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便攜式設計

借助于工程技術的進步，醫療設備制造商持續在自己的產品組合當中提供越來越多的便攜式設備。更小外形尺寸和更多便攜設備的好處是顯而易見的，因為這將可以讓醫療專業人士將更多先進產品更快地投入患者可以獲益的地方;而這可能意味著生與死的區別。即使借助工程的進步，對于產品設計人員來說，將客戶設計要求放到相對較小的機器內仍然是一項困難的挑戰。

對于減小尺寸的追求也擴展到大型儀器上。根據派克漢尼汾公司對實驗室設備制造商和用戶的調查，組件小型化對于幫助他們滿足儀器占用更小實驗室空間，使用更少試劑以及使用更小測試樣本這些需求來說至關重要。此外，調查受訪者還表示，這些因素對于降低儀器的購買成本也至關重要。

圖1  一個2線PWM設計

優化泵的設計和選擇

尺寸的減小要求在子組件設計階段就要保證正確的設計，這也包括泵。優化泵的設計和控制方式，可以促成更加緊湊的氣動回路。這通常是通過平衡高流量和低流量運行周期來實現，以便可以使用更小尺寸的泵。此外，通過讓泵在與需求相匹配的水平工作，可以實現更高的工作效率，使用更小功率的泵以及尺寸更小的電池。而為了實現所有這些目標，就需要主動對泵的速度和流量進行控制。

例如，環境監測設備通常要求廣泛的動態氣體流量范圍，以便對工作空間環境進行采樣。這些設備還必須盡可能可便攜，并且能夠在無需對電池重新充電的情況下運行一整天。對單個氣動泵進行適當動態控制將可以讓這一切成為可能，而更高的效率意味著可以減小電池尺寸。

大多數生命科學和醫療器械與設備制造商都要求對泵所產生的氣體流量實現更多控制，以便實現更好的患者治療和更準確的患者監測。這種流量靈活性可通過大多數隔膜泵來實現。然而，成功的實施需要OEM工程師和泵供應商應用工程師緊密合作。

圖2  外部PWM的設置

速度控制方法與實施

速度控制通常用于所有類型的派克精密流體電機，包括：鐵芯永磁直流(PMDC)電機，無芯直流有刷電機，以及無刷直流(BLDC)電機。

有多種控制電機/泵速度的常用方法。雖然外部脈沖寬度調制(PWM)控制是比較優選的控制方法，但仍需要由OEMs根據其特定應用確定最佳控制方式。下列描述提供了不同方法的概述。

輸入電壓(有刷或BLDC機)

通過調節電壓可以成比例地改變電機的速度。例如，一臺12 Vdc泵的流量在電壓調節到6Vdc過程中會逐漸減小(取決于應用)。

輸入電壓PWM(有刷或BLDC電機)

與調節電壓類似，也可以通過減小有效電壓來降低電機速度。較低電壓是通過快速(通常為20 kHz)關斷固定輸入電壓來模擬。通/斷時間比率(占空比)將會決定施加到電機的有效電壓。

這種技術通常被稱為“2-線”PWM，是控制泵速度最簡單的方法之一。客戶設備的基本要求就是一個PWM信號，它經常是從微控制器和功率晶體管發出。通過對電機的輸入電壓進行高頻接通和關斷，將會降低電機的平均功率。下圖顯示了一個“低壓側”PWM驅動器的例子，其中電機接地由“客戶PCBA”進行切換以降低電機速度。

對于有刷電機來說，2-線PWM是最常用的控制方法，并且也非常有效。對于無刷直流(BLDC)電機它也同樣有效，但的確也存在一些限制。許多BLDC電機具有內部控制器，必須保持一個最低電壓以便正常運行。在對輸入電壓施加PWM周期時，也會降低對于控制電子系統的有效電壓;這將會限制可用的速度控制范圍。在這種情況下，使用一個外部PWM控制系統可以提供更廣的范圍。

外部PWM(僅限于BLDC電機)

電機前兩根導線上的輸入電壓是固定電壓，并且不會改變;速度是通過在第三根導線上施加一個PWM信號來進行調節。一個低電流信號將會在外部以高頻(通過系統控制器)對地進行開關。內部BLDC電機控制器將會對該信號做出響應，以便依照信號占空比成比例地降低速度。

在可能的情況下，這是控制BLDC隔膜泵速度的推薦方法。該方法將會對泵設備提供最動態的控制，并且還可以在某些情況下簡化電路設計，因為只需要一個低電流晶體管來開關信號。

大多數帶有PWM的隔膜泵要求在OEM設計的PCBA設備上提供一個“開漏”或“開路集電極”回路，以便提供PWM信號。BLDC電機擁有一個內部正偏電阻，以便開漏或集電極開路電路可以主動將該電壓接地，作為PWM信號的下沿部分。

0-5 Vdc模擬速度輸入(僅限于BLDC電機)

在這種模式下，前兩條導線上的輸入電壓是固定的，并且不會改變;速度是使用施加到第三根導線的外部供電直流電壓加以調節。內部BLDC電機控制器通過以線性比例對輸入電壓做出響應來降低速度。例如，5 Vdc對應于100%的速度，2.5 Vdc對應于50%的速度，0 Vdc時電機將會關閉。

在某些應用當中，提供一個PWM信號可能不可行，或者不是系統設計人員的優選方法。許多BLDC電機提供外部模擬直流信號輸入，在這種情況下，可以向電機提供一個直流電壓來運行電機，但通過一個單獨的低電流的0-5 Vdc輸入信號來控制泵的速度。

實際控制電壓的范圍可能會因電機而異，但概念是相同的：0 Vdc電機不運行，5Vdc代表全速運行，而0-5 Vdc范圍內的信號用于調節泵的速度。

速度監測 – 轉速計

許多BLDC電機還可以輸出一個轉速計信號，以便所設計的設備可以監測實際的泵速度。該信號是一個數字脈沖，可用于確定泵的速度。

如果應用當中需要泵以非常低的速度運行，那么這種設計就非常有用;根據這一信息，設備控制器可以在泵開始失速的情況下提高速度。此外，它還可以提供額外的安全和/或診斷反饋，用以確定系統是否正常運行。

設計挑戰 控制輸入與速度

電機的速度控制信號可以降低或提高流速;但是，這不是一種直接線性的關系。因此，在固定的50%PWM信號下，泵速度將會降低，但不會精確地降低50%。此外，當泵負載改變時，泵的速度也會改變，即使PWM信號是固定的。

最大電機速度可以通過泵配置或者應用當中的壓力/真空負載進行降低。轉矩和轉速具有線性關系，當需要更大轉矩來運行泵的時候，電機將會減速。

電機失速

如果泵發生失速，泵電機可能會受損。當電機轉子鎖定在該位置，并且電源繼續向電機供電時，熱量將會增加，并可能會導致內部控制器損壞。使用速度控制來降低速度時，電機失速會更可能發生，因此應當對此密切監測。

建議系統設計人員在對泵供電時采用安全的電流限值或保險絲。當發生泵失速時，這將有助于防止對泵電機和系統造成損壞。

以較低速度重新啟動

使用任何速度控制方法都會降低電機的有效功率。如果在重新啟動的過程中減速，啟動轉矩將會下降。設計人員必須確保在速度降低時，泵在所有情況(比如壓力負荷和環境溫度)下都能夠重新啟動。

建議頻率

在使用PWM速度控制方法時，推薦的頻率為20 kHz。低于20 kHz的頻率可能會造成蜂鳴聲，而使用更高頻率可能會由于晶體管的上升和下降時間而限制控制范圍，可能會由于開關頻率如此之快，一個低或高占空比信號被顯示為0%或100%，因為晶體管無法足夠快地進行開關。此外，對于某些電機和控制回路來說，高于20 kHz的PWM頻率可能會使效率下降。

總結

如同許多工程設計和產品設計領域一樣，由于組件供應商對于組件擁有固有的專長優勢，而OEM工程師則必須將來自所有行業的組件加以集成，因而上述二者進行緊密協作非常必要，這將會使產品設計產生更好的結果。

在本案例當中，這意味著通過優化泵的選擇與控制，實現更小、更高效和便攜式的醫療與生命科學設備。此外，派克在電機與泵設計方面的專業經驗有助于加速定制化和原型機生產，從而幫助減少設計時間和成本。