用于穩(wěn)定音圈的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及音圈馬達(dá)。尤其地，本發(fā)明涉及控制音圈，例如穩(wěn)定提供動(dòng)力的音圈、穩(wěn)定音圈馬達(dá)。尤其地，本發(fā)明涉及用于控制用于醫(yī)用呼吸機(jī)、麻醉機(jī)或麻醉監(jiān)測(cè)儀的吸氣閥或呼氣閥的音圈馬達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]控制呼氣末正壓(PEEP)的一種常用解決方案是使用可控制圓盤閥的音圈馬達(dá)。在這種類型的閥門中，呼氣末正壓與來自音圈的作用力之間或多或少是成正比的。同樣地，來自音圈的作用力與穿過音圈馬達(dá)線圈的電流之間在理想條件下是成正比的。
[0003]上述模型是非常簡(jiǎn)化的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，呼吸方式可能會(huì)改變穿過閥門的氣流。這將造成圓盤閥移動(dòng)，以補(bǔ)償氣流的變化。大多數(shù)的移動(dòng)元件具有慣性，慣性會(huì)影響閥門內(nèi)的作用力的平衡。當(dāng)前技術(shù)的其他特征為閥門內(nèi)的薄膜可產(chǎn)生彈力，音圈并不理想。
[0004]這種類型的閥門的顯著缺點(diǎn)為閥門是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的閥門會(huì)振動(dòng)，因此會(huì)引起氣流和氣壓的振蕩。有幾種已知的方法可用于試圖穩(wěn)定閥門。使用正常的氣壓或氣流反饋來穩(wěn)定閥門是復(fù)雜的，因?yàn)檎袷幨强焖俚模瑑H通過測(cè)量氣壓或氣流是難以得出有關(guān)閥門運(yùn)動(dòng)的任何結(jié)論的。防止振蕩的另外一種方法為使用摩擦力，但是使用摩擦力可能會(huì)使得對(duì)呼氣末正壓的氣壓控制變得較差，因此使用摩擦力并不理想。例如其他可能的方式可以為使用粘滯阻尼，例如使用與音圈的速度成正比的反向作用力，使用電磁鐵或磁性流體。傳統(tǒng)粘滯阻尼的主要缺點(diǎn)在于粘滯阻尼系數(shù)是恒定的，而實(shí)際需要的粘滯阻尼是可以根據(jù)氣壓和氣流大幅度改變的。高氣壓下需要的阻尼比低氣壓下需要的阻尼大幾倍。具有太大阻尼系數(shù)的缺點(diǎn)在于閥門對(duì)于控制信號(hào)及氣流速度的改變響應(yīng)慢，這可能會(huì)導(dǎo)致閥門將不能維持呼氣末正壓氣壓恒定。使用低的恒定的粘滯阻尼系數(shù)意味著在高氣壓下系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而使用高的阻尼系數(shù)意味著在低氣壓下閥門響應(yīng)太慢。其他可能的方法為使用位置或速度傳感器帶來的位置或速度反饋，缺點(diǎn)為成本及復(fù)雜度增加。
[0005]US5127400A和US5339807A揭露了使用復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。其中，單獨(dú)的永久磁鐵固定在音圈馬達(dá)的軸上，按照這種方式，永久磁鐵將在單獨(dú)的靜止的音圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可作為產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的傳感器。
[0006]除了呼氣末正壓，音圈馬達(dá)也可用于控制其他參數(shù)，例如吸氣時(shí)的氣壓和氣流。當(dāng)控制時(shí)，例如使用音圈馬達(dá)控制吸氣時(shí)的氣壓和氣流時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)定性問題。
[0007]例如，僅通過改變電流控制呼氣末正壓是不能直接實(shí)現(xiàn)理想的呼氣末正壓的。實(shí)現(xiàn)正確的氣壓需要改進(jìn)的反饋系統(tǒng)。因此，需要提供經(jīng)過改進(jìn)的新的反饋控制系統(tǒng)，具有較好的性能，可避免振蕩，也可快速反應(yīng)以確保對(duì)于不同類型的病人和不同的環(huán)境參數(shù)，可快速地達(dá)到理想的呼氣末正壓。尤其地，有利于根據(jù)環(huán)境參數(shù)，例如氣壓或氣流，獲得可最佳化和可調(diào)節(jié)的阻尼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]相應(yīng)地，優(yōu)選地本發(fā)明實(shí)施例的目的在于減少或消除現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)不足、缺點(diǎn)或問題，例如通過提供根據(jù)附屬的用于提供改進(jìn)的音圈馬達(dá)和改進(jìn)的氣動(dòng)閥的權(quán)利要求形成的設(shè)備、系統(tǒng)或方法來減少或消除上述提出的單個(gè)問題或多個(gè)問題的任何結(jié)合。例如，這些音圈可用于控制用于醫(yī)用呼吸機(jī)、麻醉機(jī)或麻醉監(jiān)測(cè)儀的吸氣閥或呼氣閥。
[0009]根據(jù)揭露的一方面，描述用于穩(wěn)定音圈，例如穩(wěn)定音圈馬達(dá)的設(shè)備。所述設(shè)備包括用于提供動(dòng)力的音圈。所述設(shè)備還包括用于測(cè)量來自所述音圈的與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的信號(hào)的元件，以及用于控制放大所述信號(hào)信號(hào)以在所述音圈中產(chǎn)生所述動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方向上的作用力的單元。
[0010]所述設(shè)備通過穩(wěn)定提供動(dòng)力的音圈，例如穩(wěn)定用作致動(dòng)器的音圈馬達(dá)來控制吸氣閥或呼氣閥。閥門可用于醫(yī)用呼吸機(jī)、麻醉機(jī)或麻醉監(jiān)測(cè)儀。
[0011]某些優(yōu)點(diǎn)為這種設(shè)備和方法提供一種方式，以根據(jù)環(huán)境，例如不同的氣壓及/或流體流動(dòng)，調(diào)節(jié)和最佳化提供動(dòng)力的音圈的阻尼。調(diào)節(jié)和最佳化阻尼可穩(wěn)定地和有效地控制不同的參數(shù)，例如，不同的參數(shù)可為呼氣末正壓氣壓或吸氣氣流及/或氣壓。有效控制呼氣末正壓氣壓或吸氣氣流及/或氣壓可改進(jìn)通風(fēng)，從而為病人提供較弱的呼吸。另外一種優(yōu)點(diǎn)為無需進(jìn)一步向該系統(tǒng)增加任何傳感器，即可容易地植入該設(shè)備和方法?？赡苄枰M(jìn)一步增加的唯一的傳感器為感應(yīng)電阻，相對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的多個(gè)傳感器來說，增加一個(gè)感應(yīng)電阻帶來的工作量是可以忽視的。
[0012]揭露的某些例子中，通過測(cè)量穿過提供動(dòng)力的音圈的電流，例如穿過音圈馬達(dá)的音圈的電流來測(cè)量所述信號(hào)。穿過音圈的測(cè)量電流由動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)(動(dòng)生EMF)產(chǎn)生，音圈或相關(guān)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。
[0013]揭露的某些例子中，通過控制施加在音圈上的設(shè)定電壓，例如施加在音圈馬達(dá)的音圈上的設(shè)定電壓來控制所述放大的電流信號(hào)。
[0014]揭露的某些例子中，感應(yīng)電阻與提供動(dòng)力的音圈串聯(lián)，例如與音圈馬達(dá)的音圈串聯(lián)，以測(cè)量電壓。根據(jù)所述電壓和感應(yīng)電阻的電阻值計(jì)算所述電流。
[0015]揭露的某些例子中，所述信號(hào)為處于穩(wěn)定狀態(tài)下的估算電流或計(jì)算電流和與產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量電流之間的差異產(chǎn)生的電流誤差。當(dāng)音圈和相關(guān)磁鐵都不運(yùn)動(dòng)時(shí)，音圈處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此不產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。
[0016]揭露的某些例子中，通過改變?cè)O(shè)定電壓來放大電流誤差，從而改變穿過音圈的電流。
[0017]揭露的某些例子中，通過測(cè)量音圈兩端的電壓來測(cè)量所述信號(hào)。音圈兩端的測(cè)量電壓由動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)(動(dòng)生EMF)產(chǎn)生，音圈或相關(guān)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。
[0018]揭露的某些例子中，通過控制施加在音圈上的設(shè)定電流來控制所述放大的電壓信號(hào)。
[0019]揭露的某些例子中，所述信號(hào)為基于處于穩(wěn)定狀態(tài)下的音圈兩端的測(cè)量電壓或估算電壓和與產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量電壓之間的差異產(chǎn)生的電壓誤差。音圈和相關(guān)磁鐵都不運(yùn)動(dòng)時(shí)，音圈處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此不產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。
[0020]揭露的某些例子中，通過改變?cè)O(shè)定電流來放大電壓誤差，從而改變音圈兩端的電壓。
[0021]揭露的某些例子中，可直接地或可通過脈寬調(diào)制器控制所述放大信號(hào)。
[0022]揭露的某些例子中，使用負(fù)增益來抵消或減少音圈固有的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的效果Ο
[0023]揭露的某些例子中，在放大所述誤差信號(hào)前，使用高通濾波器移除直流成分和低頻成分。
[0024]揭露的另一方面，描述了穩(wěn)定音圈的方法。所述方法包括:測(cè)量與音圈產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的信號(hào)，以及控制所述信號(hào)的放大信號(hào)以在所述音圈中產(chǎn)生所述動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方向上的作用力。
[0025]揭露的方法的某些例子中，所述信號(hào)為基于處于穩(wěn)定狀態(tài)下的估算電流或計(jì)算電流和與產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量電流之間的差異產(chǎn)生的電流誤差。
[0026]揭露的方法的某些例子中，所述信號(hào)為基于處于穩(wěn)定狀態(tài)下的估算電壓或計(jì)算電壓和與產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量電壓之間的差異產(chǎn)生的電壓誤差。
[0027]在這里定義阻尼為一種方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力，具有穩(wěn)定作用。
[0028]需要強(qiáng)調(diào)的是本說明書中使用的單詞“包括”是用于詳述特征、整數(shù)、步驟或元件的存在，而不是排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、元件或分組的存在或增加。
【附圖說明】
[0029]揭露的例子中的這些和其他方面、特征以及優(yōu)點(diǎn)是明顯的，并由以下對(duì)本發(fā)明揭露的實(shí)施例的描述以及對(duì)附圖的參考進(jìn)行闡述，其中:
[0030]圖1闡述了用于穩(wěn)定音圈的設(shè)備的流程圖。
[0031]圖2闡述了音圈的電氣模型的一個(gè)示例。
[0032]圖3闡述了用于穩(wěn)定音圈的設(shè)備的示范性實(shí)施。
【具體實(shí)施方式】
[0033]結(jié)合附圖對(duì)揭露的具體實(shí)施例進(jìn)行描述。然而，揭露的內(nèi)容可有多種不同的表現(xiàn)形式，并不限于這里所揭露的表現(xiàn)形式。當(dāng)然地，提供的這些實(shí)施例可使得揭露的內(nèi)容是全面的、完整的，以及將本發(fā)明的保護(hù)范圍完全地傳達(dá)至本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0034]盡管在這里本發(fā)明描述和解釋了幾種實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地想到大量其他的方法及/或結(jié)構(gòu)以執(zhí)行這里所描述的功能，及/或獲得這里所描述的結(jié)果及一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，并且每一種變化及/或修改都被認(rèn)為是屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍僅由附屬的權(quán)利要求限定。
[0035]音圈在磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)(動(dòng)生EMF，有時(shí)也稱為反EMF)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)為音圈兩端的電壓，該電壓在音圈中產(chǎn)生電流，因此，由該電流產(chǎn)生的作用力的方向可能與音圈的運(yùn)動(dòng)方向相反。該作用力與音圈在音圈馬達(dá)的磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的速度成正比，因此動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)可看作為粘性阻尼。
[0036]方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力具有穩(wěn)定作用(例如，阻尼)。
[0037]正常情況下，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的阻尼是不足以穩(wěn)定閥門/音圈的，并且阻尼系數(shù)例如阻尼強(qiáng)度是不能進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
[0038]圖1闡述了用于穩(wěn)定提供動(dòng)力的音圈的設(shè)備1的流程圖。流程圖中闡述的設(shè)備包括用于測(cè)量與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的信號(hào)的元件100，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)由音圈在磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生或由相關(guān)磁鐵產(chǎn)生。
[0039]與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量信號(hào)可包括兩種成分:與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的第一種成分，及與施加在提供動(dòng)力的音圈上的驅(qū)動(dòng)電流或驅(qū)動(dòng)電壓相關(guān)的第二種成分。
[0040]可替換地，在一些例子中，用外力移動(dòng)音圈或相關(guān)磁鐵。與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的測(cè)量信號(hào)可包括至少一種與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)的成分。
[0041]測(cè)量的信號(hào)由元件110放大以及被元件120控制，以在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方向上產(chǎn)生額外的作用力，從而增加音圈運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼，以及抑制音圈的任何不穩(wěn)定(振蕩)。
[0042]可以通過控制施加在音圈上的設(shè)定電壓來實(shí)現(xiàn)?？芍苯拥鼗騼?yōu)選地通過脈寬調(diào)制器(Pulse-widthModulator, PWM)來控制設(shè)定電壓。例如，可通過測(cè)量與音圈串聯(lián)的感應(yīng)電阻兩端的電壓來測(cè)量穿過音圈的電流。
[0043]因?yàn)樵O(shè)定電壓是已知的，如果系統(tǒng)的電阻值和電感值也是已知的，或者如果電阻值和電感值是可以估算的，穩(wěn)定狀態(tài)下穿過音圈的電流是可以估算的。當(dāng)音圈或相關(guān)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)可在運(yùn)動(dòng)的反方向上產(chǎn)生電壓，該電壓將改變穿過音圈的電流。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向，這種改變可能是電壓的增加或減少。理想電流(穩(wěn)定狀態(tài)下的電流)和測(cè)量電流之間的差值，例如電流誤差，與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是成正比的，因此也與音圈或相關(guān)磁鐵的運(yùn)動(dòng)成正比，例如與音圈或相關(guān)磁鐵在音圈馬達(dá)中的運(yùn)動(dòng)成正比。
[0044]然后相應(yīng)地可