便攜式設(shè)計(jì)

借助于工程技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療設(shè)備制造商持續(xù)在自己的產(chǎn)品組合當(dāng)中提供越來越多的便攜式設(shè)備。更小外形尺寸和更多便攜設(shè)備的好處是顯而易見的，因?yàn)檫@將可以讓醫(yī)療專業(yè)人士將更多先進(jìn)產(chǎn)品更快地投入患者可以獲益的地方;而這可能意味著生與死的區(qū)別。即使借助工程的進(jìn)步，對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員來說，將客戶設(shè)計(jì)要求放到相對較小的機(jī)器內(nèi)仍然是一項(xiàng)困難的挑戰(zhàn)。

對于減小尺寸的追求也擴(kuò)展到大型儀器上。根據(jù)派克漢尼汾公司對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備制造商和用戶的調(diào)查，組件小型化對于幫助他們滿足儀器占用更小實(shí)驗(yàn)室空間，使用更少試劑以及使用更小測試樣本這些需求來說至關(guān)重要。此外，調(diào)查受訪者還表示，這些因素對于降低儀器的購買成本也至關(guān)重要。

圖1  一個(gè)2線PWM設(shè)計(jì)

優(yōu)化泵的設(shè)計(jì)和選擇

尺寸的減小要求在子組件設(shè)計(jì)階段就要保證正確的設(shè)計(jì)，這也包括泵。優(yōu)化泵的設(shè)計(jì)和控制方式，可以促成更加緊湊的氣動(dòng)回路。這通常是通過平衡高流量和低流量運(yùn)行周期來實(shí)現(xiàn)，以便可以使用更小尺寸的泵。此外，通過讓泵在與需求相匹配的水平工作，可以實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，使用更小功率的泵以及尺寸更小的電池。而為了實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)，就需要主動(dòng)對泵的速度和流量進(jìn)行控制。

例如，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備通常要求廣泛的動(dòng)態(tài)氣體流量范圍，以便對工作空間環(huán)境進(jìn)行采樣。這些設(shè)備還必須盡可能可便攜，并且能夠在無需對電池重新充電的情況下運(yùn)行一整天。對單個(gè)氣動(dòng)泵進(jìn)行適當(dāng)動(dòng)態(tài)控制將可以讓這一切成為可能，而更高的效率意味著可以減小電池尺寸。

大多數(shù)生命科學(xué)和醫(yī)療器械與設(shè)備制造商都要求對泵所產(chǎn)生的氣體流量實(shí)現(xiàn)更多控制，以便實(shí)現(xiàn)更好的患者治療和更準(zhǔn)確的患者監(jiān)測。這種流量靈活性可通過大多數(shù)隔膜泵來實(shí)現(xiàn)。然而，成功的實(shí)施需要OEM工程師和泵供應(yīng)商應(yīng)用工程師緊密合作。

圖2  外部PWM的設(shè)置

速度控制方法與實(shí)施

速度控制通常用于所有類型的派克精密流體電機(jī)，包括：鐵芯永磁直流(PMDC)電機(jī)，無芯直流有刷電機(jī)，以及無刷直流(BLDC)電機(jī)。

有多種控制電機(jī)/泵速度的常用方法。雖然外部脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制是比較優(yōu)選的控制方法，但仍需要由OEMs根據(jù)其特定應(yīng)用確定最佳控制方式。下列描述提供了不同方法的概述。

輸入電壓(有刷或BLDC機(jī))

通過調(diào)節(jié)電壓可以成比例地改變電機(jī)的速度。例如，一臺(tái)12 Vdc泵的流量在電壓調(diào)節(jié)到6Vdc過程中會(huì)逐漸減小(取決于應(yīng)用)。

輸入電壓PWM(有刷或BLDC電機(jī))

與調(diào)節(jié)電壓類似，也可以通過減小有效電壓來降低電機(jī)速度。較低電壓是通過快速(通常為20 kHz)關(guān)斷固定輸入電壓來模擬。通/斷時(shí)間比率(占空比)將會(huì)決定施加到電機(jī)的有效電壓。

這種技術(shù)通常被稱為“2-線”PWM，是控制泵速度最簡單的方法之一。客戶設(shè)備的基本要求就是一個(gè)PWM信號，它經(jīng)常是從微控制器和功率晶體管發(fā)出。通過對電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行高頻接通和關(guān)斷，將會(huì)降低電機(jī)的平均功率。下圖顯示了一個(gè)“低壓側(cè)”PWM驅(qū)動(dòng)器的例子，其中電機(jī)接地由“客戶PCBA”進(jìn)行切換以降低電機(jī)速度。

對于有刷電機(jī)來說，2-線PWM是最常用的控制方法，并且也非常有效。對于無刷直流(BLDC)電機(jī)它也同樣有效，但的確也存在一些限制。許多BLDC電機(jī)具有內(nèi)部控制器，必須保持一個(gè)最低電壓以便正常運(yùn)行。在對輸入電壓施加PWM周期時(shí)，也會(huì)降低對于控制電子系統(tǒng)的有效電壓;這將會(huì)限制可用的速度控制范圍。在這種情況下，使用一個(gè)外部PWM控制系統(tǒng)可以提供更廣的范圍。

外部PWM(僅限于BLDC電機(jī))

電機(jī)前兩根導(dǎo)線上的輸入電壓是固定電壓，并且不會(huì)改變;速度是通過在第三根導(dǎo)線上施加一個(gè)PWM信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)低電流信號將會(huì)在外部以高頻(通過系統(tǒng)控制器)對地進(jìn)行開關(guān)。內(nèi)部BLDC電機(jī)控制器將會(huì)對該信號做出響應(yīng)，以便依照信號占空比成比例地降低速度。

在可能的情況下，這是控制BLDC隔膜泵速度的推薦方法。該方法將會(huì)對泵設(shè)備提供最動(dòng)態(tài)的控制，并且還可以在某些情況下簡化電路設(shè)計(jì)，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)低電流晶體管來開關(guān)信號。

大多數(shù)帶有PWM的隔膜泵要求在OEM設(shè)計(jì)的PCBA設(shè)備上提供一個(gè)“開漏”或“開路集電極”回路，以便提供PWM信號。BLDC電機(jī)擁有一個(gè)內(nèi)部正偏電阻，以便開漏或集電極開路電路可以主動(dòng)將該電壓接地，作為PWM信號的下沿部分。

0-5 Vdc模擬速度輸入(僅限于BLDC電機(jī))

在這種模式下，前兩條導(dǎo)線上的輸入電壓是固定的，并且不會(huì)改變;速度是使用施加到第三根導(dǎo)線的外部供電直流電壓加以調(diào)節(jié)。內(nèi)部BLDC電機(jī)控制器通過以線性比例對輸入電壓做出響應(yīng)來降低速度。例如，5 Vdc對應(yīng)于100%的速度，2.5 Vdc對應(yīng)于50%的速度，0 Vdc時(shí)電機(jī)將會(huì)關(guān)閉。

在某些應(yīng)用當(dāng)中，提供一個(gè)PWM信號可能不可行，或者不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的優(yōu)選方法。許多BLDC電機(jī)提供外部模擬直流信號輸入，在這種情況下，可以向電機(jī)提供一個(gè)直流電壓來運(yùn)行電機(jī)，但通過一個(gè)單獨(dú)的低電流的0-5 Vdc輸入信號來控制泵的速度。

實(shí)際控制電壓的范圍可能會(huì)因電機(jī)而異，但概念是相同的：0 Vdc電機(jī)不運(yùn)行，5Vdc代表全速運(yùn)行，而0-5 Vdc范圍內(nèi)的信號用于調(diào)節(jié)泵的速度。

速度監(jiān)測 – 轉(zhuǎn)速計(jì)

許多BLDC電機(jī)還可以輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)信號，以便所設(shè)計(jì)的設(shè)備可以監(jiān)測實(shí)際的泵速度。該信號是一個(gè)數(shù)字脈沖，可用于確定泵的速度。

如果應(yīng)用當(dāng)中需要泵以非常低的速度運(yùn)行，那么這種設(shè)計(jì)就非常有用;根據(jù)這一信息，設(shè)備控制器可以在泵開始失速的情況下提高速度。此外，它還可以提供額外的安全和/或診斷反饋，用以確定系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 控制輸入與速度

電機(jī)的速度控制信號可以降低或提高流速;但是，這不是一種直接線性的關(guān)系。因此，在固定的50%PWM信號下，泵速度將會(huì)降低，但不會(huì)精確地降低50%。此外，當(dāng)泵負(fù)載改變時(shí)，泵的速度也會(huì)改變，即使PWM信號是固定的。

最大電機(jī)速度可以通過泵配置或者應(yīng)用當(dāng)中的壓力/真空負(fù)載進(jìn)行降低。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速具有線性關(guān)系，當(dāng)需要更大轉(zhuǎn)矩來運(yùn)行泵的時(shí)候，電機(jī)將會(huì)減速。

電機(jī)失速

如果泵發(fā)生失速，泵電機(jī)可能會(huì)受損。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在該位置，并且電源繼續(xù)向電機(jī)供電時(shí)，熱量將會(huì)增加，并可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部控制器損壞。使用速度控制來降低速度時(shí)，電機(jī)失速會(huì)更可能發(fā)生，因此應(yīng)當(dāng)對此密切監(jiān)測。

建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在對泵供電時(shí)采用安全的電流限值或保險(xiǎn)絲。當(dāng)發(fā)生泵失速時(shí)，這將有助于防止對泵電機(jī)和系統(tǒng)造成損壞。

以較低速度重新啟動(dòng)

使用任何速度控制方法都會(huì)降低電機(jī)的有效功率。如果在重新啟動(dòng)的過程中減速，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將會(huì)下降。設(shè)計(jì)人員必須確保在速度降低時(shí)，泵在所有情況(比如壓力負(fù)荷和環(huán)境溫度)下都能夠重新啟動(dòng)。

建議頻率

在使用PWM速度控制方法時(shí)，推薦的頻率為20 kHz。低于20 kHz的頻率可能會(huì)造成蜂鳴聲，而使用更高頻率可能會(huì)由于晶體管的上升和下降時(shí)間而限制控制范圍，可能會(huì)由于開關(guān)頻率如此之快，一個(gè)低或高占空比信號被顯示為0%或100%，因?yàn)榫w管無法足夠快地進(jìn)行開關(guān)。此外，對于某些電機(jī)和控制回路來說，高于20 kHz的PWM頻率可能會(huì)使效率下降。

總結(jié)

如同許多工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域一樣，由于組件供應(yīng)商對于組件擁有固有的專長優(yōu)勢，而OEM工程師則必須將來自所有行業(yè)的組件加以集成，因而上述二者進(jìn)行緊密協(xié)作非常必要，這將會(huì)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生更好的結(jié)果。

在本案例當(dāng)中，這意味著通過優(yōu)化泵的選擇與控制，實(shí)現(xiàn)更小、更高效和便攜式的醫(yī)療與生命科學(xué)設(shè)備。此外，派克在電機(jī)與泵設(shè)計(jì)方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)有助于加速定制化和原型機(jī)生產(chǎn)，從而幫助減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。