CN104753417A

CN104753417A - 用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置和方法

Info

Publication number: CN104753417A
Application number: CN201310729406.9A
Authority: CN
Inventors: 刘琳
Original assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Current assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN104753417B

Abstract

本发明提出一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置，包括：检测无刷直流电机的转速的速度检测器；采集无刷直流电机的电流信号、电压信号的采集器；三相逆变器，与无刷直流电机相连；驱动器，驱动三相逆变器中的功率管的开通和关断；电流调节器，根据电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，驱动器根据第一控制信号驱动三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节无刷直流电机的转速；信号奇异性分析器，根据电流信号、电压信号和无刷直流电机的转速生成速度指令；速度调节器，根据无刷直流电机的转速和速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号生成速度调节指令以调节无刷直流电机的转速。

Description

用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及医疗器械制造领域，特别涉及一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置和方法。

背景技术

麻醉机已经在ICU治疗领域中正越来越广泛的应用。由于直流无刷电机具有成本低、体积小、高效等优点，采用直流无刷电机作为气源越来越得到麻醉机设备行业的重视。

目前，基于直流无刷电机的监测与控制技术存在着以下缺点：转速控制精度低，转速的波动容易造成气流流速不稳定；电路的响应速度较慢，软件控制算法需要改进。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置。该装置在驱动电路中加入开关电路，提高MOS管的快速开关的稳定性；并且在直流无刷电机控制策略中提出简化的电流环和速度环的计算方法，采用信号奇异性分析方法提高转速波动抑制能力。

本发明的第二个目的在于提出一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置，主要包括：检测所述无刷直流电机的转速的速度检测器；采集所述无刷直流电机的电流信号、电压信号的采集器；三相逆变器，所述三相逆变器与所述无刷直流电机相连；驱动器，所述驱动器包括三相开关电路，所述三相开关电路与所述三相逆变器相连，所述驱动器驱动所述三相逆变器中的功率管的开通和关断；电流调节器，所述电流调节器与所述采集器和所述驱动器分别相连，所述电流调节器根据所述电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，所述驱动器根据所述第一控制信号驱动所述三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节所述无刷直流电机的转速；信号奇异性分析器，所述信号奇异性分析器与所述速度检测器和所述采集器分别相连，所述信号奇异性分析器根据所述电流信号、电压信号和所述无刷直流电机的转速生成速度指令；速度调节器，所述速度调节器与所述速度检测器、信号奇异性分析器和所述电流调节器分别相连，所述速度调节器根据所述无刷直流电机的转速和所述速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号生成速度调节指令以调节所述无刷直流电机的转速。

在本发明的一个实施例中，所述三相开关电路中的每相开关电路与所述三相逆变器中对应的一对桥臂相连，每对桥臂包括串联的第一功率管和第二功率管。

在本发明的一个实施例中，所述每相开关电路包括：第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述驱动器中的驱动芯片的第一输出端相连；第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一二极管的阳极相连，所述第一电阻的另一端与所述第一二极管的阴极相连；第二电阻，所述第二电阻连接在第一MOS管的源极和栅极之间，所述第一MOS管的栅极与所述第一二极管的阴极相连，所述第一MOS管的漏极与母线电压的正极端相连；第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述驱动芯片的第二输出端相连；第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第二二极管的阳极相连，所述第三电阻的另一端与所述第二二极管的阴极相连；第四电阻，所述第四电阻连接在第二MOS管的源极和栅极之间，所述第二MOS管的栅极与所述第二二极管的阴极相连，所述第二MOS管的漏极与所述母线电压的负极端相连。

根据本发明实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置，在驱动电路中加入开关电路，提高MOS管的快速开关的稳定性；并且在直流无刷电机控制策略中提出简化的电流环和速度环的计算方法，采用信号奇异性分析方法提高转速波动抑制能力。

为了实现上述目的，本发明第二方面实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法，包括以下步骤：S1检测所述无刷直流电机的转速；S2采集所述无刷直流电机的电流信号、电压信号；S3根据所述电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，根据所述第一控制信号驱动三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节所述无刷直流电机的转速；S4根据所述电流信号、电压信号和所述无刷直流电机的转速进行信号奇异性分析以生成速度指令；S5根据所述无刷直流电机的转速和所述速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号生成速度调节指令以调节所述无刷直流电机的转速。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S3之前，还包括：建立所述无刷直流电机的电流环的模拟量数学模型和速度环的模拟量数学模型。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S3之前，还包括：简化所述电流环的模拟量数学模型。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S5之前，还包括：简化所述速度环的模拟量数学模型。

根据本发明实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法，在驱动电路中加入开关电路，提高MOS管的快速开关的稳定性；并且在直流无刷电机控制策略中提出简化的电流环和速度环的计算方法，采用信号奇异性分析方法提高转速波动抑制能力。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置的电路图；

图3为根据本发明一个实施例的每相开关电路与对应的桥臂的连接关系示意图；

图4为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法的流程图；

图5为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的电流环的模拟量数学模型；

图6为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的电流环的简化后的模拟量数学模型；

图7为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的速度环的模拟量数学模型；

图8为根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的速度环的简化后的模拟量数学模型。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/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”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参考附图描述根据本发明实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置。

目前，基于直流无刷电机的监测与控制技术存在着以下缺点：转速控制精度低，转速的波动容易造成气流流速不稳定；电路的响应速度较慢，软件控制算法需要改进。为此，本发明提出了一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置。

图1是根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置的结构示意图；图2根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置的电路图。

如图1所示，用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置包括：速度检测器110、采集器120、三相逆变器130、驱动器140、电流调节器150、信号奇异性分析器160和速度调节器170。

其中，速度检测器110用于检测无刷直流电机的转速。

采集器120用于采集无刷直流电机的电流信号、电压信号。

三相逆变器130与无刷直流电机相连。

驱动器140包括三相开关电路，三相开关电路与三相逆变器130相连，驱动器140驱动三相逆变器130中的功率管的开通和关断。

其中，三相开关电路中的每相开关电路与三相逆变器130中对应的一对桥臂相连，每对桥臂包括串联的第一功率管和第二功率管。第一功率管和第二功率管均为MOS管。

具体地，每相开关电路与对应的一对桥臂的连接关系如图3所示，其中，每相开关电路进一步包括：

第一二极管D1，第一二极管D1的阳极与驱动器140中的驱动芯片的第一输出端H1相连。

第一电阻R1，第一电阻R1的一端与第一二极管D1的阳极相连，第一电阻R1的另一端与第一二极管D1的阴极相连。为了避免因MOS管的快速开关造成的MOS管器件漏源之间的振荡，而产生的射频干扰，可通过第一电阻R1抑制控制电压的波动。

第二电阻R2，第二电阻R2连接在第一MOS管的源极和栅极之间，第一MOS管的栅极与第一二极管D1的阴极相连，第一MOS管的漏极与母线电压的正极端相连。由此，第二电阻R2可使第一MOS管的源极和栅极两端快速放电，从而避免第一MOS管因过高的瞬间电压而被击穿。

第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与驱动芯片的第二输出端L1相连。

第三电阻R3，第三电阻R3的一端与第二二极管D2的阳极相连，第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的阴极相连。

第四电阻R4，第四电阻R4连接在第二MOS管的源极和栅极之间，第二MOS管的栅极与第二二极管D2的阴极相连，第二MOS管的漏极与母线电压的负极端相连。

电流调节器150与采集器120和驱动器140分别相连，电流调节器150根据电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，驱动器140根据第一控制信号驱动三相逆变器130中的功率管的开通和关断以调节无刷直流电机的转速。

信号奇异性分析器160与速度检测器110和采集器120分别相连，信号奇异性分析器160根据电流信号、电压信号和无刷直流电机的转速生成速度指令。

速度调节器170与速度检测器110、信号奇异性分析器160和电流调节器150分别相连，速度调节器170根据无刷直流电机的转速和速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号生成速度调节指令以调节无刷直流电机的转速。

图4是根据本发明一个实施例的用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法的流程图。

如图4所示，用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法，包括以下步骤：

S1，检测无刷直流电机的转速。

S2，采集无刷直流电机的电流信号、电压信号。

在本发明的一个实施例中，在采集无刷直流电机的电流信号、电压信号后，可建立无刷直流电机的电流环的模拟量数学模型和速度环的模拟量数学模型，并简化电流环的模拟量数学模型和速度环的模拟量数学模型。

具体地，电流环的模拟量数学模型，如图5所示，u为电压（V）；i为测量电流（A）；i*为给定电流（A）；e为感应电动势（V）；t_e为电磁转矩（N.m）的瞬时值；PI表示比例积分环节；L_a为电枢电感（H）；R_a为电枢电阻（Ω）；K_t为转矩系数；K_e为电势系数；ω为转子机械角速度（rad/s）；Js为转子的转动惯量（kg.m²）。

由于机电时间常数比电磁时间常数大很多，环节（K_t/J_s）的乘积很小，则ω也比较小。因为e=Ke*ω，所以比较环节u-e也比较小，所以可以忽略反电势的影响。环节(K_t),(1/J_s)，(K_e)相乘后所得到的结果可看作为一个小的扰动，对于变量u来说，所占的比重很小，可以忽略不计。因此，电流环的模拟量数学模型可简化，具体如图6所示，PI为模拟比例+积分调节器，各变量都是模拟量。

此外，如图7所示，可将测得的数字位置角，经微分计算后，得到数字化的速度值。

具体地，电流环为一个一阶环节。由于设计的电流环带宽远大于位置环和速度环，所以可将电流环作为一个增益为1的比例环节。这样，速度环简化后的模拟量数学模型，如图8所示，θ*为给定转速；θ为测量转速；v*为给定电压；v为测量电压；i*为给定电流；i为测量电流；t_e为电磁转矩（N.m）的瞬时值；PID表示比例积分微分环节；N为负载转矩；s为滑差率；K_t为转矩系数；ω为转子机械角速度（rad/s）；Js为转子的转动惯量（kg.m²）。

S3，根据电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，根据第一控制信号驱动三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节无刷直流电机的转速。

S4，根据电流信号、电压信号和无刷直流电机的转速进行信号奇异性分析以生成速度指令。

S5，根据无刷直流电机的转速和速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号生成速度调节指令以调节无刷直流电机的转速。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制装置，其特征在于，包括：

检测所述无刷直流电机的转速的速度检测器；

采集所述无刷直流电机的电流信号、电压信号的采集器；

三相逆变器，所述三相逆变器与所述无刷直流电机相连；

驱动器，所述驱动器包括三相开关电路，所述三相开关电路与所述三相逆变器相连，所述驱动器驱动所述三相逆变器中的功率管的开通和关断；

电流调节器，所述电流调节器与所述采集器和所述驱动器分别相连，所述电流调节器根据所述电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，所述驱动器根据所述第一控制信号驱动所述三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节所述无刷直流电机的转速；

信号奇异性分析器，所述信号奇异性分析器与所述速度检测器和所述采集器分别相连，所述信号奇异性分析器根据所述电流信号、电压信号和所述无刷直流电机的转速生成速度指令；

速度调节器，所述速度调节器与所述速度检测器、信号奇异性分析器和所述电流调节器分别相连，所述速度调节器根据所述无刷直流电机的转速和所述速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号生成速度调节指令以调节所述无刷直流电机的转速。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述三相开关电路中的每相开关电路与所述三相逆变器中对应的一对桥臂相连，每对桥臂包括串联的第一功率管和第二功率管。

3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述功率管为MOS管。

4.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述每相开关电路包括：

第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述驱动器中的驱动芯片的第一输出端相连；

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一二极管的阳极相连，所述第一电阻的另一端与所述第一二极管的阴极相连；

第二电阻，所述第二电阻连接在第一MOS管的源极和栅极之间，所述第一MOS管的栅极与所述第一二极管的阴极相连，所述第一MOS管的漏极与母线电压的正极端相连；

第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述驱动芯片的第二输出端相连；

第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第二二极管的阳极相连，所述第三电阻的另一端与所述第二二极管的阴极相连；

第四电阻，所述第四电阻连接在第二MOS管的源极和栅极之间，所述第二MOS管的栅极与所述第二二极管的阴极相连，所述第二MOS管的漏极与所述母线电压的负极端相连。

5.一种用于麻醉机的无刷直流电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，检测所述无刷直流电机的转速；

S2，采集所述无刷直流电机的电流信号、电压信号；

S3，根据所述电流信号和预设的电流参考信号进行PID调节以生成第一控制信号，根据所述第一控制信号驱动三相逆变器中的功率管的开通和关断以调节所述无刷直流电机的转速；

S4，根据所述电流信号、电压信号和所述无刷直流电机的转速进行信号奇异性分析以生成速度指令；

S5，根据所述无刷直流电机的转速和所述速度指令进行PID调节以生成第二控制信号，并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号生成速度调节指令以调节所述无刷直流电机的转速。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S3之前，还包括：建立所述无刷直流电机的电流环的模拟量数学模型和速度环的模拟量数学模型。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S3之前，还包括：简化所述电流环的模拟量数学模型。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S5之前，还包括：简化所述速度环的模拟量数学模型。