專利名稱：使用pap設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)流量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不使用傳感器的情況下在正壓通氣(PAP)設(shè)備中的流量的估計(jì)。
背景技術(shù)：
在與睡眠有關(guān)的呼吸紊亂(諸如阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA))的治療中使用正壓通氣(PAP)設(shè)備。典型的設(shè)備包括流量發(fā)生器，其經(jīng)由連接至面罩的空氣輸送軟管向患者輸送增壓的空氣。在其最簡(jiǎn)單的水平，該流量發(fā)生器包括可以向患者輸送規(guī)定壓力(直到30cmH2O)的鼓風(fēng)機(jī)，所述規(guī)定壓力如由臨床醫(yī)生設(shè)定的。
高端PAP設(shè)備要求在治療OSA方面更加有效，因?yàn)樗麄兛梢员O(jiān)視輸送給患者的空氣流量并導(dǎo)出治療壓力的有效性的測(cè)量。使用該信息，可以改善治療的質(zhì)量并報(bào)告回臨床醫(yī)生用于回顧。在自動(dòng)滴定設(shè)備(APAP)中，可以將所輸送的壓力不斷調(diào)整到用于有效治療的最小所需要的壓力。
在PAP設(shè)備中用于測(cè)量流量的傳統(tǒng)技術(shù)涉及將流量傳感器插入空氣路徑。傳感器可以是Venturi類型，其測(cè)量通過空氣路徑的一部分的壓力下降，通常是通過一些已知的氣阻。另一感測(cè)技術(shù)是熱質(zhì)量流量傳感器，其允許空氣在加熱的元件上通過，在該元件的下游測(cè)量該元件的溫度。這些技術(shù)是精確的，然而由于感測(cè)硬件增加了PAP設(shè)備的額外開銷。
幾項(xiàng)關(guān)于用于治療呼吸紊亂的設(shè)備的專利已經(jīng)被批準(zhǔn)，這些設(shè)備可以操作傳統(tǒng)的流量傳感器。一個(gè)例子是Champain等的美國(guó)專利No.5,443,061，標(biāo)題為“Apparatus for providing a breathing gas with anoverpressure and process of controlling such apparatus installation.”。Champain使用了壓電壓力傳感器，用于檢測(cè)在渦輪和面罩之間的氣流波動(dòng)。傳感器的輸出被提供給渦輪控制器，其相應(yīng)地調(diào)整渦輪。
相關(guān)的現(xiàn)有專利的其他例子包括美國(guó)專利No.5,740,795和6,237,593，都是Brydon的，都具有與本發(fā)明相同的受讓人，并且都教導(dǎo)了“CPAP治療中的流量的估計(jì)和呼吸的檢測(cè)”(統(tǒng)稱“Brydon”)。Brydon陳述鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的速度受反饋環(huán)路的控制，在反饋環(huán)路中，測(cè)量實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并生成誤差信號(hào)，從而增加或減少對(duì)電動(dòng)機(jī)或其他調(diào)節(jié)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，因此保持了恒定的電動(dòng)機(jī)速度(‘795專利，列2，行55-65)。用于執(zhí)行速度控制的結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)控制器，其發(fā)布控制信號(hào)，以便控制所述電動(dòng)機(jī)速度。速度反饋信號(hào)被輸入電動(dòng)機(jī)控制器，其提供基于其進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的信號(hào)。
Brydon還陳述可以從電動(dòng)機(jī)速度和功率測(cè)量導(dǎo)出信號(hào)，該信號(hào)與實(shí)際的體積流量呈非線性關(guān)系。這些信號(hào)可以使用由經(jīng)驗(yàn)確定的渦輪系統(tǒng)的壓力/流量/速度特征來線性化，從而給出患者呼吸(流量)的體積測(cè)量(‘795專利，列3，行5-15)。關(guān)于功率測(cè)量，Brydon陳述了電流獨(dú)自是典型地充分的電動(dòng)機(jī)功率的指示。為了測(cè)量電流，Brydon教導(dǎo)了電流感測(cè)電阻并且測(cè)量了通過該電阻的電壓下降。感測(cè)該電壓，并將該電壓提供給差分放大器，它的輸出是表示電動(dòng)機(jī)電流(和功率)的信號(hào)。然后將該信號(hào)提供給低通濾波器電路，其移除高頻電噪聲，提供了該信號(hào)的平均或穩(wěn)定狀態(tài)分量。然后通過高通濾波器延伸該信號(hào)，從而移除非呼吸分量，并且然后施加給單維線性化元件，其功能是從由經(jīng)驗(yàn)確定的渦輪、管道和面罩系統(tǒng)的壓力/流量/速度特征導(dǎo)出的。線性化元件的輸出是線性化的流量信號(hào)。
使用Brydon方法的問題在于電動(dòng)機(jī)電流是非常嘈雜的。在圖1中，上部跡線2是面罩壓力，而下部跡線4是電動(dòng)機(jī)電流。對(duì)于大的壓力跳躍，由于通過通常使用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MOSFET的切換電流的總和，電流跡線指示顯著的噪聲?？梢岳斫獾氖牵瑢?duì)于小的壓力或流量擾動(dòng)，該信號(hào)噪聲甚至變得更加明顯。
從自動(dòng)滴定(APAP)和高端恒壓(CPAP)PAP設(shè)備讀取的流量信息不必需需要硬件流量傳感器提供的精確性。因此，流量估計(jì)提供了可替換的、低成本的提供流量數(shù)據(jù)的方法，在成本要求妨礙了傳感器的使用時(shí)仍然可以使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種改進(jìn)的算法流量估計(jì)器，用于PAP設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流量測(cè)量傳感器。該算法流量估計(jì)器具有與物理傳感器和相關(guān)的電子設(shè)備相比低成本的優(yōu)點(diǎn)。該算法流量估計(jì)器不將壓力損失引入空氣輸送電路，這不同于典型地具有高嵌入損失的物理傳感器。
為了滿足上述目的，公開了用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法和裝置。該方法包括如下步驟生成具有基于鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度的速度大小的參數(shù)；生成具有基于所述鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的操作特征的電流大小的參數(shù)；以及在流量估計(jì)算法中使用所述速度大小參數(shù)和所述電流大小參數(shù)，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括如下步驟測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定達(dá)到所期望的電動(dòng)機(jī)速度所需要的所期望的電動(dòng)機(jī)電流；在多項(xiàng)式流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所期望的電流和實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并且輸出是通過PAP設(shè)備的流量。在第二相關(guān)實(shí)施例中，在表查找操作中輸入的電流是實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流減去由于加速度或減速度引起的分量，在這種情況下的電流是維持電動(dòng)機(jī)速度所期望的。


為了進(jìn)一步滿足所述目的，參考附圖提供了本發(fā)明典型實(shí)施例的詳細(xì)描述，附圖不是意于限制本發(fā)明的范圍，其中圖1是壓力和實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流的跡線，示出了實(shí)踐中電動(dòng)機(jī)繞組電流多么嘈雜；圖2是根據(jù)本發(fā)明的PAP設(shè)備的示意性描述；圖3示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的算法過程；圖4示出由圖2的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的可替換的優(yōu)選算法過程；以及圖5示出在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，由硬件和固件分別執(zhí)行的功能。
具體實(shí)施例方式
在圖2中，公開了用于計(jì)算流量的系統(tǒng)。鼓風(fēng)機(jī)6具有風(fēng)扇8，其從入口10取得空氣，施加扭矩以便在渦殼12內(nèi)將空氣增壓，并且通過出口14輸送空氣。在典型操作期間，風(fēng)扇8以大約20000RPM旋轉(zhuǎn)。所輸送的壓力能夠在4-20cmH2O范圍內(nèi)，體積流量在0和150L/min之間。所示的鼓風(fēng)機(jī)6可以由另一種鼓風(fēng)機(jī)/渦殼設(shè)計(jì)替代，例如軸向風(fēng)扇，只要操作范圍包含這些參數(shù)。
典型的電動(dòng)機(jī)16向風(fēng)扇供能，其中電動(dòng)機(jī)是24V繞線式無刷DC電動(dòng)機(jī)。其他電動(dòng)機(jī)將以相似的可用方式做出響應(yīng)。
系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)6能夠在風(fēng)扇渦殼12內(nèi)給與空氣壓差(pressure head)。電動(dòng)機(jī)供應(yīng)的扭矩使得在空氣穿過鼓風(fēng)機(jī)時(shí)對(duì)空氣做功。理論上，產(chǎn)生的扭矩與空氣的密度、體積流量、風(fēng)扇葉輪內(nèi)外半徑、以及空氣進(jìn)入和離開鼓風(fēng)機(jī)時(shí)空氣流速的正切分量有關(guān)。該關(guān)系被給出如下τ＝ρQ(r0V0-riVi)，其中τ＝扭矩ρ＝密度Q＝體積流量r＝半徑，以及V＝正切空氣流量τ＝KI，其中K＝電動(dòng)機(jī)常數(shù)，以及I＝繞組電流電動(dòng)機(jī)16發(fā)展的總扭矩主要用在三個(gè)領(lǐng)域?qū)鼓Σ梁驼硿饔镁S持速度；改變速度；和經(jīng)由鼓風(fēng)機(jī)提供壓差和流量。速度指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和鼓風(fēng)機(jī)組件的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)16發(fā)展的扭矩可以理想地與流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流I相關(guān)，如與電動(dòng)機(jī)常數(shù)K呈正比一樣。
從這些關(guān)系，可能使電動(dòng)繞組中的電流I與通過鼓風(fēng)機(jī)6的體積流量Q相關(guān)，如果風(fēng)扇8的速度已知。
電動(dòng)機(jī)16、風(fēng)扇8和鼓風(fēng)機(jī)6的充氣裝置、空氣輸送管和面罩(未示出)可以在數(shù)學(xué)上建模為第一級(jí)系統(tǒng)，其中電動(dòng)機(jī)16所需的能量與輸送的空氣質(zhì)量呈正比(其中，空氣在所涉及的壓力處被看作不可壓縮的)。從該第一級(jí)方程導(dǎo)出的傳遞函數(shù)是G＝1/(as+k)，其中由于系統(tǒng)中的電和充氣損失(包括風(fēng)扇室內(nèi)的空氣再循環(huán)，和通過漏氣和CO2沖洗(flush)的空氣損失)引起能量損失分量。阻尼分量(還減少輸送給空氣的能量)是涉及壓縮、溫度增加和空氣抽吸的能量輸送機(jī)構(gòu)引起的。
從這些關(guān)系中排除的人為因素包括例如電動(dòng)機(jī)中的銅損失；渦殼內(nèi)發(fā)展的湍流；在葉片尖部由壓縮引起的氣流分離；空氣的可壓縮性；在空氣和鼓風(fēng)機(jī)之間的摩擦；由于海拔高度或溫度的改變引起的空氣密度變化；由于操作溫度引起的電動(dòng)機(jī)參數(shù)K的變化；以及由于軸承潤(rùn)滑脂的變化引起的電動(dòng)機(jī)摩擦的變化等。在大部分系統(tǒng)中，這些人為因素可以忽略，但是可能降低流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且因此在不好的系統(tǒng)性能中應(yīng)該被考慮。最明顯的人為因素是空氣密度的變化。然而，這可以通過使電流和質(zhì)量流量而不是和體積流量相關(guān)來克服。如果設(shè)備將在不同海拔高度操作，這應(yīng)該被考慮。
以上等式描述了用于測(cè)量Q的理想位置。然而，實(shí)際的模型是非常復(fù)雜的，且難以精確建模。為了克服該問題，如下所述，基于系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)力學(xué)的物理理解，系統(tǒng)被經(jīng)驗(yàn)建模。
本發(fā)明的流量估計(jì)算法是需要至少兩個(gè)輸入的多項(xiàng)式計(jì)算。這兩個(gè)輸入?yún)?shù)是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。本發(fā)明的流量估計(jì)算法的第一輸入?yún)?shù)與電動(dòng)機(jī)速度有關(guān)。優(yōu)選地，該輸入?yún)?shù)是實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，RPM_ACT。優(yōu)選地，使用通常與微控制器通信的霍耳效應(yīng)速度傳感器之一來確定實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，RPM_ACT。該流量估計(jì)算法的第二輸入?yún)?shù)與維持該電動(dòng)機(jī)速度所需的電動(dòng)機(jī)電流相關(guān)。該第二輸入?yún)?shù)是由所期望的電動(dòng)機(jī)電流I_DES定義的。存在許多種不同的方法，其中，I_DES可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)速度的控制來被確定。
參考圖2，使用電動(dòng)機(jī)電子設(shè)備中的放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)32來測(cè)量實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT。電動(dòng)機(jī)電流通過低感應(yīng)系數(shù)的電阻34接地。在該電阻上產(chǎn)生的電壓與通過電動(dòng)機(jī)繞組的電流近似呈比例。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器由微控制器18讀取實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT。對(duì)于流量估計(jì)算法的操作，測(cè)量該I_ACT的方法不是特定的，并且諸如使用霍耳效應(yīng)感測(cè)的其他方法包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中(見圖3)，測(cè)量實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，RPM_ACT，并對(duì)其進(jìn)行微分，以提供對(duì)轉(zhuǎn)子加速度，ACL的估計(jì)。加速度，ACL乘以一個(gè)常數(shù)值C。該常數(shù)值C優(yōu)選等于風(fēng)扇組件慣量J除以電動(dòng)機(jī)常數(shù)K(C＝J/K)。該實(shí)際的C值是通過校準(zhǔn)過程實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的，從而使在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中的未知人為因素和誤算的影響最小化。該結(jié)果是對(duì)電動(dòng)機(jī)加速度或減速度所需的總電流分量的估計(jì)，I_ACL(ACL×C＝I_ACL)。
在該實(shí)施例中，通過從所測(cè)量的實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT中減去I_ACL來確定所期望的電動(dòng)機(jī)電流I_DES。所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES，等于維持電動(dòng)機(jī)速度并產(chǎn)生氣流所用的電流。使用在校準(zhǔn)過程中從實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的已知操作參數(shù)計(jì)算氣流。根據(jù)已知的電動(dòng)機(jī)速度(RPM_ACT)和所期望的電流(I_DES)的操作參數(shù)，電動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)和風(fēng)扇特征被壓縮為多項(xiàng)式系數(shù)。因此，通過多項(xiàng)式計(jì)算饋送I_DES和RPM_ACT，從而確定該估計(jì)的氣流Q。
在優(yōu)選實(shí)施例中，使用插值二維查找表計(jì)算多項(xiàng)式，其中，輸入該表的是RPM_ACT和I_DES，輸出是氣流Q，其在校準(zhǔn)期間存在于該操作點(diǎn)。可以使用其他使RPM_ACT和I_DES與氣流Q相關(guān)的結(jié)構(gòu)和方法來替代查找表。
在本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例中，存在控制結(jié)構(gòu)，用于維持電動(dòng)機(jī)16的速度(見圖2和4)。可以理解的是，該速度能夠改變，因?yàn)椴煌膲毫π枰煌乃俣取Ｈ欢?，在給定的固定速度(或速度設(shè)定點(diǎn))處，圖4和5的控制結(jié)構(gòu)從載荷或干擾扭矩濾出擾動(dòng)，使得速度基本是常數(shù)。因此，存在最小的無意的轉(zhuǎn)子加速度，使得該加速度基本等于零。從而，不存在加速度引起的附加電流I_ACL，該電流在流量估計(jì)計(jì)算中需要被考慮。因此，實(shí)際電流，I_ACT可被看作基本等于所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES。
在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施例中，使用圖4中所示的電動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES，將電動(dòng)機(jī)速度基本維持為常數(shù)，輸入?yún)?shù)是維持電動(dòng)機(jī)在恒定速度所需的所確定的電動(dòng)機(jī)電流，其中，伺服控制器維持實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT，接近于所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES。通過使用控制電動(dòng)機(jī)電流，所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES的干凈的伺服輸入，而不是使用具有噪聲的測(cè)量的實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流值，I_ACT，該實(shí)施例具有優(yōu)勢(shì)地提供了附加的優(yōu)勢(shì)。
控制結(jié)構(gòu)(圖4和5)是閉合環(huán)路，二級(jí)速度控制器，其包含在反饋環(huán)路中的兩段18和20。段1居于Hitachi SH1微控制器上的固件中，其包含流量估計(jì)算法。所期望的電動(dòng)機(jī)速度，RPM_DES，由PAP設(shè)備本身的治療算法指定。通過從所期望的速度，RPM_DES中減去實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，RPM_ACT(如上所述使用通常與微控制器通信的霍耳效應(yīng)速度傳感器之一來確定)來計(jì)算速度誤差，RPM_ERR。所期望的設(shè)定點(diǎn)來自內(nèi)部查找表，其將所存儲(chǔ)的期望的治療壓力轉(zhuǎn)換為所期望的電動(dòng)機(jī)速度，RPM_DES。(該查找表在海平面是有效的，但是在較高的海拔會(huì)有誤差(低估所需要的電動(dòng)機(jī)速度))。
實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度RPM_ACT被從所期望的速度RPM_DES(由所需要的瞬時(shí)壓力確定)中減去，從而提供誤差信號(hào)RPM_ERR，其被饋送到調(diào)諧PID控制系統(tǒng)22，并且該輸出是與所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES對(duì)應(yīng)的值。積分前項(xiàng)(integral forward term)確保零靜態(tài)誤差，而導(dǎo)數(shù)反饋項(xiàng)(feedback term)允許最優(yōu)的阻尼和穩(wěn)定性，而沒有不應(yīng)有的復(fù)雜性。使用的特定PID實(shí)現(xiàn)方式是偽導(dǎo)數(shù)反饋系統(tǒng)，其通過如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的在前向路徑上積分之后注入比例項(xiàng)，避免了導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的實(shí)際計(jì)算。在具有積分前向路徑的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)數(shù)反饋系統(tǒng)中，導(dǎo)數(shù)項(xiàng)與設(shè)定點(diǎn)求差，從而產(chǎn)生包含導(dǎo)數(shù)信息的誤差項(xiàng)。該誤差項(xiàng)然后被積分，產(chǎn)生比例前項(xiàng)，由此如同計(jì)算噪聲導(dǎo)數(shù)(noise prone derivation)一樣提供相同的能量傳遞函數(shù)[見，Richard M.Phelan，Cornell大學(xué)出版社，1987年的“Automatic Control Systems”]。
在使用積分前項(xiàng)的系統(tǒng)中，大信號(hào)的穩(wěn)定性和瞬時(shí)恢復(fù)通過在非線性行為期間(例如啟動(dòng)期間)限制積分器來獲得。限制積分的輸出確保最終的控制輸出是在它的線性范圍內(nèi)。
所期望的信號(hào)，I_DES，隨著扭矩的改變而變化是電動(dòng)機(jī)所需要的，以便維持恒定的速度。所期望的電流，I_DES，提供了與電動(dòng)機(jī)功率呈比例的信號(hào)，具有穩(wěn)定的和線性的傳遞函數(shù)映射，并允許能量供應(yīng)23的容量的最優(yōu)使用(圖2)。作為最終控制變量的電動(dòng)機(jī)電壓的最常規(guī)的使用(或者使用實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流)具有非常不穩(wěn)定的和非線性的傳遞函數(shù)(與該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相比)，并且需要限制保護(hù)的附加電流，用于在電動(dòng)機(jī)供應(yīng)的能量和輸送給患者的空氣質(zhì)量之間適當(dāng)協(xié)作。
段2在硬件中以在具有微控制器18的反饋配置中具有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MOSFET 26的MC33033無刷DC電動(dòng)機(jī)控制IC 24的形式實(shí)現(xiàn)(圖4)?？刂葡到y(tǒng)的內(nèi)部環(huán)路28，作為硬件20的一部分，與來自外部環(huán)路30(其包括段1和鼓風(fēng)機(jī))的所期望的電動(dòng)機(jī)電流值，I_DES具有反饋關(guān)系，并且接受來自外部環(huán)路30(其包括段1和鼓風(fēng)機(jī))的所期望的電動(dòng)機(jī)電流值，I_DES。經(jīng)由驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 26的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，I_PWM，控制送至電動(dòng)機(jī)16的功率。
更加特別地，從軟件控制環(huán)路得到的信號(hào)被從微控制器18延伸到PWM控制電路24?？刂齐娐返妮斎?，I_DES，被低通濾波，并被按比例縮小，將I_SET或設(shè)定點(diǎn)提供給提供正確電動(dòng)機(jī)速度的電流，其是電動(dòng)機(jī)控制硬件20所有的，從而控制電動(dòng)機(jī)電流。電動(dòng)機(jī)控制硬件被配置為跨導(dǎo)放大器，使得來自微控制器的信號(hào)被看作電流設(shè)定點(diǎn)，I_SET，并被轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。
該I_SET信號(hào)被饋入放大器32的正輸入端(圖5)，并被用作基準(zhǔn)輸入。經(jīng)由沿與較低MOSFET 26串聯(lián)的低感應(yīng)系數(shù)電阻34的電壓下降來感測(cè)實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT。所感測(cè)的電動(dòng)機(jī)電流，I_ACT被饋入放大器32的負(fù)輸入端作為反饋信號(hào)。通過充當(dāng)比較器放大器32維持內(nèi)部環(huán)路，當(dāng)實(shí)際電流，I_ACT，接近電流設(shè)定點(diǎn)I_SET時(shí)關(guān)閉在每個(gè)PWM周期中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。從而，控制器控制在每個(gè)PWM周期內(nèi)的峰值電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。
總共存在六個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的MOSFET(即，MOSFET，H-橋)。MOSFET中的三個(gè)用于每個(gè)相位的整流的上部支路(1eg)，并且另三個(gè)用于每個(gè)相位的較低的支路。
在優(yōu)選實(shí)施例中，流量速率估計(jì)根據(jù)二維查找表，其中輸入是所期望的電流，I_DES和實(shí)際速度RPM_ACT，并且輸出是流量Q。該二維表的值表示電動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇特征，其根據(jù)電動(dòng)機(jī)速度，RPM_ACT和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，I_DES的已知操作參數(shù)，被壓縮成多項(xiàng)式系數(shù)。因此，該插值過程等同于將I_DES和RPM饋送通過精確的多項(xiàng)式方程，用于確定空氣流量Q。
從速度RPM_ACT和所期望的電流I_DES計(jì)算的流量Q的值是在校準(zhǔn)期間存在于該操作點(diǎn)的那些，其中，該實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出值最小化了由人為因素引起的誤差。這里，所期望的速度I_DES表示實(shí)際繞組電流，I_ACT，但是不與實(shí)際電流一樣經(jīng)受信號(hào)噪聲。因此，使用實(shí)際繞組電流，I_ACT，的較低精確度的值測(cè)量流量是不需要的。反饋配置允許所述期望的電流被替代使用。
在使用中，在晚上患者進(jìn)行由PAP設(shè)備支持的呼吸，并且通過鼓風(fēng)機(jī)組件6的氣流波動(dòng)改變了風(fēng)扇8所需要的扭矩。扭矩的改變導(dǎo)致從能量供應(yīng)23供應(yīng)給電動(dòng)機(jī)16的電流的改變，其中圖4和5中的控制系統(tǒng)維持電動(dòng)機(jī)電流。所期望的電動(dòng)機(jī)電流值(I_DES)然后可以通過監(jiān)視控制系統(tǒng)來確定，并且由控制系統(tǒng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)電流，以便維持轉(zhuǎn)子速度。使用在電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制器20之間通信的霍耳效應(yīng)傳感器(內(nèi)置于電動(dòng)機(jī)定子)測(cè)量電動(dòng)機(jī)速度，使得該電動(dòng)機(jī)速度(RPM_ACT)可以被報(bào)告回微控制器18。
該算法過程使用電動(dòng)機(jī)控制器硬件28和微控制器18，將電動(dòng)機(jī)速度(RPM_ACT)維持在適當(dāng)?shù)某?shù)值，得到最小的無意轉(zhuǎn)子加速度值。實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流I_ACT等同于反抗摩擦維持電動(dòng)機(jī)速度并產(chǎn)生氣流所使用的所期望的電流I_DES(除了在實(shí)際電流中的非線性影響，如上述)。最后，所期望的電流I_DES和鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際速度RPM_ACT值被饋入流量估計(jì)算法，其提供在該時(shí)刻的流量。
代替查找表方法，使RPM_ACT和I_DES與氣流Q相關(guān)的其他結(jié)構(gòu)和方法是有效的，并且可以容易地被實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)損壞作為整體的流量估計(jì)操作。而且，在與電動(dòng)機(jī)控制和治療算法相同的微控制器(Hitachi SH1)上執(zhí)行流量估計(jì)算法。然而，許多邏輯設(shè)備可以令人信服地用于估計(jì)流量，并且它可以是與其它控制設(shè)備分離的設(shè)備。在流量估計(jì)所用的這些設(shè)備上安置的條件是處理速度和算法所需要的存儲(chǔ)器。因此，可以應(yīng)用不同的微控制器或邏輯結(jié)構(gòu)，而不影響流量的估計(jì)。而且，控制器內(nèi)在的且與流量Q呈比例的其他值可以代替I_DES來確定流量Q，例如PID的積分項(xiàng)。
控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是任意的，條件是所期望的電動(dòng)機(jī)電流存在于控制結(jié)構(gòu)的軟件部分中，且對(duì)于流量估計(jì)算法是可訪問的。調(diào)節(jié)繞組電流的控制結(jié)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流，從而具有充分小的誤差容許值，以允許假定電動(dòng)機(jī)電流有效。另外，控制系統(tǒng)作為整體執(zhí)行充分良好，從而維持電動(dòng)機(jī)速度具有足夠小的誤差容許值，其假定速度性能可接受，且不會(huì)降低不可接受水平之外的流量估計(jì)性能。
因此，已經(jīng)公開了這樣的方法和裝置，其用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流。所述方法包括如下步驟確定鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度并將它與所期望的速度比較，確定所期望的電動(dòng)機(jī)電流，使得電動(dòng)機(jī)速度接近所期望的速度，以及在流量估計(jì)算法中使用實(shí)際鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過PAP設(shè)備的流量。該估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所期望的電流和實(shí)際的電動(dòng)機(jī)速度，輸出是通過PAP設(shè)備的流量。
本發(fā)明可以以其他特定形式實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)脫離其精神或本質(zhì)特征。所描述的實(shí)施例是在所有方面進(jìn)行考慮的，僅作為示例，而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由后附權(quán)利要求及其組合整體或部分指示，而不是由前述說明書指示。所有在該意義和權(quán)利要求的等同的范圍內(nèi)的改變包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法，包括如下步驟測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定所期望的電動(dòng)機(jī)電流，使得所述電動(dòng)機(jī)速度接近所期望的速度；以及在流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所期望的電流和實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并且輸出是通過所述PAP設(shè)備的所述流量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，并將其用在伺服環(huán)路中與所期望的電流一起來控制所述電動(dòng)機(jī)速度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，在兩段式控制器中實(shí)現(xiàn)，其中，第一段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行操作，從而導(dǎo)出所期望的電動(dòng)機(jī)電流；并且第二段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所期望的電動(dòng)機(jī)電流和所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行操作，使得后者接近前者。
5.如權(quán)利要求0所述的方法，其中，所述第一段包括調(diào)諧PID，其中，所述PID的輸入是由所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度之間的差值定義的速度誤差信號(hào)，并且所述PID的輸出是指示所期望的電動(dòng)機(jī)電流的信號(hào)。
6.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的裝置，其中該裝置測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定所期望的電動(dòng)機(jī)電流，使得所述電動(dòng)機(jī)速度接近所期望的速度；以及在流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
7.如權(quán)利要求0所述的裝置，其中，所述估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所期望的電流和實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并且輸出是通過所述PAP設(shè)備的所述流量。
8.如權(quán)利要求0所述的裝置，其中，測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流并將其與所期望的電流一起使用來控制所述電動(dòng)機(jī)速度。
9.如權(quán)利要求0所述的裝置，在兩段式控制器中實(shí)現(xiàn)，其中，第一段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行操作，從而導(dǎo)出所期望的電動(dòng)機(jī)電流，并且第二段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所期望的電動(dòng)機(jī)電流和所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行操作，使得后者接近前者。
10.如權(quán)利要求0所述的裝置，其中，所述第一段包括調(diào)諧PID，其中所述PID的輸入是由所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度之間的差值定義的速度誤差信號(hào)，并且所述PID的輸出是指示所期望的電動(dòng)機(jī)電流的信號(hào)。
11.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法，包括如下步驟測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定維持所期望的電動(dòng)機(jī)速度所需要的所期望的電動(dòng)機(jī)電流；在多項(xiàng)式流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所期望的電動(dòng)機(jī)速度等于所測(cè)量的實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過微分所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度來導(dǎo)出加速度電流分量，并且通過從所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流中減去所述加速度電流分量來確定所期望的電動(dòng)機(jī)電流。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，并將其用在伺服環(huán)路中與所產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)電流一起來控制所述電動(dòng)機(jī)速度。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所期望的電動(dòng)機(jī)電流和實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并且輸出是通過所述PAP設(shè)備的所述流量。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，在兩段式控制器中實(shí)現(xiàn)，其中，第一段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行操作，從而導(dǎo)出所期望的電動(dòng)機(jī)電流，并且第二段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所期望的電動(dòng)機(jī)電流和所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行操作，使得后者接近前者。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一段包括調(diào)諧PID，其中，所述PID的輸入是由所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度之間的差值定義的速度誤差信號(hào)，并且所述PID的輸出是指示所期望的電動(dòng)機(jī)電流的信號(hào)。
19.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的裝置，其中，所述裝置測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定維持所期望的電動(dòng)機(jī)速度所需要的所期望的電動(dòng)機(jī)電流；在多項(xiàng)式流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
20.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法，包括如下步驟測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度；確定維持所期望的電動(dòng)機(jī)速度所需要的所期望的電動(dòng)機(jī)電流，其中，所期望的電動(dòng)機(jī)速度被預(yù)定為輸送所期望的壓力所需要的電動(dòng)機(jī)速度；以及在多項(xiàng)式流量估計(jì)算法中使用所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)電流，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
21.一種用于在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法，包括如下步驟生成具有基于鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度的速度大小的參數(shù)；生成具有基于所述鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的操作特征的電流大小的參數(shù)；以及在流量估計(jì)算法中使用所述速度大小參數(shù)和所述電流大小參數(shù)，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述流量估計(jì)算法使用二維查找表，其輸入是所述速度大小參數(shù)和所述電流大小參數(shù)，并且輸出是通過所述PAP設(shè)備的流量。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，并將其用在伺服環(huán)路中與所述電流大小參數(shù)一起來控制所述電動(dòng)機(jī)速度。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，在兩段式控制器中實(shí)現(xiàn)，其中，第一段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行操作，從而導(dǎo)出所述電流大小參數(shù)，并且第二段包括反饋環(huán)路，其用于對(duì)所述電流大小參數(shù)和所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行操作，使得后者接近前者。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述第一段包括調(diào)諧PID，其中，所述PID的輸入是由所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度和所期望的電動(dòng)機(jī)速度之間的差值定義的速度誤差信號(hào)，并且所述PID的輸出是指示所述電流大小參數(shù)的信號(hào)。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，測(cè)量所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流，通過微分所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度來導(dǎo)出加速度電流分量，并且通過從所述實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流中減去所述加速度電流分量來確定所述電流大小參數(shù)。
全文摘要
公開了在應(yīng)用PAP療法的同時(shí)用于確定通過PAP設(shè)備的氣流的方法和裝置。測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)6的實(shí)際速度。在流量估計(jì)算法中，與實(shí)際速度RPM ACT一起，使用使實(shí)際速度接近或維持所期望的速度所需要的所期望的電動(dòng)機(jī)電流I DES，從而確定通過所述PAP設(shè)備的流量。估計(jì)算法包括二維查找表，其輸入是所期望的電動(dòng)機(jī)電流和實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度，并且輸出是通過所述PAP設(shè)備的流量。
文檔編號(hào)H02P7/06GK101060878SQ200580038126
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者史蒂文·保羅·法魯齊亞, 克里斯蒂安·湯姆森, 馬修·奧爾德, 特雷西·布利萬特 申請(qǐng)人:雷斯梅德有限公司