呼吸机电路气路设计与风机控制方案研究

发布时间：2020-04-15 13:53

【摘要】：飞行员罹患阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(Obstructive Sleep Apnea Syndrome,OSAS)会严重影响飞行操作能力,对航空安全造成威胁。呼吸机能够有效完成OSAS的监测、预防与治疗任务。目前国内呼吸机,尤其是高端智能呼吸机的研发工作尚处于起步阶段。本文基于呼吸机研发项目,为智能呼吸机的实现设计了一种控制电路与气路结构,并提供了一种无位置传感器的风机控制方案。以功能要求为导向,以功能模块为单位,综合安全性、电磁兼容性、散热性、可测试性与成本等因素,设计了以STM32F405为核心的呼吸机控制电路。提出了包括参数测量气路、医疗波纹管和面罩在内的完整气路设计方案。在参数测量模块,采用压差传感器配合多孔节流装置代替一体式流量传感器对气路参数进行测量。通过有限元数值模拟验证了参数测量气路设计的合理性并通过实验标定出压差与流量转换公式。该设计结构简单,原理正确。针对呼吸机应用环境提出了风机的选型方案,采用基于Luenberger观测器的磁场定向控制伺服调速模型对选定风机进行控制研究,并通过Simulink仿真获得了PID先验参数。在设计的电路中完成了风机控制程序的实现,采用开环启动方法实现了电机无位置传感器自启动,克服了Luenberger观测器在低速环境下不可靠的缺陷。实验结果表明,呼吸机控制电路电气连通性完好,电源设计合理,外设驱动成功,能够长时间稳定工作;节流气路流量测量结果符合预期设计,能够满足测量精度;风机控制方案具有压力调节速度快,稳定风压波动小的特点,能够满足风机控制的工程指标。
【图文】：

第二章 呼吸机控制电路设计呼吸机控制电路是呼吸机工作的大脑，不仅负责处理各类人机交互信息，监控机体运行状态，而且是驱动电机工作、运行呼吸机核心算法的硬件基础。一个设计良好的控制电路是实现呼吸机功能与性能需求的前提。2.1 控制电路功能模块分解及其交互根据呼吸机的功能需求，本文将呼吸控制电路划分为七大模块，并绘制了如图 2-1所示的功能模块分解图。七大模块包括电源模块、中央处理模块、人机交互模块、传感模块、电机接口模块、故障告警模块和通讯模块。每个模块之间相互影响，共同作用，使呼吸机工作在安全、高效、稳定的状态。

图 2-2 电路系统结构整体框图2.2 控制电路详细设计上节介绍了控制电路功能模块的划分，本节将详细介绍各功能模块的具体实现。实现过程以设计需求为指标，综合考量了安全性、电磁兼容性、散热性、可测试性与成本等因素。2.2.1 电源模块设计电源模块主要使用的电压有：24V、15V、5V 与 3.3V。24V 电压源由恒压 24V、限流 2A 的直流电源适配器提供，作为控制电路电源模块的一级接入电源，同时作为电机直流母线电压为永磁同步电机运转供电。15V 电压由三端稳压管 L7815CD2T 芯片提供，它是一种常用的线性稳压器，输出固定 15V 电压的同时可以支持最大 1.5A 的稳定电流输出，在 20V~26V 输入电压范围内
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH772

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本文编号：2628624