的采样电流来监控输出的电流大小，从而保护场效应管503和比例阀504，避免因电流过大而损坏。

实施例三

为了使用户实时了解比例阀的工作状态，还可以在实施例一或实施例二的基础上增加一个工作状态指示器,在实施例二的基础上增加一个工作状态指示器的装置结构框图参见图6所示，工作状态指示器606分别与脉宽调制器602和控制器601相连，可用于指示比例阀604的工作状态。可以使用任意具有信息提示功能的部件作为比例阀的工作状态指示器，例如，可以使用LED来显示当前比例阀的状态：当LED点亮时比例阀为开启状态，当LED熄灭时比例阀为关闭状态。

实施例四

图7是本实施例所述的基于SG3524芯片的麻醉机气体流量控制装置结构框图，如图7所示，本实施例选择ST公司生产的SG3524芯片作为脉宽调制器，用于产生占空比可调的PWM波。其中，外部输入电源为24V，输入控制信号是0-10V的模拟信号，三端稳压器的作用是为放大电路和脉宽调制芯片SG3524提供电源，信号放大电路利用零点电位器设置和调整输入零点电压，使比例阀处于待机的工作状态；利用增益电位器调节输入电压，使输入电压的变化斜率与电磁比例阀的开启程度的斜率相匹配，即与比例阀从开启的临界状态到满开度的斜率相匹配，因此调节控制器的输入电压，即可调节脉冲宽度。另外，由电阻RT和电容CT组成的振荡电路产生锯齿波的频率，决定SG3524输出的PWM频率，通过调节电阻RT的值可以改变振荡频率，进而改变SG3524输出的PWM频率，这样便可得到脉冲宽度和频率均可调节的PWM波，用该PWM波驱动场效应管，进一步将放大了电压和电流的PWM波施加于比例阀的线圈，便可对比例阀进行有效的控制。由于PWM的频率较高，比例阀的阀芯动作较慢，所以虽然PWM波的电压有间歇，但比例阀基本不会震动。经过试验得知，PWM的输出频率在500Hz-800Hz之间，比例阀工作震动小，噪音小，工作稳定性高。在比例阀打开和关闭的过程中，使用SG3524的shutdown引脚功能来指示阀的工作状态。电流反馈电路的作用是将流经MOSFET管的电流经采样后反馈给SG3524，避免电流过大或短路故障。通过以上方式可以实现对比例阀从关闭直至满开状态全过程的控制，因此，仅通过比例阀单个部件即可同时实现开/关气体以及调节气体流量两种功能。

实施例五

根据同一构思，本发明还提供了一种基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，图8是本实施例所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制方法的流程图。

如图8所示，所述方法包括：

S801、通过控制器向脉宽调制器提供输入电压，并调节该电压及脉宽调制器的振荡频率。

通过控制器向脉宽调制器提供输入电压，并且通过分别调节所述脉宽调制器的振荡频率和所述输入电压来控制脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度。

进一步地，所述步骤S801可以通过以下方式实现：

S8011、通过振荡电路调节脉宽调制器的振荡频率，改变所述PWM波的脉冲频率。参见图3，所述振荡电路可以包括相互并联的电阻RT和电容CT，通过调节所述电阻RT的阻值来调节所述振荡频率，进而可以改变脉宽调制器所输出的PWM波的频率。

S8012、通过信号放大器调节脉宽调制器的输入电压，改变所述PWM波的脉冲宽度。随着为脉宽调制器提供的输入电压的改变，输入电压信号经脉宽调制器处理后所输出的PWM波的脉冲宽度也会随之发生变化，通过调节所述输入电压，即可获得满足特定宽度要求的PWM波。

所述步骤S8012可以进一步包括：

通过零点电位器设置零点电压，使比例阀处于待机状态；

通过增益电位器调节输入电压，使所输入电压的变化斜率与比例阀的开启程度的斜率相匹配，即与比例阀从开启的临界状态到满开度的斜率相匹配。

S802、脉宽调制器产生PWM波，驱动场效应管工作。

脉宽调制器的主要功能为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)，可以对输入的电压信号进行处理，并基于自身的振荡频率产生正比于所述电压信号的PWM波，该PWM波为占空比可调的脉冲，能够用于驱动场效应管工作。可选择任何具有脉宽调制功能的部件作为本发明的脉宽调制器，例如ST公司生产的SG3524芯片，或者具有PWM功能的单片机等。

S803、场效应管调节比例阀的开启程度。

场效应管是一种单极型半导体器器件，它不但具备双极型晶体管体积小，重量轻，寿命长等优点，而且输入回路的内阻极高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强而且省电，非常适合用于功率驱动。在脉宽调制器输出PWM波后，以场效应管作为开关管来驱动比例阀，通过对比例阀的功率调节，达到控制比例阀开启程度的目的。

S804、比例阀控制麻醉机的气体开关及流量。

比例阀根据自身的开启程度控制麻醉机的气体开关及流量。可以选用现有技术中具有气体流量控制功能的任意比例阀作为麻醉机气体流量控制的执行部件，例如可以使用burkert公司生产的比例阀来执行流量控制。

通过上述方式即可获得宽度和频率均可调的PWM波，用该PWM波驱动场效应管，进一步将放大了电压和电流的PWM波施加于比例阀的线圈，便可对比例阀进行有效的控制。

由于PWM波的频率较高，比例阀的阀芯动作较慢，所以虽然PWM波的电压有间歇，但比例阀基本不会震动。经过试验得知，PWM波的输出频率在500Hz-800Hz之间时，比例阀工作震动小、噪音小、工作稳定性高，优选该频段作为PWM波的输出频段。

进一步地，为了避免电流过大或短路故障，可以增加一个电流反馈步骤S805、通过分别与脉宽调制器和场效应管相连的反馈电路，可以将流经场效应管的电流采样后反馈给脉宽调制器，脉宽调制器可以根据反馈的采样电流来监控输出的电流大小，从而保护场效应管和比例阀，避免因电流过大而损坏。

另外，为了使用户实时了解比例阀的工作状态，还可以增加一个工作状态指示步骤S806、通过分别与脉宽调制器和控制器相连的工作状态指示器，可指示比例阀的工作状态。可以使用任意具有信息提示功能的部件作为比例阀的工作状态指示器，例如，可以使用LED来显示当前比例阀的状态：当LED点亮时比例阀为开启状态，当LED熄灭时比例阀为关闭状态。

本发明借助于脉宽调制器所输出的PWM波来控制比例阀，电路易于实现，成本低，而且对输入信号的要求较低，同时能够达到很高的精度。通过本发明所述的调节方式可以实现对比例阀从关闭状态直至满开状态的全过程控制，仅通过比例阀单个部件即可同时实现开/关气体以及调节气体流量两种功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，包括：控制器，脉宽调制器，场效应管，比例阀，其中：

所述控制器与所述脉宽调制器相连，通过所述控制器调节所述脉宽调制器的振荡频率和输入电压的大小来控制所述脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度；

所述脉宽调制器与所述场效应管相连，所述脉宽调制器根据输入电压和所述脉宽调制器的振荡频率产生PWM波驱动所述场效应管工作；

所述场效应管与所述比例阀相连，通过调节所述比例阀的功率来调节所述比例阀的开启程度；

所述比例阀根据自身的开关程度控制所述麻醉机的气体开关，并根据所述开关的开启程度控制麻醉机的气体流量。

2.如权利要求1所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，还包括反馈电路，分别与所述脉宽调制器和所述场效应管相连，用于将流经所述场效应管的电流采样后反馈给所述脉宽调制器。

3.如权利要求1或2所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，还包括工作状态指示器，分别与所述脉宽调制器和所述控制器相连，用于指示所述比例阀的工作状态。

4.如权利要求1或2所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，所述控制器包括：

振荡电路，包括相互并联的电阻和电容，通过调节所述电阻的大小调节所述脉宽调制器的振荡频率；

信号放大器，用于调节所述脉宽调制器输入的电压的大小。

5.如权利要求4所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，所述信号放大器包括：

零点电位器，用于设置零点电压，使所述比例阀处于待机状态；

增益电位器，用于调节输入电压，使输入电压的变化斜率与所述比例阀的开启程度的斜率相匹配。

6.如权利要求1或2任一所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制装置，其特征在于，所述脉宽调制器输出的PWM波频率为500-800Hz。

7.一种基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，其特征在于，包括：

S1、通过控制器调节脉宽调制器的振荡频率和输入电压的大小，来控制脉宽调制器输出PWM波的频率和宽度；

S2、所述脉宽调制器根据所述输入电压和所述脉宽调制器的振荡频率产生PWM波驱动场效应管工作；

S3、所述场效应管通过调节比例阀的功率来调节比例阀的开启程度；

S4、所述比例阀根据自身的开关程度控制所述麻醉机的气体开关，并根据所述开关的开启程度控制麻醉机的气体流量。

8.如权利要求7所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括：

通过反馈电路将流经场效应管的电流采样后反馈给所述脉宽调制器。

9.如权利要求7或8所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，其特征在于，还包括：通过工作状态指示器指示所述比例阀的工作状态。

10.如权利要求7或8所述的基于PWM的麻醉机气体流量控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、通过振荡电路调节脉宽调制器的振荡频率；

S12、通过信号放大器调节所述脉宽调制器的输入电压的大小。