CN116059484A - 一种通气设备及其电机控制系统、方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种通气设备及其电机控制系统、方法。对同一相电流的相关量采用多个不同的放大倍数进行放大处理，并输出放大后的采样电压，分别对多个采样电压进行模数转换，根据模数转换后的电压计算采样电流，得到多个采样电流，根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流。由于在计算有效采样电流的过程中，兼顾了大小电流对采样范围和采样精度的不同要求，可得到更准确的采样电流，使得电机控制电流能够准确检测和反馈，从而可使得涡轮准确调节呼吸回路中气体流速和压力，有效解决了通气设备在低速运行阶段容易产生气体流速控制不准或气体压力易抖动的问题。
Description
技术领域
本申请涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种通气设备及其电机控制系统的相电流采样方案。
背景技术
目前，在麻醉机、呼吸机中使用电控涡轮已经成为驱动气体的主要方式之一，电控涡轮多为一体化设计，由涡轮和无刷电机构成，其中无刷电机往往由FOC(Field OrientedControl，磁场定向控制系统)驱动技术或BLDC(brushless DC electric motor，无刷直流电机)技术来进行控制，可满足麻醉机、呼吸机对气体压力或流速在高精度、高动态响应方面的需求。
FOC驱动技术一般需要借助ADC电路采集无刷电机的相电流或母线电流，BLDC驱动技术一般需要借助ADC电路采集无刷电机的直流母线电流。以FOC驱动技术为例，相电流采样方案如图1所示，逆变电路输出的三相交流电U、V、W分别输出电机的三相绕组的输入端子，在逆变电路的两个桥臂的下桥臂各串联一个采样电阻，通过一个运放采集该采样电阻的压降，运放的输出端连接模数转换器ADC，ADC对运放输出的电压进行采样并转换为数字信号。运放输出的电压和相电流之间存在以下函数关系：
VO1＝Vavg+β1*R*I1
其中，VO1是运放输出的电压，Vavg是直流偏置电压，β1是运放的放大倍数，R是采样电阻，I1是相电流，根据上述关系式可计算出相电流。
一般而言，控制涡轮需要知道电流实际值以完成电流环的闭环控制，电流采样电路则不间断地把电流实际值转换成MCU能读懂的电平信号，告诉MCU电流实际值。MCU将实际值和设定值进行比较，根据比较结果调整PWM信号的占空比，通过PWM信号来控制电机的驱动电流。
电控涡轮应用在麻醉机和呼吸机中时，要求电机驱动电流的变化范围大，例如，无刷电机的运行电流的变化范围为-30～30A。在电机低速运行下，无刷电机的运行电流通常在几十毫安，在电机速度切换的瞬时阶段无刷电机的运行电流通常在几十安培。在采用传统的电机驱动方案时，发现呼吸机、麻醉机在低速运行阶段容易产生气体流速控制不准或气体压力易抖动的情况发生，进而给控制系统的设计带来困难。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是：对于电机驱动电流变化范围大的情况，如何提高电机相电流采样的准确性。
根据第一方面，一种实施例中提供一种电机控制系统，包括：
电机驱动电路，用于根据PWM控制信号输出三相交流电，所述电机驱动电路包括三个桥臂，每个桥臂用于输出一相电流至电机；
电流采样电路，所述电流采样电路包括至少两个第一采样单元，至少两个第一采样单元用于分别对电机驱动电路的至少两个桥臂的电流进行采样，或所述电流采样电路包括一用于对电机驱动电路的直流母线电流进行采样的第二采样单元，每个第一采样单元和第二采样单元分别至少输出两个不同放大倍数的采样电压；
控制器，用于输入每个采样单元输出的采样电压，分别对多个采样电压进行模数转换，根据模数转换后的电压计算采样电流，得到多个采样电流，根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流，并根据有效采样电流调整PWM控制信号。
根据第二方面，一种实施例中提供一种电机控制方法，用于通过电机驱动电路对电机的驱动电流进行调整，所述电机驱动电路包括三个桥臂，每个桥臂用于输出一相电流至电机；所述方法包括：
采集被测桥臂的相电流；
对由相电流转换的电压采用多个不同放大倍数进行放大处理，并输出放大后的采样电压；
分别对多个采样电压进行模数转换，根据模数转换后的电压计算采样电流，得到多个采样电流；
根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流；
根据有效采样电流调整PWM控制信号；
电机驱动电路根据PWM控制信号输出三相电流，以控制电机的转速。
根据第三方面，一种实施例中提供一种通气设备，其特征在于，包括：
气源接口，连接外部气源；
呼吸回路，将气源接口和患者的呼吸系统连通，以将气源提供的气体输入给患者，接收患者呼出的气体；
呼吸辅助装置，提供呼吸支持动力，以控制将气源提供的气体输出给患者，将患者呼出的气体收集重复利用或排到外部环境；所述呼吸辅助装置包括电机、涡轮和如权利要求1至11中任一项所述的电机控制系统，所述电机用于驱动涡轮工作，所述涡轮用于输入外部空气，输出具有预设压力和流速的空气至气源接口；
通气监测装置，检测患者的通气参数，并将通气参数传输给控制器，所述控制器还根据通气参数和用户设置的通气模式设定PWM控制信号。
本发明对于同一电流的采样数据，分别通过多个不同的放大倍数处理，输出多个采样结果，然后再根据电流的大小，对多个采样结果进行融合处理，相当于根据电流的大小来确定采样范围和采样精度，可以有效协调电流采样范围和采样精度的矛盾，既可以满足大电流情况下对采样范围的覆盖，也可以满足小电流情况下对电流的精细采样。从而可以满足呼吸机、麻醉机等通气设备中涡轮电机既需要大电流支持的高动态响应性能，又能满足通气设备在气流小流速下涡轮电机所需的小电流精细控制的需求。
附图说明
图1为本申请一种实施例中通气设备的基本结构示意图；
图2为涡轮电机电流采样的示意图；
图3为电机驱动电路的一种电流采样方案的示意图图；
图4为ADC数字采样示意图；
图5为一种实施例中对一个桥臂的相电流进行采样的示意图；
图6为一种实施例中控制器的处理流程图；
图7为不同电流阶段的采样值的示意图；
图8为本申请一种实施例中区分大小电流的ADC数字采样示意图；
图9为通过采样电阻对两个桥臂的相电流进行采样的电路图；
图10为通过霍尔传感器对两个桥臂的相电流进行采样的电路图；
图11为对电机驱动电路的直流母线电流进行采样的电路图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
人的呼吸是指周期节律性地吸入和呼出气体，吸收氧气排出二氧化碳，从而实现气体交换。一次呼气和一次吸气组成一个呼吸周期。人的自主呼吸从微观层面来看，呼吸表现为肺泡周期节律性地膨胀和回缩，而引起肺泡膨胀和回缩的直接驱动力是肺泡内外的压力差。当人体不能自主呼吸时，就需要通过通气设备(例如呼吸机、麻醉机)辅助建立呼吸周期。通气设备通过电机驱动涡轮、涡轮将不同压缩比的空气送入呼吸回路，从而形成呼气阶段和吸气阶段，建立呼吸周期。
以呼吸机为例，通气设备的基本结构如图1所示，呼吸机1包括气源接口10、呼吸辅助装置11、患者接口12、呼吸回路13和传感器(图中未示出)。如图2所示，呼吸辅助装置11包括电机110、涡轮111和电机控制系统112。电机控制系统112包括电机驱动电路112a、电流采样电路112b和控制器112c。
气源接口10用于与气源连接，气源用以提供气体。该气体通常可采用氧气、和空气等。一些实施例中，该气源可以采用压缩气瓶或中心供气源，通过气源接口10为呼吸机供气，供气种类有氧气、空气等。氧气通过氧气输出装置14提供，空气通过呼吸辅助装置中的涡轮提供。对于麻醉机，通过气源接口10还可以输入笑气，对患者进行麻醉。本实施例中，空气通过涡轮提供。气源接口10中可以包括压力表、压力调节器、流量计、减压阀和气体比例调控保护装置等常规组件，分别用于控制各种气体(例如氧气、笑气和空气)的流量。气源接口10输入的气体进入呼吸回路13中，和呼吸回路13中原有的气体组成混合气体。
患者接口12可以是面罩、鼻插管或气管插管。
呼吸回路13包括吸气支路13a和呼气支路13b和钠石灰罐13c，吸气支路13a和呼气支路13b连通构成一闭合回路，钠石灰罐13c设置在呼气支路13b的管路上。气源接口10引入的新鲜空气的混合气体由吸气支路13a的入口输入，通过设置在吸气支路13a的出口处的患者接口12提供给患者20。在较佳的实施例中，吸气支路13a上设置有单向阀，该单向阀在吸气相时打开，在呼气相时关闭。呼气支路13b也上设置有单向阀，该单向阀在吸气相时关闭，在呼气相时打开。呼气支路13b的入口和患者接口12连通，当患者呼气时，呼出的气体经呼气支路13b进入钠石灰罐13c中，呼出的气体中的二氧化碳被钠石灰罐13c中的物质滤除，滤除二氧化碳后的气体再循环进入吸气支路13a中。在有的实施例中，也可以没有钠石灰罐13c，呼出的气体通过可控阀排到外部环境。
传感器设置在患者接口12处或者设置在呼吸回路13中，用于检测呼吸回路13中气体参数，例如，传感器包括流量传感器和/或压力传感器，分别用于检测气体流量和/或管路中的压力。传感器检测的参数值通过传感器接口传送给控制器112c。
呼吸辅助装置11用于为患者的非自主呼吸提供动力，维持气道通畅，即将气源接口10输入的气体和呼吸回路13中的混合气体驱动到患者的呼吸系统，并将患者呼出的气体引流到呼吸回路13中，从而改善通气和氧合，防止患者机体缺氧和二氧化碳在患者体内蓄积。请参考图2，在本发明的具体实施例中，呼吸辅助装置11包括电机110、涡轮111和电机控制系统112，电机控制系统112包括电机驱动电路112a、电流采样电路112b和控制器112c。
电机110和涡轮111一般为一体化设计，由涡轮和无刷电机构成，称为电控涡轮。电机110用于驱动涡轮111工作，涡轮111用于输入外部空气，将具有一定压力和流速的空气吹入气源接口10中。吹入的空气和输入的氧气混合，在呼吸回路的管道的限制下以一定的压力和流速提供给患者。当需要协助患者吸气时，电机110和涡轮111需要将较大压力和流速的空气输入到吸气回路13a中，当需要协助患者呼气时，电机110和涡轮111需要将较小压力和流速的空气输入到呼气回路13b中，从而在患者接口12处形成压力差，使患者在机器的协助下建立呼吸周期。
电机驱动电路112a用于根据PWM控制信号输出三相交流电，如图3所示，电机驱动电路包括三个桥臂U、V和W，每个桥臂用于输出一相电流至电机110，电机110根据不同的电流提供不同的转速。电流采样电路112b用于采集相电流，并将采集的结果传送给控制器112c，控制器112c根据采集的相电流调节PWM控制信号的占空比。例如，在一种实施例中，控制器112c将采集的相电流和预设的相电流进行比较，根据比较结果调节PWM控制信号的占空比。在另一种实施例中，控制器112c还根据传感器14检测的呼吸回路中的气体流量、压力和/或温度调节PWM控制信号的占空比。控制器112c将PWM控制信号输出给电机驱动电路112a，电机驱动电路112a根据PWM控制信号的占空比改变电流，使电流符合要求。
由于呼吸周期内吸气阶段和呼气阶段的频繁变换，要求电机110和涡轮111也频繁变速地切换工作状态，电机的驱动电流也不断变化。在处于吸气阶段和呼气阶段时，电机的驱动电流通常是5～6A，在吸气阶段和呼气阶段切换时，电机需要快速变换转速，电机的驱动电流通常达到几十安培。有些情况下，还要求呼吸机提供低速氧疗模式，当涡轮电机运行在低速氧疗阶段时，电机的驱动电流通常是几十毫安。驱动电流会影响到呼吸回路中的气体流量和流速，为满足临床上通气设备对气体流量和流速的高精度、高动态响应的要求，需要对驱动电流进行精确控制。实际应用中，通过采样电机的相电流形成负反馈来形成对电机驱动电流的闭环控制。
电流采样电路112b用于采集电机的相电流，并将采集的模拟量传输给控制器112c，控制器112c对采集的模拟量通过模数转换模块ADC进行模数转换，转换成数字信号，以供后续的计算模块进行处理。根据功能，控制器112c包括模数转换模块和计算模块，模数转换模块包括多个模数转换器，每个模数转换器作为控制器的一个ADC接口输入电流采样电路输出的一个采样电压，对采样电压进行数字采样后转换为数字电压值输出给计算模块，计算模块根据数字电压信号计算采样电流，并根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流，根据有效采样电流调整PWM控制信号的占空比。
另外，控制器112c也可以用于执行指令或程序，对呼吸辅助装置11、气源接口10和/或呼吸回路中的各种控制阀进行控制，或对接收的数据进行处理，生成所需要的计算或判断结果，或者生成可视化数据或图形，并将可视化数据或图形输出给显示器进行显示。
存储器15可以用于存储数据或者程序，例如用于存储各传感器所采集的数据、处理器经计算所生成的数据或处理器所生成的图像帧，该图像帧可以是2D或3D图像，或者存储器15可以存储图形用户界面、一个或多个默认图像显示设置、用于处理器的编程指令。存储器15可以是有形且非暂态的计算机可读介质，例如闪存、RAM、ROM、EEPROM等。
如图3所示是涡轮电机相电流采样的一种电路示意图，电机驱动电路包括三个桥臂U、V、W，每个桥臂从其中间节点输出一相电流至电机M，电流采样电路包括采样电阻R1和采样电阻R2，运放电路采集采样电阻两端的电压作为输入，如图3中仅示出运放电路采集采样电阻R2两端电压的示意，运放电路对采集的电压经过预设放大倍数的放大，放大后的电压被输入到控制器MCU的ADC接口进行模数转换，转换成MCU能读懂的电平信号，然MCU根据电平信号进一步计算出电流的实际值。
由于涡轮电机的驱动电流变化范围大，如上所述，可能从几十毫安到几十安培的范围，因此要求电流采样电路的采样范围也较大，例如要求采样范围为-30～30A，以保证对各种电流的采集。
在临床上，呼吸机、麻醉机在低速阶段存在气体流速或压力易抖动的现象，进一步研究发现该现象和低速阶段电流采样不准有关。具体分析如下：
若电机相电流变化范围为-30～30A，数字采样的ADC为12bit，则理论上ADC的分辨率为0.0146A/1；由于噪声干扰等因素，ADC都会存在位数损失的情况，假设损失1～2bit，则ADC的分辨率将变成0.0293A/1～0.0586A/1。假设呼吸机运行在低速氧疗阶段，则最小相电流将维持在几十毫安左右，然而0.0293A/1～0.0586A/1的ADC分辨率却无法保证采集到准确的电流值。如图4所示，以分辨率为0.0586A/1为例，即每一个采样单位代表0.0586A，当相电流为正弦形时，ADC采样得到的曲线为离散的台阶曲线。当电流足够大时，离散的台阶曲线可以接近真实值的曲线。而当电流变小时，ADC的采样值已不能真实的反映真实值了。如对于100mA和60mA，对分辨率为0.0586A/1而言，在图4的采样方式中获得的ADC的采样值都是1。
从另一方面分析，由于运放的输出电压Vo存在一定的限幅，通常是3.3V，理想的ADC的分辨率是12bit，即1024，ADC认知Vo是把电压按3.3V/1024格＝0.0032265V/格进行划分，然后按照格数计算输出电压。即，采样精度是0.0032265V/格。如1V，在ADC中认知方式＝310格(只取整数位)，内部计算V＝310格·0.0032265V/格＝1.0002V，即1V的模拟电压经ADC采样后计算值是1.0002V。
实际应用中，ADC都存在一定的位数损失，例如分辨率降为7-8bit，以8bit(即256)为例，采样精度＝3.3V/256格＝0.01289V/格。按照格数计算电压。
如Vo＝1V时，在ADC中认知方式＝1/0.01289＝77格(小数约去，只保留整数位)，ADC内部计算Vo＝77格·0.01289V/格＝0.9925V。
如Vo＝1.005V，在ADC内部认知方式＝1.0005/0.01289＝77格(只保留整数)，ADC内部计算Vo＝77格·0.01289V/格＝0.9925V。
可见，ADC对于1V与1.005V分辨不出来。
因此，对于分辨率一定(例如1格＝0.01289V＝12.89mV)的ADC，若电压变动小于12.89mV，则ADC系统无法分辨出来。即，对于小电流(例如，-1A～1A)ADC系统无法分辨出来。
理论上可以通过提高运放的放大倍数、减小采样范围来提高小电流的采样精度，但由于运放存在输出电压的限幅的制约，当采样大的相电流时，输出电压将被限幅，导致检测不准确。从而使采样电路面临采样精度和采样范围难以取舍的矛盾。
为解决上述矛盾，本发明的构思是，对于同一相电流，采用两个支路同时采集该相电流相关量，相电流相关量可以是相电流本身，也可以是直流母线电流，将相电流相关量转换为电压，并分别通过两个不同放大倍数的运放输出两个输出电压，两个输出电压分别输入控制器的两个ADC接口进行数字采样，控制器根据数字采样值计算采样电流，根据计算出的采样电流对两路运放采集的采样电流进行融合处理，确定出有效采样电流，根据有效采样电流调整PWM控制信号。
根据上述构思，本发明的一种实施例中，在对某一相电流进行采样时，采样单元至少输出两个不同放大倍数的采样电压，如图5所示为对一个桥臂的相电流进行采样的示意图，第一采样单元包括第一采样电阻R、第一运放A和第二运放B，第一采样电阻R串联在被测桥臂的下桥臂，第一运放A和第二运放B通过电压跟随器分别采集第一采样电阻R两端的电压作为输入电压，并对输入电压进行放大后输出采样电压至控制器。在有的实施例中，第一运放A和第二运放B也可以直接采集第一采样电阻R两端的电压作为输入电压。第一运放A的放大倍数是β1,第二运放B的放大倍数是β2,β1＜β2。第一运放A的输出电压VO1和第二运放B的输出电压VO2与电流的关系式为：
VO1＝Vavg+β1*R*I1 (1)
VO2＝Vavg+β2*R*I1 (2)
其中Vavg是为了能够采集负电流而人为配置的直流偏置电压，一般取为运放电源电压的1/2，β1是第一运放A的放大倍数，β2是第二运放B的放大倍数，R是采样电阻的阻值，预先设定，I1是第一相电流的采样电流。
第一运放A的输出电压VO1和第二运放B的输出电压VO2分别输入控制器的两个ADC接口，两个ADC分别对两个电压VO1和VO2进行模数转换，控制器的计算模块根据模数转换后的电压通过上述公式计算采样电流，得到两个采样电流，根据采样电流的大小对两个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流。
一种实施例中，控制器的处理流程如图6所示，包括以下步骤：
步骤210，输入模拟采样电压。控制器的每个ADC接口输入一个运放输出的采样电压。
步骤220，每个ADC接口对输入的采样电压进行数字采样，将模拟采样电压转换为数字电压信号。
步骤230，根据数字电压信号计算采样电流。根据公式(1)和公式(2)计算采样电流值，得到多个采样电流值。
步骤240，将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较。由于计算出的有多个采样电流，在比较时，可以是将多个采样电流分别和预设的电流阈值进行比较，也可以先计算出多个采样电流的平均值，将平均值和预设的电流阈值进行比较，区分出不同电流阶段的采样值，不同电流阶段的采样值如图7所示。电流阈值可以是一个数值，也可以是一个范围，如果电流阈值是一个范围，按照以下步骤执行。
步骤250,当采样电流大于阈值上限时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。本实施例中，例如，当采样电流属于大电流(例如大于1A)的情况下，只使用第一运放A的输出电压，将通过第一运放A的输出电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
步骤260,当采样电流小于阈值下限时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。本实施例中，例如，当采样电流属于小电流(例如小于0.9A)的情况下，只使用第二运放B的输出电压，将通过第二运放B的输出电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
步骤270,当采样电流位于阈值上限和阈值下限之间时，采用多个采样电流的加权和为有效采样电流。本实施例中，例如，当采样电流位于大小电流的过渡阶段(例如电流在0.9A-1A之间)的情况下，利用预设的算法同时使用运放A和运放B的ADc值，以避免在切换时电流采样值出现较大波动。
步骤270中预设的算法包含但不限于：
1)加权求和：运放A和运放B同时采样，按照电流大小更改二者权重，求和后作为有效采样电流值；电流越大，运放A权重ρA越大，最大时为1.0，电流越小，运放A权重ρA越小，最小时为0；其中
运放A权重ρA和运放B权重ρB满足
ρB＝1-ρA
最后对电流采样值加权求和
I＝IAρA+IBρB
2)Kalman滤波法：将运放A和运放B的电流采样值Zk+1,1和Zk+1,2作为输入，利用Kalman滤波器对采样值进行数据融合，输出参考电流值xk+1|k+1
其中，方差矩阵v和R可通过测量或指定某个较大的值代入运算。运放A和B的测量值分别为Zk+1,1和Zk+1,2，用矢量形式表示为
电流在k+1时刻的真实值为xk+1，其与测量值的关系为
Zk+1,i＝xk+1+vk+1,i
采用步骤250-270的处理过程，相当于可根据电流的大小改变采样精度，如图8所示，上图是针对大电流的采样情况，相电流大时采样“1”所对应的值也大，例如是0.0586A，相电流小时采样“1”所对应的值也小，例如是0.002A，从而都能使得实际采样电流曲线比较真实地反映实际的电流曲线。在大电流情况下，使用运放A的输出值，采样范围为-30～30A，ADC的有效分辨率为0.0586A。在小电流情况下，使用运放B的输出值，采样范围为-1～1A，这样ADC的有效分辨率降到了0.002A，那么100mA对应的ADC采样值为50，60mA对应的ADC采样值为30，从而可以将小电流分辨开来。
下面采用具体的值对本发明的方案进行分析。
假设采样电阻R＝0.02Ω,β1＝2.75,β2＝82.5，Vavg＝1.65V。
运放A和运放B的输出电压同时分别输入到控制器的两个ADC接口，由于ADC内部是根据格数计算输入电压的采样值，具有一定的分辨率，例如ADC受限于分辨率对1V和1.005V的电压不能分辨，即其电压分辨率是ΔV＝0.005V，根据运放的公式，可计算出针对运放A和运放BΔV＝0.005V所对应的电流：
运放A：
0.02·ΔI·2.75＝0.005V
ΔI＝0.0909A＝90.9mA
运放B：
0.02·ΔI·82.5＝0.005V
ΔI＝0.003A＝3mA
由此可知运放A系统对90.9mA的电流变化值不能分辨，而运放B系统仅对3mA以下电流变化不能分辨，即当运放结合ADC系统作为一个整体一起考虑时，运放的放大倍数越大，整体电流分辨率越高，可分辨的变化电流也越小。当相电流很小时，需要能够分辨出更小变化的电流，理论上为了分辨更小变化的电流，可以全部采用运放B的输出电压，但另一方面，放大倍数越大，越容易受到限幅，例如：
①当相电流I＝1A时，运放A和运放B的输入电压Vin＝R·I＝0.02V，运放A和运放B的输出电压分别为：
VOA＝1.65+2.75·0.02＝1.705V
VOB＝1.65+82.5·0.02＝1.65+1.65＝3.3V
运放B达到测量范围上限。
②当相电流I＝-1A时，运放A和运放B的输入电压Vin＝-0.02V，运放A和运放B的输出电压分别为：
VOA＝1.65-2.75·0.02＝1.595V
VOB＝1.65-82.5·0.02＝0V
③当相电流I＝1.5A时，Vin＝R·I＝0.02·1.5＝0.03V，运放A和运放B的输出电压分别为：
VOA＝1.65+2.75·0.03＝1.7325V
VOB＝1.65+82.5·0.03＝4.125，
运放B的输出电压超过了3.3V，因此实际输出电压被限幅到3.3V，此时运放B已经不能有效测量电流，即当电流大于1A就会超出了运放B的测量范围。
④当相电流I＝30A时，Vin＝R·I＝30·0.02＝0.6V，运放A和运放B的输出电压分别为：
VOA＝1.65+2.75·0.6＝3.3V，运放A达到测量范围上限。
VOB被限幅为3.3V，运放B不能测量电流。
即当电流超过30A时，运放A和运放B都无法测量。
⑤当相电流I＝40A，Vin＝R·I＝40·0.02＝0.8V，运放A和运放B的输出电压分别为：
VOA＝1.65+2.75·0.8＝3.85V，大于3.3V，被限幅到3.3V，
VOB＝1.65+82.5·0.8＝67.65，大于3.3V，被限幅到3.3V，
同时超出了运放A和运放B的测量范围。
由以上分析可知，本发明实施例对于同一相电流采用输出多个采样结果的方式，然后再根据电流的大小，对多个采样结果进行融合处理，可以有效协调电流采样范围和采样精度的矛盾，既可以满足大电流情况下对采样范围的覆盖，也可以满足小电流情况下对电流的精细采样。如此，就满足了呼吸机、麻醉机既需要大电流支持的涡轮高动态响应性能，又满足了其需要在小流速下精细的调节所需的小电流精细控制的需求，使得电机控制电流能够准确检测和反馈，从而可使得涡轮准确调节呼吸回路中气体流速和压力，有效解决了通气设备在低速运行阶段容易产生气体流速控制不准或气体压力易抖动的问题。
实际应用中，电流采样电路对至少两个桥臂的相电流进行采样，如图9所示，图9中示出对两个桥臂的相电流进行采样，在U相和V相的下桥臂各串联一个采样电阻R1、R2，采样电阻两端电压差分信号经过一个电压跟随器后，分别送入运放A和运放B。运放A采样范围大，放大倍数小，主要针对大电流阶段；运放B采样范围小，放大倍数大，主要针对小电流阶段。桥臂U和V各有一个采样电阻、运放A和运放B，图9中为了简洁，只画出了U相对应的采样电路拓扑。如图9所示，电流采样电路包括至少两个第一采样单元，每个第一采样单元包括第一采样电阻R1、第一运放A和第二运放B，第一采样电阻R1串联在被测桥臂的下桥臂，第一运放A和第二运放B分别采集第一采样电阻R1两端的电压作为输入电压，第一运放A的放大倍数是β1,第二运放B的放大倍数是β2,β1＜β2。第一运放A和第二运放B对输入电压进行放大后将输出电压分别输入到控制器中模数转换模块的两个ADC接口，控制器的计算模块根据ADC采样值采用以下公式计算采样电流：
Vo＝Vavg+β*A*I,
其中，Vo是采样电压的数字电压值，Vavg是预设的直流偏置电压，例如，Vavg可取值为1.65V，β是放大倍数，A是设定值，本实施例中，A等于采样电阻的阻值，I是采样电流。
采样电阻上通过电流所产生的两端电压差信号十分微弱，为了避免负载变化和两个运放间干扰引起采样误差，在采样电阻与运放之间放置了电压跟随器。对于需要精确控制电流的场合，该电压跟随器是不可或缺的；但对于一般应用场合，为降低成本，该电压跟随器也可省略。
计算模块还将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较，当采样电流要求大采样范围时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流要求小采样范围时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
当计算出两个桥臂的采样电流后，根据三相电流之和为零可计算出第三个桥臂的电流。
在另外的实施例中，也可以对三个桥臂都采用双运放的电流采样电路方式得到三个桥臂的相电流。
在计算出三相的采样电流后，可根据采样电流调整PWM控制信号的占空比，电机驱动电路根据PWM控制信号输出三相电流，以控制电机的转速，从而实现相电流的闭环控制。
在图10所示的实施例中，电流采样电路通过双霍尔传感器的方式采集相电流，即在U和V相上分别串联2个基于Hall效应的电流传感器，每个电流传感器后串联一个运放。其中传感器A采样范围大，传感器B采样范围小；运放A放大倍数小，运放B放大倍数大。U相和V相具有相同的采样硬件电路，图10中为了简洁，只画出了U相对应的采样电路拓扑。如图10所示，电流采样电路包括两个第一采样单元，每个第一采样单元第一霍尔传感器S1和第二霍尔传感器S2，第一霍尔传感器S1和第二霍尔传感器S2串联在被测桥臂的中间节点和电机M之间，第一霍尔传感器S1的电压输出端连接第一运放A，第二霍尔传感器S2的电压输出端连接第二运放B，第一运放A的放大倍数是β1,第二运放B的放大倍数是β2,β1＜β2。第一运放A和第二运放B的输出电压分别输入到控制器中模数转换模块的两个ADC接口，控制器的计算模块根据ADC采样值采用以下公式计算采样电流：
Vo＝Vavg+β*A*I,
其中，Vo是采样电压的数字电压值，Vavg是预设的直流偏置电压，β是放大倍数，A是设定值，本实施例中，A＝1，I是采样电流。
计算模块还将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较，当采样电流要求大采样范围时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流要求小采样范围时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
在有的实施例中，电流采样电路采集电机驱动电路的直流母线电流，如图11所示，电机由BLDC驱动技术控制，在直流母线上串联一个采样电阻，采样电阻两端电压差分信号经过一个电压跟随器后，利用双运放结构对该电阻两端电压差进行差分放大以采集母线电流。图11中，运放A采样范围大，放大倍数小，主要针对大电流阶段；运放B采样范围小，放大倍数大，主要针对小电流阶段。如图11所示，电流采样电路包括第二采样单元，第二采样单元包括第二采样电阻R3、第一运放A和第二运放B，第二采样电阻R3串联在电机驱动电路的直流母线上，第一运放A和第二运放B分别采集第二采样电阻R3两端的电压作为输入电压，第一运放A的放大倍数是β1,第二运放B的放大倍数是β2,β1＜β2。第一运放A和第二运放B对输入电压进行放大后将输出电压分别输入到控制器中模数转换模块的两个ADC接口，控制器根据第一运放A和第二运放B的输出电压计算采样电流的过程和图9所示的实施例相同，在得到采样电流后，由于该采样电流是直流母线上的电流，还需要进一步计算出三相的相电流，相电流的计算方法可采用现有的技术方法，例如电流重构法，此处不再赘述。
在有的实施例中，双运放方式也可以变换为更多个运放的方式，只要各运放的放大倍数不同即可，对各运放输出的电压进行AD采样，然后根据AD采样值计算出采样电流，将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较，当采样电流要求大采样范围时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流要求小采样范围时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
上述电机控制系统可应用于呼吸机、麻醉机等通气设备中，在呼吸机\麻醉机上，还需要采用各类传感器检测呼吸回路中的气体特征，获取气流的实时的通气参数，并将检测的通气参数传输给控制器，控制器根据融合处理确定出的有效采样电流、通气参数和用户设置的通气模式设定PWM控制信号。
当上述电机控制系统应用于呼吸机、麻醉机等通气设备中时，控制器也可以不进行有效采样电流的确定，而是根据实际检测的通气参数和用户设置的通气模式来设定PWM控制信号。例如根据用户设置的通气模式可知预设的通气参数，将实际检测的通气参数和预设的通气参数进行比较，可知在目前检测的相电流的基础上是应该增加相电流还是减小相电流。
以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请技术方案，并不用以限制本申请。对于所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (14)
1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：
电机驱动电路，用于根据PWM控制信号输出三相交流电，所述电机驱动电路包括三个桥臂，每个桥臂用于输出一相电流至电机；
电流采样电路，所述电流采样电路包括至少两个第一采样单元，至少两个第一采样单元用于分别对电机驱动电路的至少两个桥臂的电流进行采样，或所述电流采样电路包括一用于对电机驱动电路的直流母线电流进行采样的第二采样单元，每个第一采样单元和第二采样单元分别至少输出两个不同放大倍数的采样电压；
控制器，用于输入每个采样单元输出的采样电压，分别对多个采样电压进行模数转换，根据模数转换后的电压计算采样电流，得到多个采样电流，根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流，并根据有效采样电流调整PWM控制信号。
2.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述第一采样单元包括：
第一采样电阻，其串联在被测桥臂的下桥臂；
第一运放和第二运放，所述第一运放和第二运放分别采集第一采样电阻两端的电压作为输入电压，并对输入电压进行放大后输出采样电压至控制器，所述第一运放的放大倍数小于第二运放的放大倍数。
3.如权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于，所述第一采样单元还包括第一电压跟随器，所述第一电压跟随器的两个输入端分别连接第一采样电阻的两端，输出端分别连接第一运放和第二运放的输入端。
4.如权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于，所述第二运放的放大倍数是第一运放的放大倍数的N倍，N等于期望的大电流采样范围和小电流采样范围之间的倍数。
5.如权利要求4所述的电机控制系统，其特征在于，N大于或等于10且小于或等于50。
6.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述第一采样单元包括第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器串联在被测桥臂的中间节点和电机之间，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器分别将输入的电流转换成电压并进行预设倍数的放大后输出采样电压至控制器，所述第一霍尔传感器的放大倍数小于第二霍尔传感器的放大倍数。
7.如权利要求6所述的电机控制系统，其特征在于，所述第一霍尔传感器的放大倍数等于第二霍尔传感器的放大倍数的N倍，N等于期望的大电流采样范围和小电流采样范围之间的倍数。
8.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，第二采样单元包括：
第二采样电阻，其串联在电机驱动电路的直流母线上；
第三运放和第四运放，所述第三运放和第四运放分别采集第二采样电阻两端的电压作为输入电压，并对输入电压进行放大后输出采样电压至控制器，所述第三运放的放大倍数小于第四运放的放大倍数。
9.如权利要求8所述的电机控制系统，其特征在于，第二采样单元还包括第二电压跟随器，所述第二电压跟随器的两个输入端分别连接第二采样电阻的两端，输出端分别连接第三运放和第四运放的输入端。
10.如权利要求1-9中任一项所述的电机控制系统，其特征在于，所述控制器包括模数转换模块和计算模块，所述模数转换模块包括多个模数转换器，每个模数转换器输入电流采样电路输出的一个采样电压，对采样电压进行数字采样后转换为数字电压值输出给计算模块，所述计算模块根据数字电压信号采用以下公式计算采样电流：
Vo＝Vavg+β*A*I,
其中，Vo是采样电压的数字电压值，Vavg是预设的直流偏置电压，β是放大倍数，A是设定值，I是采样电流；
所述计算模块还将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较，当采样电流要求大采样范围时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流要求小采样范围时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流。
11.如权利要求10所述的电机控制系统，其特征在于，所述计算模块还将计算出的采样电流和预设的电流阈值进行比较，当采样电流大于阈值上限时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流小于阈值下限时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流，当采样电流位于阈值上限和阈值下限之间时，采用多个采样电流的加权和为有效采样电流。
12.一种电机控制方法，用于通过电机驱动电路对电机的驱动电流进行调整，所述电机驱动电路包括三个桥臂，每个桥臂用于输出一相电流至电机；其特征在于，所述方法包括：
采集被测桥臂的相电流相关量；
对由相电流相关量转换的电压采用多个不同放大倍数进行放大处理，并输出放大后的采样电压；
分别对多个采样电压进行模数转换，根据模数转换后的电压计算采样电流，得到多个采样电流；
根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流；
根据有效采样电流调整PWM控制信号；
电机驱动电路根据PWM控制信号输出三相电流，以控制电机的转速。
13.如权利要求12所述的电机控制方法，其特征在于，根据采样电流的大小对多个采样电流进行融合，确定出一个有效采样电流包括：
将计算出的多个采样电流分别和预设的电流阈值进行比较；
当采样电流大于阈值上限时，采用由放大倍数较小的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流；
当采样电流小于阈值下限时，采用由放大倍数较大的支路输出的采样电压计算所得的采样电流为有效采样电流；
当采样电流位于阈值上限和阈值下限之间时，采用多个采样电流的加权和为有效采样电流。
14.一种通气设备，其特征在于，包括：
气源接口，连接外部气源；
呼吸回路，将气源接口和患者的呼吸系统连通，以将气源提供的气体输入给患者，接收患者呼出的气体；
呼吸辅助装置，提供呼吸支持动力，以控制将气源提供的气体输出给患者，将患者呼出的气体收集重复利用或排到外部环境；所述呼吸辅助装置包括电机、涡轮和如权利要求1至11中任一项所述的电机控制系统，所述电机用于驱动涡轮工作，所述涡轮用于输入外部空气，输出具有预设压力和流速的空气至气源接口；
通气监测装置，检测患者的通气参数，并将通气参数传输给控制器，所述控制器还根据通气参数和用户设置的通气模式设定PWM控制信号。
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