一種基于pwm的麻醉機氣體流量控制裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PWM（Pulse?Width?Modulation，脈沖寬度調制）的麻醉機氣體流量控制裝置及其方法，裝置包括：控制器，脈寬調制器，場效應管，比例閥，其中控制器與脈寬調制器相連，向脈寬調制器提供輸入電壓，并且通過分別調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率和所述輸入電壓來控制脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度；脈寬調制器與場效應管相連，根據(jù)輸入電壓及振蕩頻率產生PWM波驅動場效應管工作場效應管與比例閥相連，通過調節(jié)所述比例閥的功率來調節(jié)比例閥的開啟程度；比例閥根據(jù)自身的開啟程度控制麻醉機的氣體開關及流量。本發(fā)明電路易于實現(xiàn)，成本低，對輸入信號的要求較低，同時能夠達到較高的精度。
【專利說明】一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)控制【技術領域】，尤其涉及一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]隨著麻醉機氣體流量控制功能的不斷完善和發(fā)展，對于麻醉機潮氣量的精確控制提出越來越高的要求，目前麻醉機控制潮氣量的方法有手動調節(jié)氣體節(jié)流閥、步進電機調節(jié)氣體節(jié)流閥、電流閉環(huán)調節(jié)比例閥等。第一種方式，在調節(jié)麻醉機潮氣量時，需要手動調節(jié)氣體節(jié)流閥，通過人眼觀察潮氣量檢測值的大小，來判斷所調整的節(jié)流閥的開度是否合適，或者是否需要重新調整，該方式實現(xiàn)方法簡單，成本較低，不需要控制電路，但為了實現(xiàn)或達到一個期望的潮氣量值，需要人工反復調節(jié)，費時費力而且精度很差。第二種方式，預先設定潮氣量的值，控制電路驅動步進電機，并帶動其傳動機構調節(jié)節(jié)流閥，使節(jié)流閥根據(jù)設定值自動跟隨潮氣量輸出值，在調節(jié)過程中，步進電機與節(jié)流閥之間的齒輪嚙合裝置發(fā)出的噪聲較大，而且由于齒輪配合存在著間隙，控制的精度較差。第三種方式，通過調節(jié)比例電磁閥的電流大小，來跟隨設定值，達到控制氣體的流量的目的，該方式雖然控制精度高，噪聲小，但對電源的功率、紋波要求比較高，實現(xiàn)比較困難，成本高。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的主要目的是提供一種易于實現(xiàn)、成本較低，同時能滿足很高精度要求的比例閥控制技術。
[0004]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0005]一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，包括:控制器，脈寬調制器，場效應管，比例閥，其中:
[0006]所述控制器與所述脈寬調制器相連，通過調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率和輸入電壓的大小來控制所述脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度；
[0007]所述脈寬調制器與所述場效應管相連，根據(jù)所述輸入電壓和所述脈寬調制器的振蕩頻率產生PWM波驅動所述場效應管工作；
[0008]所述場效應管與所述比例閥相連，通過調節(jié)所述比例閥的功率來調節(jié)所述比例閥的開啟程度；
[0009]所述比例閥根據(jù)自身的開關程度控制所述麻醉機的氣體開關，并根據(jù)所述開關的開啟程度控制麻醉機的氣體流量。
[0010]進一步地，還包括反饋電路，分別與所述脈寬調制器和所述場效應管相連，用于將流經(jīng)所述場效應管的電流采樣后反饋給所述脈寬調制器。
[0011]進一步地，還包括工作狀態(tài)指示器，分別與所述脈寬調制器和所述控制器相連，用于指示所述比例閥的工作狀態(tài)。
[0012]進一步地，所述控制器包括:[0013]振蕩電路，包括相互并聯(lián)的電阻和電容，通過調節(jié)所述電阻的大小調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率；
[0014]信號放大器，用于調節(jié)所述脈寬調制器輸入的電壓的大小。
[0015]進一步地，所述信號放大器包括:
[0016]零點電位器，用于設置零點電壓，使所述比例閥處于待機狀態(tài)；
[0017]增益電位器，用于調節(jié)輸入電壓，使輸入電壓的變化斜率與所述比例閥的開啟程度的斜率相匹配。
[0018]進一步地，所述脈寬調制器輸出的PWM波頻率為500-800HZ。
[0019]基于同一發(fā)明構思，本發(fā)明還提出了一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，包括:
[0020]S1、通過控制器調節(jié)脈寬調制器的振蕩頻率和輸入電壓的大小來控制脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度；
[0021]S2、所述脈寬調制器根據(jù)所述輸入電壓和所述脈寬調制器的振蕩頻率產生PWM波驅動場效應管工作；
[0022]S3、所述場效應管通過調節(jié)比例閥的功率來調節(jié)比例閥的開啟程度；
[0023]S4、所述比例閥根據(jù)自身的開關程度控制所述麻醉機的氣體開關，并根據(jù)所述開關的開啟程度控制麻醉機的氣體流量。
[0024]進一步地，所述步驟S3之后還包括:通過反饋電路將流經(jīng)場效應管的電流采樣后反饋給所述脈寬調制器。
[0025]進一步地,還包括:通過工作狀態(tài)指示器指示所述比例閥的工作狀態(tài)。
[0026]進一步地,所述步驟SI具體包括:
[0027]S11、通過振蕩電路調節(jié)脈寬調制器的振蕩頻率；
[0028]S12、通過信號放大器調節(jié)所述脈寬調制器輸入的電壓的大小。
[0029]本發(fā)明借助于脈寬調制器所輸出的PWM波來控制比例閥，電路易于實現(xiàn)，成本低，而且對輸入信號的要求較低，同時能夠達到很高的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實施例一所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置結構框圖；
[0031]圖2是本發(fā)明所述的控制器的結構框圖；
[0032]圖3是本發(fā)明所述的振蕩電路的結構框圖；
[0033]圖4是本發(fā)明所述的信號放大器的結構框圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實施例二所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置結構框圖；
[0035]圖6是本發(fā)明實施例三所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置結構框圖；
[0036]圖7是本發(fā)明實施例四所述的基于SG3524芯片的麻醉機氣體流量控制裝置結構框圖；
[0037]圖8是本發(fā)明實施例五所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法流程圖?！揪唧w實施方式】
[0038]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術方案。[0039]實施例一
[0040]圖1是本發(fā)明實施例一基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置100的結構框圖。如圖1所示，所述裝置100包括控制器101、脈寬調制器102、場效應管103和比例閥104 ；
[0041]其中，控制器101，與脈寬調制器102相連，用于向脈寬調制器提供輸入電壓，并且通過分別調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率和所述輸入電壓來控制脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度。通過控制器101，可以對所述脈寬調制器102輸出的PWM波的寬度及頻率進行調節(jié)，獲得寬度和頻率均可調的PWM波。
[0042]脈寬調制器102，與場效應管103相連，根據(jù)所述輸入電壓及振蕩頻率產生PWM波驅動場效應管工作。脈寬調制器的主要功能為脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation),可以對輸入的電壓信號進行處理，并基于自身的振蕩頻率產生正比于所述電壓信號的PWM波，該PWM波為占空比可調的脈沖，能夠用于驅動場效應管工作?？蛇x擇任何具有脈寬調制功能的部件作為本發(fā)明的脈寬調制器，例如ST公司生產的SG3524芯片，或者具有PWM功能的單片機等。
[0043]場效應管103，與比例閥104相連，用于調節(jié)比例閥的開啟程度。場效應管是一種單極型半導體器器件，它不但具備雙極型晶體管體積小，重量輕，壽命長等優(yōu)點，而且輸入回路的內阻極高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強而且省電，非常適合用于功率驅動。在脈寬調制器102輸出PWM波后，以場效應管作為開關管來驅動比例閥104，通過對比例閥的功率調節(jié)，達到控制比例閥開啟程度的目的。優(yōu)選MOSFET管作為本發(fā)明的場效應管來驅動比例閥。
[0044]比例閥104，根據(jù)自身的開啟程度控制麻醉機的氣體開關及流量?？梢赃x用現(xiàn)有技術中具有氣體流量控制功能的任意比例閥作為麻醉機氣體流量控制的執(zhí)行部件，例如可以使用burkert公司生產的比例閥來執(zhí)行流量控制。
[0045]參見圖2，所述控制器101可以包含以下部件:
[0046]振蕩電路1011，通過調節(jié)脈寬調制器102的振蕩頻率來改變所述PWM波的脈沖頻率。參見圖3，所述振蕩電路可以包括相互并聯(lián)的電阻RT和電容CT，通過調節(jié)所述電阻RT的阻值來調節(jié)所述振蕩頻率，進而改變脈寬調制器所輸出的PWM波的頻率。
[0047]信號放大器1012，向脈寬調制器提供輸入電壓并對該輸入電壓的大小進行調節(jié)，從而改變所述PWM波的脈沖寬度。隨著為脈寬調制器提供的輸入電壓的改變，輸入電壓信號經(jīng)脈寬調制器處理后所輸出的PWM波的脈沖寬度也會隨之發(fā)生變化，通過調節(jié)所述輸入電壓，即可獲得滿足特定寬度要求的PWM波。
[0048]參見圖4，所述信號放大器可以包括:零點電位器10121，用于設置零點電壓，使比例閥處于待機狀態(tài)；增益電位器10122，用于調節(jié)輸入電壓，使所輸入電壓的變化斜率與比例閥的開啟程度的斜率相匹配，即與比例閥從開啟的臨界狀態(tài)到滿開度的斜率相匹配。
[0049]通過上述方式即可獲得寬度和頻率均可調的PWM波，用該PWM波驅動場效應管，進一步將放大了電壓和電流的PWM波施加于比例閥的線圈，便可對比例閥進行有效的控制。
[0050]由于PWM波的頻率較高，比例閥的閥芯動作較慢，所以雖然PWM波的電壓有間歇，但比例閥基本不會震動。經(jīng)過試驗得知，PWM波的輸出頻率在500Hz-800Hz之間時，比例閥工作震動小、噪音小、工作穩(wěn)定性高，優(yōu)選該頻段作為PWM波的輸出頻段。
[0051]實施例二[0052]進一步地，為了避免電流過大或短路故障，可以在實施例一的基礎上增加一個反饋電路，參見圖5，該反饋電路505分別與脈寬調制器502和場效應管503相連，可以將流經(jīng)場效應管503的電流采樣后反饋給脈寬調制器502，脈寬調制器可以根據(jù)反饋的采樣電流來監(jiān)控輸出的電流大小，從而保護場效應管503和比例閥504，避免因電流過大而損壞。
[0053]實施例三
[0054]為了使用戶實時了解比例閥的工作狀態(tài)，還可以在實施例一或實施例二的基礎上增加一個工作狀態(tài)指示器，在實施例二的基礎上增加一個工作狀態(tài)指示器的裝置結構框圖參見圖6所示，工作狀態(tài)指示器606分別與脈寬調制器602和控制器601相連，可用于指示比例閥604的工作狀態(tài)?？梢允褂萌我饩哂行畔⑻崾竟δ艿牟考鳛楸壤y的工作狀態(tài)指示器，例如，可以使用LED來顯示當前比例閥的狀態(tài):當LED點亮時比例閥為開啟狀態(tài)，當LED熄滅時比例閥為關閉狀態(tài)。
[0055]實施例四
[0056]圖7是本實施例所述的基于SG3524芯片的麻醉機氣體流量控制裝置結構框圖，如圖7所示，本實施例選擇ST公司生產的SG3524芯片作為脈寬調制器，用于產生占空比可調的PWM波。其中，外部輸入電源為24V,輸入控制信號是0-10V的模擬信號,三端穩(wěn)壓器的作用是為放大電路和脈寬調制芯片SG3524提供電源，信號放大電路利用零點電位器設置和調整輸入零點電壓，使比例閥處于待機的工作狀態(tài)；利用增益電位器調節(jié)輸入電壓，使輸入電壓的變化斜率與電磁比例閥的開啟程度的斜率相匹配，即與比例閥從開啟的臨界狀態(tài)到滿開度的斜率相匹配，因此調節(jié)控制器的輸入電壓，即可調節(jié)脈沖寬度。另外，由電阻RT和電容CT組成的振蕩電路產生鋸齒波的頻率，決定SG3524輸出的PWM頻率，通過調節(jié)電阻RT的值可以改變振蕩頻率，進而改變SG3524輸出的PWM頻率，這樣便可得到脈沖寬度和頻率均可調節(jié)的PWM波，用該PWM波驅動場效應管，進一步將放大了電壓和電流的PWM波施加于比例閥的線圈，便可對比例閥進行有效的控制。由于PWM的頻率較高，比例閥的閥芯動作較慢，所以雖然PWM波的電壓有間歇，但比例閥基本不會震動。經(jīng)過試驗得知，PWM的輸出頻率在500Hz-800Hz之間，比例閥工作震動小，噪音小，工作穩(wěn)定性高。在比例閥打開和關閉的過程中，使用SG3524的shutdown引腳功能來指示閥的工作狀態(tài)。電流反饋電路的作用是將流經(jīng)MOSFET管的電流經(jīng)采樣后反饋給SG3524，避免電流過大或短路故障。通過以上方式可以實現(xiàn)對比例閥從關閉直至滿開狀態(tài)全過程的控制，因此，僅通過比例閥單個部件即可同時實現(xiàn)開/關氣體以及調節(jié)氣體流量兩種功能。
[0057]實施例五
[0058]根據(jù)同一構思，本發(fā)明還提供了一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，圖8是本實施例所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法的流程圖。
[0059]如圖8所示,所述方法包括:
[0060]S801、通過控制器向脈寬調制器提供輸入電壓，并調節(jié)該電壓及脈寬調制器的振
蕩頻率。
[0061]通過控制器向脈寬調制器提供輸入電壓，并且通過分別調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率和所述輸入電壓來控制脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度。
[0062]進一步地，所述步驟S801可以通過以下方式實現(xiàn):
[0063]S8011、通過振蕩電路調節(jié)脈寬調制器的振蕩頻率，改變所述PWM波的脈沖頻率。參見圖3，所述振蕩電路可以包括相互并聯(lián)的電阻RT和電容CT，通過調節(jié)所述電阻RT的阻值來調節(jié)所述振蕩頻率，進而可以改變脈寬調制器所輸出的PWM波的頻率。
[0064]S8012、通過信號放大器調節(jié)脈寬調制器的輸入電壓，改變所述PWM波的脈沖寬度。隨著為脈寬調制器提供的輸入電壓的改變，輸入電壓信號經(jīng)脈寬調制器處理后所輸出的PWM波的脈沖寬度也會隨之發(fā)生變化，通過調節(jié)所述輸入電壓，即可獲得滿足特定寬度要求的PWM波。
[0065]所述步驟S8012可以進一步包括:
[0066]通過零點電位器設置零點電壓，使比例閥處于待機狀態(tài)；
[0067]通過增益電位器調節(jié)輸入電壓，使所輸入電壓的變化斜率與比例閥的開啟程度的斜率相匹配，即與比例閥從開啟的臨界狀態(tài)到滿開度的斜率相匹配。
[0068]S802、脈寬調制器產生PWM波，驅動場效應管工作。
[0069]脈寬調制器的主要功能為脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation),可以對輸入的電壓信號進行處理，并基于自身的振蕩頻率產生正比于所述電壓信號的PWM波，該PWM波為占空比可調的脈沖，能夠用于驅動場效應管工作?？蛇x擇任何具有脈寬調制功能的部件作為本發(fā)明的脈寬調制器，例如ST公司生產的SG3524芯片，或者具有PWM功能的單片機
坐寸ο
[0070]S803、場效應管調節(jié)比例閥的開啟程度。
[0071]場效應管是一種單極型半導體器器件，它不但具備雙極型晶體管體積小，重量輕，壽命長等優(yōu)點，而且輸入回路的內阻極高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強而且省電，非常適合用于功率驅動。在脈寬調制器輸出PWM波后，以場效應管作為開關管來驅動比例閥，通過對比例閥的功率調節(jié)，達到控制比例閥開啟程度的目的。
[0072]S804、比例閥控制麻醉機的氣體開關及流量。
[0073]比例閥根據(jù)自身的開啟程度控制麻醉機的氣體開關及流量?？梢赃x用現(xiàn)有技術中具有氣體流量控制功能的任意比例閥作為麻醉機氣體流量控制的執(zhí)行部件，例如可以使用burkert公司生產的比例閥來執(zhí)行流量控制。
[0074]通過上述方式即可獲得寬度和頻率均可調的PWM波，用該PWM波驅動場效應管，進一步將放大了電壓和電流的PWM波施加于比例閥的線圈，便可對比例閥進行有效的控制。
[0075]由于PWM波的頻率較高，比例閥的閥芯動作較慢，所以雖然PWM波的電壓有間歇，但比例閥基本不會震動。經(jīng)過試驗得知，PWM波的輸出頻率在500Hz-800Hz之間時，比例閥工作震動小、噪音小、工作穩(wěn)定性高，優(yōu)選該頻段作為PWM波的輸出頻段。
[0076]進一步地，為了避免電流過大或短路故障，可以增加一個電流反饋步驟S805、通過分別與脈寬調制器和場效應管相連的反饋電路，可以將流經(jīng)場效應管的電流采樣后反饋給脈寬調制器，脈寬調制器可以根據(jù)反饋的采樣電流來監(jiān)控輸出的電流大小，從而保護場效應管和比例閥，避免因電流過大而損壞。
[0077]另外，為了使用戶實時了解比例閥的工作狀態(tài)，還可以增加一個工作狀態(tài)指示步驟S806、通過分別與脈寬調制器和控制器相連的工作狀態(tài)指示器，可指示比例閥的工作狀態(tài)?？梢允褂萌我饩哂行畔⑻崾竟δ艿牟考鳛楸壤y的工作狀態(tài)指示器，例如，可以使用LED來顯示當前比例閥的狀態(tài):當LED點亮時比例閥為開啟狀態(tài)，當LED熄滅時比例閥為關閉狀態(tài)。[0078]本發(fā)明借助于脈寬調制器所輸出的PWM波來控制比例閥，電路易于實現(xiàn)，成本低，而且對輸入信號的要求較低，同時能夠達到很高的精度。通過本發(fā)明所述的調節(jié)方式可以實現(xiàn)對比例閥從關閉狀態(tài)直至滿開狀態(tài)的全過程控制，僅通過比例閥單個部件即可同時實現(xiàn)開/關氣體以及調節(jié)氣體流量兩種功能。
[0079]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，包括:控制器，脈寬調制器，場效應管，比例閥，其中: 所述控制器與所述脈寬調制器相連，通過所述控制器調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率和輸入電壓的大小來控制所述脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度； 所述脈寬調制器與所述場效應管相連，所述脈寬調制器根據(jù)輸入電壓和所述脈寬調制器的振蕩頻率產生PWM波驅動所述場效應管工作； 所述場效應管與所述比例閥相連，通過調節(jié)所述比例閥的功率來調節(jié)所述比例閥的開啟程度； 所述比例閥根據(jù)自身的開關程度控制所述麻醉機的氣體開關，并根據(jù)所述開關的開啟程度控制麻醉機的氣體流量。
2.如權利要求1所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，還包括反饋電路，分別與所述脈寬調制器和所述場效應管相連，用于將流經(jīng)所述場效應管的電流采樣后反饋給所述脈寬調制器。
3.如權利要求1或2所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，還包括工作狀態(tài)指示器，分別與所述脈寬調制器和所述控制器相連，用于指示所述比例閥的工作狀態(tài)。
4.如權利要求1或2所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，所述控制器包括: 振蕩電路，包括相互并聯(lián)的電阻和電容，通過調節(jié)所述電阻的大小調節(jié)所述脈寬調制器的振蕩頻率； 信號放大器，用于調節(jié)所述脈寬調制器輸入的電壓的大小。
5.如權利要求4所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，所述信號放大器包括: 零點電位器，用于設置零點電壓，使所述比例閥處于待機狀態(tài)； 增益電位器，用于調節(jié)輸入電壓，使輸入電壓的變化斜率與所述比例閥的開啟程度的斜率相匹配。
6.如權利要求1或2任一所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制裝置，其特征在于，所述脈寬調制器輸出的PWM波頻率為500-800HZ。
7.一種基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，其特征在于，包括: S1、通過控制器調節(jié)脈寬調制器的振蕩頻率和輸入電壓的大小，來控制脈寬調制器輸出PWM波的頻率和寬度； S2、所述脈寬調制器根據(jù)所述輸入電壓和所述脈寬調制器的振蕩頻率產生PWM波驅動場效應管工作； S3、所述場效應管通過調節(jié)比例閥的功率來調節(jié)比例閥的開啟程度； S4、所述比例閥根據(jù)自身的開關程度控制所述麻醉機的氣體開關，并根據(jù)所述開關的開啟程度控制麻醉機的氣體流量。
8.如權利要求7所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，其特征在于，所述步驟S3之后還包括: 通過反饋電路將流經(jīng)場效應管的電流采樣后反饋給所述脈寬調制器。
9.如權利要求7或8所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，其特征在于，還包括:通過工作狀態(tài)指示器指示所述比例閥的工作狀態(tài)。
10.如權利要求7或8所述的基于PWM的麻醉機氣體流量控制方法，其特征在于，所述步驟Si具體包括: .511、通過振蕩電路調節(jié)脈寬調制器的振蕩頻率； .512、通過信號放大器調 節(jié)所述脈寬調制器的輸入電壓的大小。
【文檔編號】G05D7/06GK103914086SQ201210592834
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月29日 優(yōu)先權日:2012年12月29日
【發(fā)明者】何敏杰 申請人:北京誼安醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司