【導讀】睡眠呼吸機是用於治療在睡眠狀態下
，病人上呼吸道阻塞的一種設備。睡眠的上呼吸道阻塞會造成鼾聲


、血氧降低、代謝紊亂等狀況，長期會導致或加重各種慢性疾病：如高血壓、糖尿病
、心腦血管疾病、神(shen)經(jing)性(xing)疾(ji)病(bing)等(deng)。睡(shui)眠(mian)呼(hu)吸(xi)機(ji)通(tong)過(guo)對(dui)患(huan)者(zhe)呼(hu)吸(xi)道(dao)持(chi)續(xu)輸(shu)送(song)一(yi)定(ding)壓(ya)力(li)的(de)氣(qi)流(liu)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)氣(qi)體(ti)支(zhi)架(jia)

，支(zhi)撐(cheng)患(huan)者(zhe)的(de)氣(qi)道(dao)開(kai)放(fang)
，保(bao)證(zheng)患(huan)者(zhe)的(de)呼(hu)吸(xi)通(tong)暢(chang)，消(xiao)除(chu)鼾(han)聲(sheng)以(yi)及(ji)OSAHS所帶來的負麵影響。

本次技術型授權代理商Excelpoint世健邀請到了行業資深工程師沈工來分享他的實戰設計經驗。沈工及團隊設計的正壓睡眠呼吸機硬件方案由電機控製係統、壓力/流量測量係統、氣路係統、加熱/加濕係統和人機界麵等組成。

多(duo)數(shu)使(shi)用(yong)正(zheng)壓(ya)睡(shui)眠(mian)呼(hu)吸(xi)機(ji)的(de)患(huan)者(zhe)是(shi)在(zai)睡(shui)眠(mian)期(qi)間(jian)使(shi)用(yong)該(gai)設(she)備(bei)，所(suo)以(yi)呼(hu)吸(xi)機(ji)的(de)通(tong)氣(qi)舒(shu)適(shi)度(du)及(ji)靜(jing)音(yin)性(xing)能(neng)是(shi)其(qi)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)。另(ling)外(wai)
，睡(shui)眠(mian)呼(hu)吸(xi)機(ji)的(de)功(gong)能(neng)之(zhi)一(yi)是(shi)在(zai)係(xi)統(tong)發(fa)生(sheng)異(yi)常(chang)時(shi)
，能(neng)及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)並(bing)立(li)即(ji)采(cai)取(qu)適(shi)合(he)的(de)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)，其(qi)核(he)心(xin)要(yao)點(dian)即(ji)是(shi)呼(hu)吸(xi)機(ji)風(feng)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)。

這款正壓睡眠呼吸機硬件設計方案有三個重要特征。第一涵蓋極高動態的電機轉速範圍：雙水平模式下，電機轉速範圍會在10000rpm以內及25000rpm以上快速切換，轉速切換時間可低於0.5秒。第二可維持盡可能小的噪聲。呼吸機壓力為10cm水柱時
，一般要求低於30dB，高端的產品可以做到23dB及以下。第三具有靈活方便的係統診斷
，保護機製：以方便的結合驅動器信息及相關傳感器定位相關異常事件
，包括呼吸麵罩脫落、呼吸管路漏氣
、風機堵轉等等。

家用正壓睡眠呼吸機要求小巧的體積及極小的運行噪聲
，因此電機控製需要采用FOC算法，根據負載（係統壓力和流量狀況），控kong製zhi風feng機ji穩wen定ding運yun行xing，減jian小xiao轉zhuan矩ju脈mai動dong，從cong而er大da大da減jian少shao電dian機ji自zi身shen的de運yun行xing噪zao聲sheng。通tong常chang工gong程cheng師shi在zai產chan品pin開kai發fa中zhong，會hui選xuan擇ze直zhi接jie購gou買mai風feng機ji配pei套tao的de驅qu動dong板ban，這zhe樣yang成cheng本ben相xiang對dui比bi較jiao高gao，而er且qie接jie口kou控kong製zhi不bu夠gou靈ling活huo。 沈工的方案則能以較低的成本達到更好的性能及靈活度。

1.呼吸機風機控製係統

表1 呼吸機風機參數

圖1 所用醫用級風機實物圖

在TMC4671和呼吸機風機參數的基礎上
，沈工及團隊開發了風機驅動板，電機控製部分簡要框圖如下：

圖2 電機控製部分簡要框圖

電機控製核心FOC算法及控製由ADI Trinamic的TMC4671完成，功率驅動部分及電流采樣使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671極大簡化了電機控製部分的算法，解放了MCU的算力

，使用戶可以專注於係統應用級的設計，如更適於患者的壓力流量曲線等。

壓力值通過壓力傳感器反饋，經由MCU進行PI運算後，其輸出作為TMC4671的速度給定信號，TMC4671輸出風機控製SVPWM信號給TMC6200，TMC6200作為MOS管門級驅動
，控製三相H橋以驅動電機運行
，使呼吸機壓力保持在需要的值或按給定的曲線變化。

2.核心器件介紹

表2 係統核心器件

TMC4671是一款ADI Trinamic於2020年發布的全球首個具有針對BLDC/PMSM和兩相步進電動機以及直流電動機和音圈的磁場定向控製的全集成伺服控製器IC、集成ADC、位置傳感器接口（增量式編碼器
，HALL信號等）和位置插值器的完整組件。

圖3 TMC4671結構框圖

芯片采用級聯的閉環控製架構（位置環、速度環和電流環），如下圖所示。

圖4 TMC4671控製環框圖

轉矩環核心的FOC算法
，將FOC算法包含的Park，反Park變bian化hua等deng時shi間jian關guan鍵jian性xing的de計ji算suan都dou集ji成cheng在zai硬ying件jian中zhong。因yin此ci開kai發fa動dong態tai伺si服fu控kong製zhi器qi隻zhi需xu幾ji行xing代dai碼ma

，這zhe不bu僅jin減jian輕qing了le處chu理li器qi處chu理li實shi時shi關guan鍵jian任ren務wu的de負fu擔dan，還hai優you化hua了le設she計ji周zhou期qi，縮suo短duan了le上shang市shi時shi間jian。

圖5 TMC4671內部FOC算法框圖

表3 TMC4671核心功能

TMC6200是一個大功率門驅動器，專為永磁同步電機伺服或無刷直流電機設計，可以驅動從幾瓦特到幾千瓦的電機；集成了FOC驅動係統的全高電壓部分，適用於12V、24V或48V係統。使用TMC6200，可以最少數量的外部組件來構建具有完全保護和保護功能的堅固驅動器診斷。

TMC6200除驅動三相H橋外，還完成電流信號的采集及轉換，其內置運放及PGA，適合不同功率的電機。采樣相電流，非常適用於TMC4671中實現的Δ-Σ電流測量，可實現對電流的低噪聲采樣，提高係統的控製精度。另外TMC6200提供了完善的功率級診斷功能
，方便係統的故障處理。

圖6 TMC4671+TMC6200係統架構框圖

圖7 TMC6200框圖

表4 TMC6200告警及保護功能概覽

3.係統連接和測試

TMC4671及TMC6200均采用SPI與MCU通信，官方的IDE可方便對外圍連接進行標定。標定結束後，用戶隻需通過SPI進行相關配置即可對電機進行控製
，十分方便高效。

下圖是TMC4671及TMC6200相關原理圖。

圖8 TMC4671及TMC6200相關原理圖

圖9 TMC4671及TMC6200相關原理圖

圖10 TMC4671及TMC6200相關原理圖

4.技術難點

PI 調節

TMC4671對電機控製參數的調整也十分便捷
，通過官方的IDE可以方便的設置係統的PI控製參數，官方原裝的RTMI調tiao試shi器qi由you於yu接jie口kou問wen題ti關guan係xi，連lian接jie自zi己ji的de目mu標biao板ban不bu夠gou靈ling活huo。沈shen工gong及ji團tuan隊dui設she計ji了le一yi個ge相xiang同tong功gong能neng的de模mo塊kuai
，同tong時shi實shi現xian了le調tiao試shi信xin號hao的de電dian氣qi隔ge離li，另ling外wai加jia上shang了le電dian源yuan及ji信xin號hao傳chuan輸shu指zhi示shi燈deng，接jie口kou也ye改gai成cheng了le2.54mm，也可擴展為2.0mm或1.27mm
，可十分方便的轉接到目標板。

圖11 帶隔離及信號指示的TMC4671調試器

圖12 HALL識別

圖13 電機參數識別

圖14 PI參數調整

圖15 轉速與電流關係

圖16 使用內置雙四階濾波器優化性能

正壓睡眠呼吸機硬件設計方案使用TMC4671+TMC6200dezuhe，dadajiangdilegaoxingnengdianjiqudongqishejidemenkan，shiyonghukeyifeichangkuaisudidajianxiangguandegaoxingnengdianjiyingyong，wuxubianxiefuzafeishidedicengqudong
，jieshengleledaliangdetiaoshishijian；相關診斷功能使工程師在調試初期可快速定位係統故障
；配合TMC IDE，用戶可以方便地進行係統辨識和控製參數優化，加速產品設計定型；用戶可專注於產品本身的設計優化，這是未來電機控製應用的方向。Excelpoint世健提供相關技術指導和支持，能幫助用戶更好地進行設計，盡快讓產品上市。

關於世健——亞太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優質的元器件
、工程設計及供應鏈管理服務。

世(shi)健(jian)與(yu)供(gong)應(ying)商(shang)及(ji)電(dian)子(zi)廠(chang)商(shang)緊(jin)密(mi)協(xie)作(zuo)
，為(wei)新(xin)的(de)科(ke)技(ji)與(yu)趨(qu)勢(shi)作(zuo)出(chu)定(ding)位(wei)，並(bing)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)把(ba)這(zhe)些(xie)最(zui)先(xian)進(jin)的(de)科(ke)技(ji)揉(rou)合(he)於(yu)他(ta)們(men)的(de)產(chan)品(pin)當(dang)中(zhong)。集(ji)團(tuan)分(fen)別(bie)在(zai)新(xin)加(jia)坡(po)
、中zhong國guo及ji越yue南nan設she有you研yan發fa中zhong心xin，專zhuan業ye的de研yan發fa團tuan隊dui不bu斷duan創chuang造zao新xin的de解jie決jue方fang案an
，幫bang助zhu客ke戶hu提ti高gao成cheng本ben效xiao益yi並bing縮suo短duan產chan品pin上shang市shi時shi間jian。世shi健jian研yan發fa的de完wan整zheng解jie決jue方fang案an及ji參can考kao設she計ji可ke應ying用yong於yu工gong業ye、無線通信及消費電子等領域。世健總部設於新加坡
，擁有超過700名員工，世健的業務已擴展至亞太區的49個城市和地區
，遍及新加坡
、馬來西亞、泰國、越南
、中國
、印度、印度尼西亞
、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2021年的年營業額超過16億美元。1993年
，世健在香港設立區域總部——世健係統（香港）有限公司
，正式開始發展中國業務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業的研發團隊
、頂尖的現場應用支持以及豐富的市場經驗
，世健在中國業內享有領先地位。

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