CN105343979B - 用于稳定音圈的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

揭露用于稳定音圈的设备或方法。设备包括用于提供动力的音圈，以及用于测量来自所述音圈的与动生电动势有关的信号的元件。设备还包括用于控制所述信号的放大信号以在所述音圈中产生所述动生电动势方向上的作用力的单元。

Description

用于稳定音圈的系统和方法
技术领域
本发明总的来说涉及音圈马达。尤其地，本发明涉及控制音圈，例如稳定提供动力的音圈、稳定音圈马达。尤其地，本发明涉及用于控制用于医用呼吸机、麻醉机或麻醉监测仪的吸气阀或呼气阀的音圈马达。
背景技术
控制呼气末正压(PEEP)的一种常用解决方案是使用可控制圆盘阀的音圈马达。在这种类型的阀门中，呼气末正压与来自音圈的作用力之间或多或少是成正比的。同样地，来自音圈的作用力与穿过音圈马达线圈的电流之间在理想条件下是成正比的。
上述模型是非常简化的。在实际应用时，呼吸方式可能会改变穿过阀门的气流。这将造成圆盘阀移动，以补偿气流的变化。大多数的移动元件具有惯性，惯性会影响阀门内的作用力的平衡。当前技术的其他特征为阀门内的薄膜可产生弹力，音圈并不理想。
这种类型的阀门的显著缺点为阀门是不稳定的。不稳定的阀门会振动，因此会引起气流和气压的振荡。有几种已知的方法可用于试图稳定阀门。使用正常的气压或气流反馈来稳定阀门是复杂的，因为振荡是快速的，仅通过测量气压或气流是难以得出有关阀门运动的任何结论的。防止振荡的另外一种方法为使用摩擦力，但是使用摩擦力可能会使得对呼气末正压的气压控制变得较差，因此使用摩擦力并不理想。例如其他可能的方式可以为使用粘滞阻尼，例如使用与音圈的速度成正比的反向作用力，使用电磁铁或磁性流体。传统粘滞阻尼的主要缺点在于粘滞阻尼系数是恒定的，而实际需要的粘滞阻尼是可以根据气压和气流大幅度改变的。高气压下需要的阻尼比低气压下需要的阻尼大几倍。具有太大阻尼系数的缺点在于阀门对于控制信号及气流速度的改变响应慢，这可能会导致阀门将不能维持呼气末正压气压恒定。使用低的恒定的粘滞阻尼系数意味着在高气压下系统是不稳定的，而使用高的阻尼系数意味着在低气压下阀门响应太慢。其他可能的方法为使用位置或速度传感器带来的位置或速度反馈，缺点为成本及复杂度增加。
US5127400A和US5339807A揭露了使用复杂的机械设计的系统。其中，单独的永久磁铁固定在音圈马达的轴上，按照这种方式，永久磁铁将在单独的静止的音圈内运动，可作为产生动生电动势的传感器。
除了呼气末正压，音圈马达也可用于控制其他参数，例如吸气时的气压和气流。当控制时，例如使用音圈马达控制吸气时的气压和气流时，系统也会呈现出稳定性问题。
例如，仅通过改变电流控制呼气末正压是不能直接实现理想的呼气末正压的。实现正确的气压需要改进的反馈系统。因此，需要提供经过改进的新的反馈控制系统，具有较好的性能，可避免振荡，也可快速反应以确保对于不同类型的病人和不同的环境参数，可快速地达到理想的呼气末正压。尤其地，有利于根据环境参数，例如气压或气流，获得可最佳化和可调节的阻尼。
发明内容
相应地，优选地本发明实施例的目的在于减少或消除现有技术中的一个或多个不足、缺点或问题，例如通过提供根据附属的用于提供改进的音圈马达和改进的气动阀的权利要求形成的设备、系统或方法来减少或消除上述提出的单个问题或多个问题的任何结合。例如，这些音圈可用于控制用于医用呼吸机、麻醉机或麻醉监测仪的吸气阀或呼气阀。
根据揭露的一方面，描述用于稳定音圈，例如稳定音圈马达的设备。所述设备包括用于提供动力的音圈。所述设备还包括用于测量来自所述音圈的与动生电动势有关的信号的元件，以及用于控制放大所述信号信号以在所述音圈中产生所述动生电动势方向上的作用力的单元。
所述设备通过稳定提供动力的音圈，例如稳定用作致动器的音圈马达来控制吸气阀或呼气阀。阀门可用于医用呼吸机、麻醉机或麻醉监测仪。
某些优点为这种设备和方法提供一种方式，以根据环境，例如不同的气压及/或流体流动，调节和最佳化提供动力的音圈的阻尼。调节和最佳化阻尼可稳定地和有效地控制不同的参数，例如，不同的参数可为呼气末正压气压或吸气气流及/或气压。有效控制呼气末正压气压或吸气气流及/或气压可改进通风，从而为病人提供较弱的呼吸。另外一种优点为无需进一步向该系统增加任何传感器，即可容易地植入该设备和方法。可能需要进一步增加的唯一的传感器为感应电阻，相对现有系统的多个传感器来说，增加一个感应电阻带来的工作量是可以忽视的。
揭露的某些例子中，通过测量穿过提供动力的音圈的电流，例如穿过音圈马达的音圈的电流来测量所述信号。穿过音圈的测量电流由动生电动势(动生EMF)产生，音圈或相关磁铁运动时产生动生电动势。
揭露的某些例子中，通过控制施加在音圈上的设定电压，例如施加在音圈马达的音圈上的设定电压来控制所述放大的电流信号。
揭露的某些例子中，感应电阻与提供动力的音圈串联，例如与音圈马达的音圈串联，以测量电压。根据所述电压和感应电阻的电阻值计算所述电流。
揭露的某些例子中，所述信号为处于稳定状态下的估算电流或计算电流和与产生的动生电动势有关的测量电流之间的差异产生的电流误差。当音圈和相关磁铁都不运动时，音圈处于稳定状态，因此不产生动生电动势。
揭露的某些例子中，通过改变设定电压来放大电流误差，从而改变穿过音圈的电流。
揭露的某些例子中，通过测量音圈两端的电压来测量所述信号。音圈两端的测量电压由动生电动势(动生EMF)产生，音圈或相关磁铁运动时产生动生电动势。
揭露的某些例子中，通过控制施加在音圈上的设定电流来控制所述放大的电压信号。
揭露的某些例子中，所述信号为基于处于稳定状态下的音圈两端的测量电压或估算电压和与产生的动生电动势有关的测量电压之间的差异产生的电压误差。音圈和相关磁铁都不运动时，音圈处于稳定状态，因此不产生动生电动势。
揭露的某些例子中，通过改变设定电流来放大电压误差，从而改变音圈两端的电压。
揭露的某些例子中，可直接地或可通过脉宽调制器控制所述放大信号。
揭露的某些例子中，使用负增益来抵消或减少音圈固有的动生电动势产生的效果。
揭露的某些例子中，在放大所述误差信号前，使用高通滤波器移除直流成分和低频成分。
揭露的另一方面，描述了稳定音圈的方法。所述方法包括：测量与音圈产生的动生电动势有关的信号，以及控制所述信号的放大信号以在所述音圈中产生所述动生电动势方向上的作用力。
揭露的方法的某些例子中，所述信号为基于处于稳定状态下的估算电流或计算电流和与产生的动生电动势有关的测量电流之间的差异产生的电流误差。
揭露的方法的某些例子中，所述信号为基于处于稳定状态下的估算电压或计算电压和与产生的动生电动势有关的测量电压之间的差异产生的电压误差。
在这里定义阻尼为一种方向与运动方向相反的作用力，具有稳定作用。
需要强调的是本说明书中使用的单词“包括”是用于详述特征、整数、步骤或元件的存在，而不是排除一个或多个其他特征、整数、步骤、元件或分组的存在或增加。
附图说明
揭露的例子中的这些和其他方面、特征以及优点是明显的，并由以下对本发明揭露的实施例的描述以及对附图的参考进行阐述，其中：
图1阐述了用于稳定音圈的设备的流程图。
图2阐述了音圈的电气模型的一个示例。
图3阐述了用于稳定音圈的设备的示范性实施。
具体实施方式
结合附图对揭露的具体实施例进行描述。然而，揭露的内容可有多种不同的表现形式，并不限于这里所揭露的表现形式。当然地，提供的这些实施例可使得揭露的内容是全面的、完整的，以及将本发明的保护范围完全地传达至本领域的技术人员。
尽管在这里本发明描述和解释了几种实施例，本领域的技术人员可以容易地想到大量其他的方法及/或结构以执行这里所描述的功能，及/或获得这里所描述的结果及一个或多个优点，并且每一种变化及/或修改都被认为是属于本发明的范围。本发明的范围仅由附属的权利要求限定。
音圈在磁场内的运动产生动生电动势(动生EMF，有时也称为反EMF)，动生电动势为音圈两端的电压，该电压在音圈中产生电流，因此，由该电流产生的作用力的方向可能与音圈的运动方向相反。该作用力与音圈在音圈马达的磁场内的运动的速度成正比，因此动生电动势可看作为粘性阻尼。
方向与运动方向相反的作用力具有稳定作用(例如，阻尼)。
正常情况下，动生电动势产生的阻尼是不足以稳定阀门/音圈的，并且阻尼系数例如阻尼强度是不能进行调节的。
图1阐述了用于稳定提供动力的音圈的设备1的流程图。流程图中阐述的设备包括用于测量与动生电动势有关的信号的元件100，动生电动势由音圈在磁场内的运动产生或由相关磁铁产生。
与动生电动势有关的测量信号可包括两种成分：与动生电动势有关的第一种成分，及与施加在提供动力的音圈上的驱动电流或驱动电压相关的第二种成分。
可替换地，在一些例子中，用外力移动音圈或相关磁铁。与动生电动势有关的测量信号可包括至少一种与动生电动势有关的成分。
测量的信号由元件110放大以及被元件120控制，以在动生电动势方向上产生额外的作用力，从而增加音圈运动时的阻尼，以及抑制音圈的任何不稳定(振荡)。
可以通过控制施加在音圈上的设定电压来实现。可直接地或优选地通过脉宽调制器(Pulse-widthModulator,PWM)来控制设定电压。例如，可通过测量与音圈串联的感应电阻两端的电压来测量穿过音圈的电流。
因为设定电压是已知的，如果系统的电阻值和电感值也是已知的，或者如果电阻值和电感值是可以估算的，稳定状态下穿过音圈的电流是可以估算的。当音圈或相关磁铁运动时，动生电动势可在运动的反方向上产生电压，该电压将改变穿过音圈的电流。根据运动方向，这种改变可能是电压的增加或减少。理想电流(稳定状态下的电流)和测量电流之间的差值，例如电流误差，与动生电动势是成正比的，因此也与音圈或相关磁铁的运动成正比，例如与音圈或相关磁铁在音圈马达中的运动成正比。
然后相应地可以通过改变设定电压来放大电流误差，从而改变穿过音圈的电流，因此事实上设定电压的改变可导致动生电动势方向上的作用力的改变。
可替换地，在某些例子中，实现上述作用力改变的另外一种方式可为通过测量音圈两端的电压来控制具有设定电流的音圈，例如音圈马达。之后可按照类似于计算上述电流误差的方式来计算电压误差。电压误差基于音圈处于稳定状态下的理想电压与对应动生电动势的测量电压之间的差异产生，对应动生电动势的测量电压即为音圈或相关磁铁运动时的测量电压。音圈处于稳定状态下的理想电压的估计方法与音圈处于稳定状态下电流的估计方法相似。之后可放大电压的任何变化以控制动生电动势，改变施加在音圈上的设定电流，可引起音圈运动，从而导致电压改变。
允许根据阀门内的气压或穿过阀门的气流来改变粘滞阻尼常数，简单地，通过改变电流误差或电压误差的放大增益来改变粘滞阻尼常数，从而实现最佳阻尼，因此阀门是稳定的，并且在不同工作条件下仍然具有良好性能。
此外，相同的原理可用于抵消或减少提供动力的音圈固有的动生电动势产生的效果，简单地，可通过使用负增益(负增益必须小于-1)来抵消或减少提供动力的音圈固有的动生电动势产生的效果。如果需要尽可能快地打开或关闭阀门，或者如果对于低气压来说固有阻尼太大，使用负增益是有用的。
系统的电阻值可能不会精准地被获得，并且加热可能会改变电阻值。因此，除了动生电动势，其他来源可能也会引起电流误差或电压误差。基于上述理由，在放大信号之前，有必要使用高通滤波器来移除电流误差或电压误差中的直流成分和低频成分。根据系统噪音，可能需要或可能不需要额外的滤波来将电流误差或电压误差中的噪音移除，如果不移除，这些噪声可能会引起提供动力的音圈振荡。
图2阐述了音圈的电气模型2的一个示例。在电气模型2中，音圈可包括电阻(R)11，与电阻11串联的电感(L)12及电压源(em)13。电压源13被称为动生电动势(EMF)，由音圈在磁场内的运动产生。该图也阐述了设定电压(V)14及电流(i)10。电路等式可为：
V-em＝Ri+L(di/dt)
由于音圈的电感12，穿过音圈的电流10的任何变化将产生与电流10的变化相反的电压或电动势。这个效果不是由音圈在磁场内的运动引起的，而是完全地单独由电感12引起的效果。同样地，根据音圈马达的电性和磁性设计，电感12可能是恒定的或可能不是恒定的，电感12可能具有一定频率及线圈位置依赖。可变电感12也可能会影响电压13。为了可以区分由音圈的运动引起的电流(或电压)改变和其他效果引起的电流(或电压)改变，将两种改变分开是重要的。音圈的电阻11和电感12由音圈的形状限定，因此可特征化。因为音圈的电阻11和电感12是已知的或是可以估算的，在设定电压14改变时，可直接计算穿过音圈的估算电流。按照同样的方式，可以直接估算动生电动势13的改变对电流产生的效果，动生电动势13的改变由音圈在磁场内的运动产生。
如果稳定状态下音圈的电流是可以估算的，估算电流和测量电流之间的任何差异都与动生电动势13的改变有关(假设已经准确估算和测量电流)，动生电动势13的改变由音圈在磁场内的实际运动产生。之后放大估算电流和测量电流之间的差异以获得阻尼作用。
图2中的电气模型用于阐述使用设定电压时的原理。使用设定电流时可使用类似的阐述。在这种情况下，估算电压和测量电压之间的任何差异由动生电动势的改变引起。
图3阐述了系统3的原理图，用于阐述这里所揭露的用于稳定音圈的设备的某些特征和优点。
系统3包括音圈马达和用于稳定音圈的设备。音圈马达包括位于基本上呈径向分布的磁场内的可动音圈20，磁场由静止的永久磁铁21产生，静止的永久磁铁21与软铁部分22共同组成磁路。
该图仅描述了多种不同的产生磁路的方式中的一种。音圈马达的其他结构也是可行的，例如，将静止的永久磁铁21放置在可动音圈20的外围。另外的例子包括的结构中，可动音圈20和永久磁铁21的位置交换，或者轴包括可在音圈内移动的永久磁铁。基于揭露的内容，本领域的技术人员可以想到其他可产生磁路的结构和可用于系统3的音圈马达。
音圈通过软线30和传感器31电连接于控制单元32。根据上述结合图1和图2揭露的内容可知，传感器31可为电流传感器或电压传感器。如果传感器31为电流传感器，控制单元32产生可在音圈20中产生电流的设定电压。施加在音圈20上的作用力与穿过音圈20的电流近似成正比。此外，音圈20在磁场内的运动产生动生电动势(动生EMF)，动生电动势为音圈20两端的电压，该电压可在音圈20中产生电流，因此由电流产生的作用力的方向可能与运动方向相反。该作用力与音圈20在音圈马达的磁场内的运动速度成正比，因此动生电动势(动生EMF)可看做为粘滞阻尼。
方向与运动方向相反的作用力具有稳定作用(例如，阻尼)。
正常情况下，动生电动势产生的阻尼是不足以稳定阀门/音圈的，并且阻尼系数，例如阻尼强度，是不能进行调节的。
在阐述的实施例中，音圈20固定于音圈固定件23，相应地，音圈固定件23固定于轴24，轴24与阀门25接触，这将导致施加在音圈20上的任何作用力也将作用于阀门25上。通过在阀门上施加反方向作用力来平衡作用于阀门25上的任何作用力，反方向作用力由导气管27中的呼气末正压和阀门29的下游气压之间的气压差值产生。气压差值由压降引起，压降由穿过阀门25和阀门座26之间的开口的呼气气流28形成。
上面描述的所有例子中，当在音圈上施加电压或电流时，音圈或相关磁铁会产生运动，从而产生动生电动势。这里阐述的相同原理也可用于使用外力来引起音圈或相关磁铁运动的情形。这种运动可产生动生电动势，可通过上述例子揭露的方式进行测量。通过控制穿过同一音圈的信号来获得阻尼或稳定性，同一音圈即测量信号与产生的动生电动势的关系是所用的采用音圈。当控制信号穿过音圈时，可提供用于稳定音圈，例如音圈马达，的动力。音圈方向与测量动生电动势的方向相同。
尽管在这里本发明描述和解释了几种实施例，本领域的技术人员可以容易地想到大量其他的方法及/或结构以执行这里所描述的功能，及/或获得这里所描述的结果及一个或多个优点，并且每一种变化及/或修改都被认为是属于本发明的范围。更概括地说，本发明的技术人员容易理解这里所描述的所有参数、尺寸、材料及结构都是示范性的，实际的参数、尺寸、材料及/或结构依赖于使用本发明揭露的内容的专门应用或应用。同样地，除了上述描述的那些方法步骤，通过硬件执行本发明方法的不同的方法步骤可能也在本发明的范围内。除了那些已经描述的，本发明的不同特征和步骤可按照其他方式结合。本发明的范围仅由附属的权利要求限定。

Claims (17)

1.一种用于稳定音圈的设备，包括：
用于提供动力的音圈；
用于测量来自所述音圈的与动生电动势有关的信号的元件；
用于控制放大所述测量信号与所述音圈处于稳定状态下的估算或计算信号之间的差异产生的误差信号，以在所述音圈中产生所述动生电动势方向上的作用力的单元。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，通过测量穿过所述音圈的电流来获得所述测量信号。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，控制施加在所述音圈上的设定电压以控制所述误差信号的放大。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，感应电阻与所述音圈串联以测量电压，根据所述电压及所述感应电阻的电阻值计算穿过所述音圈的所述电流。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述误差信号为基于所述音圈处于所述稳定状态下的估算或计算电流与所述音圈或相关磁铁运动时测得的电流之间的差异产生的电流误差。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，通过改变施加在所述音圈上的设定电压来放大所述电流误差，从而改变穿过所述音圈的电流。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，通过测量所述音圈两端的电压来获得所述测量信号。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，控制施加在所述音圈上的设定电流以控制所述误差信号的放大。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述误差信号为基于所述音圈处于所述稳定状态下的所述音圈两端的测量或估算电压与所述音圈或相关磁铁运动时测得的电压之间的差异产生的电压误差。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，通过改变施加在所述音圈上的设定电流来放大所述电压误差，从而改变所述音圈两端的电压。
11.如权利要求1至10任意一项所述的设备，其特征在于，直接地或通过脉宽调制器控制所述误差信号的放大。
12.如权利要求1至10任意一项所述的设备，其特征在于，使用负增益来抵消或减少所述音圈固有的动生电动势产生的效果。
13.如权利要求1至10任意一项所述的设备，其特征在于，在放大所述误差信号前，使用高通滤波器来移除直流成分和低频成分。
14.如权利要求1至10任意一项所述的设备，其特征在于，设置所述音圈以驱动所述音圈马达。
15.一种稳定音圈的方法，包括：
测量与音圈产生的动生电动势有关的信号；
控制所述测量信号与所述音圈处于稳定状态下的估算或计算信号之间的差异产生的误差信号的放大，以在所述音圈中产生所述动生电动势方向上的作用力。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述误差信号为基于所述音圈处于所述稳定状态下的估算或计算电流与所述音圈或相关磁铁运动时的测量电流之间的差异产生的电流误差，或者所述信号为基于所述音圈处于所述稳定状态下的估算或计算电压与所述音圈或相关磁铁运动时的测量电压之间的差异产生的电压误差。
17.用于控制吸气阀或呼气阀的如权利要求1至14任意一项所述的设备的使用，或者用于控制吸气阀或呼气阀的如权利要求15至16任意一项所述的方法的使用。
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