CC BY
84
от 10 мин"1 до 1000 мин"1. Следует особо отметить, что применение нового алгоритма позволило удовлетворить жесткие требования по стабилизации частоты вращения и энергопотреблению (электропривод ИВЛ питается от автономного источника), недостижимые со старым алгоритмом, без какой-либо доработки аппаратной части, рассчитанной лишь на позиционную коммутацию обмоток статора ВД. Более того, из электропривода удалось исключить энкодер, используемый ра-
зации.
Список литературы
1. Коробатов, Д.В. Методика уменьшения пульсаций момента вентильного двигателя при несинусоидальном распределении поля. / Д.В. Коробатов, С.Г. Воронин // Механика и процессы управления: труды XXXVI уральского семинара. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - Т. 1. - С. 284-291.
2. Коробатов, Д.В. Способы реализации векторного управления вентильным электродвигателем / Д.В. Коробатов, Н.Ю. Сидоренко // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2004. - вып. 5. - № 4(33). -С. 84-88.
3. Воронин С.Г. Электропривод летательных аппаратов: Конспект лекций. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2006 - Ч. 1 - 171с.
УДК 62-529/612.216.3
ЭЛЕКТРОПРИВОД КЛАПАНА ВЫДОХА АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ
П. О. Шабуров, Е.А. Маргацкая
Южно-Уральский государственный университет (НИУ), Россия, г. Челябинск pascha555argo@mail.ru, nara-87@rambler.ru
При проведении ИВЛ основное внимание необходимо уделять предупреждению избыточного давления в альвеолах. В многочисленных экспериментальных и клинических работах показано, что невнимание к этим факторам приводит к поражению легких, прогрессирова-.
Создание современных режимов ИВЛ, главной задачей которых
является сохранение спонтанной дыхательной активности пациента на
-
ции, стало возможно после внедрения в практику ИВ Л "активного клапана выдоха".
Активный клапан выдоха - это конструктивный элемент аппарата ИВЛ, который находится под активным контролем во время обоих фаз (вдоха и выдоха) дыхательного цикла. Клапан предназначен для поддержания целевого давления в дыхательных путях и в то же время обеспечивает возможность контроля над спонтанными дыханиями пациента во время инспираторной фазы вентиляции с контролем по давлению. Это достигается путем приложения давления к диафрагме выдоха равного давлению, установленному врачом. Если давление во время вдоха по любой причине поднимается выше установленного врачом предела, избыточный поток сбрасывается в атмосферу и давление возвращается к заданному уровню. Таким образом, активный клапан выдоха - это важный элемент обеспечения синхронности пациента и вентилятора в режиме принудительной ИВЛ с контролем по давле-.
-
пан выдоха аппарата искусственной вентиляции легких [1], в котором
-
ми под действием потока воздуха от вентилятора, а в исходное положение возвращается под действием пружины. Недостатками данного технического решения являются сложность управления, недостаточно высокое быстродействие ввиду наличия такого инерционного звена, как пружина, и недостаточно высокая точность позиционирования
.
Также из существующего уровня техники известен клапан выдоха аппарата искусственной вентиляции, в котором положение заслонки дросселя регулируется с помощью шагового двигателя по команде
микроконтроллера и контролируется датчиком угла поворота [2]. Не-
горитма управления и низкое, в сравнении с линейным двигателем, .
-
тромагнитный клапан выдоха [3], в котором диэлектрический якорь с
-
нита и совершает поступательное движение, перемещая мембрану клапана, при этом возврат в исходное положение якорь совершает под действием пружины. Недостатками данного технического решения являются недостаточно высокое быстродействие ввиду наличия такого инерционного звена, как пружина, и недостаточно высокая точность
.
Исходя из вышеперечисленных существующих клапанов выдоха и их недостатков возможно поставить техническую задачу, решение которой направлено на увеличение быстродействия и повышение точности позиционирования при минимальных габаритах электронного узла
и электропривода, что в свою очередь, позволит обеспечивать посто-
-
грешностью и высокое качество регулирования величины проходного отверстия в линии выдоха пациента.
Для достижения поставленных результатов необходимо решить задачи расчета и проектирования [4] электромеханической системы, состоящей из линейного электродвигателя и системы управления, основанной на базе средств микропроцессорной техники. Применение
-
ключить механическую передачу, упругий элемент (возвратная пружина), повысить экономичность и надежность работы привода и про.
-
на в следующем виде (рис. 1):
Рис. 1. Конструктивная схема управляемого клапана выдоха
Конструкция привода (рис. 2) представляет собой линейный двигатель со встроенным в его корпус постоянным магнитом и датчиком .
Для реализации принципа обратной связи по положению якоря с целью увеличения точности позиционирования следует применить датчик положения якоря, в качестве которого наиболее полно соответствует требованиям, в первую очередь, массогабаритных показателей датчик Холла, который также обладает высокой чувствительностью и .
Седло клапана
Постоянный магнит
4
Рис. 2. Конструктивная схема привода (1 - корпус, 2 - магнитопровод, 3 - магнит, 4 - диэлектрический якорь с обмоткой, 5 - сигнальный элемент датчика положения якоря, 6 - чувствительный элемент датчика положения якоря, 7 - крышка, 8 - мягкие упоры, 9 - выходной шток)
-
пользовать ферритовый магнит ввиду его низкой стоимости и высокой устойчивости к размагничиванию. Поскольку на распределение магнитного поля оказывают влияние размеры и тип магнита, значение
остаточной индукции, то для достижения максимальной точности из-
ты чувствительного элемента датчика, при которых выходная характеристика датчика в зависимости от перемещения якоря (11д(хя)) является максимально линейной, что упростит процесс ее аппроксимации
при описании в программе управления. В связи с тем, что выход дат-
го-цифрового преобразователя микроконтроллера, сигнал с датчика в
соответствии с предварительно снятой характеристикой 11д(хя) про-
.
-
разно выбрать импульсное управление [5], которое находит наибольшее применение в электроприводах постоянного тока, особенно в тех
случаях, когда первичная сеть выполнена на постоянном токе, что часто имеет место в автономных системах, к которым можно отнести аппарат искусственной вентиляции легких. Несомненными достоинствами такого управления является простота реализации, отличные мас-согабаритные показатели импульсных преобразователей, которые в
последнее время чаще всего выполняются на транзисторах, малые по-
намические свойства привода. Осуществлению поставленных целей в большей степени отвечает двухтактная реверсивная мостовая схема
включения двигателя, для реализации которой в качестве усилителя
-
-
ной мощностью и формой. Для подачи управляющих импульсов на входы драйвера возможно использовать микроконтроллер ATmega16 [6]. Для питания микроконтроллера должна быть предусмотрена микросхема стабилизатора.
-
тропривод с обратной связью или отдельные его контуры могут быть описаны передаточными функциями, соответствующими элементарным звеньям систем автоматического управления второго порядка, или сведены к ним [7, 8]. Тогда при помощи моделирующей программы в контур можно ввести дополнительное звено коррекции, которым в физическом смысле будет являться микроконтроллер с соответствующей программой управления, контролирующей и корректирующей поло.
Таким образом, для программной реализации принципа управле-
-
-
го или близкого к оптимальному переходного процесса, которая сводится к выбору регулятора. Функцией регулятора в данном случае будет вычисление такого управляющего воздействия (для ШИМ-управления таким значением является скважность), при котором разница между требуемым и текущим положением мембраны сводилась к нулю за минимально возможный промежуток времени. При рассмотрении ряда стандартных настроек контуров, позволяющих определить приемлемое для конкретного случая корректирующее устройство, таких как метод логарифмических амплитудных характеристик (ЛАЧХ) [7, 8], модальное управление, подчиненное регулирование, адаптивная
система с эталонной моделью, выявлено, что оптимальное качество
-
регулятора, синтезированного методом ЛАЧХ, который, в свою очередь, учитывает собственные свойства объекта и позволяет минимизи-
ровать количество вычислений. Пропорциональная составляющая регулятора вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Интегральная составляющая используется для устранения статической ошибки. Дифференциальная составляющая противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Эти отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему. Чем быстрее регулируемая величина отклоняется от заданной, тем сильнее противодействие, создаваемое дифференциальной составляющей.
Для написания программы для ЭВМ, реализующей рассчитанный
ПИД-регулятор, необходимо осуществить эквивалентный переход от
-
вестных методов программирования.
-
щей программы можно описать следующим образом [9]. Величина за-
тивной памяти. Затем, согласно принципу управления по ошибке, ко-
ния и фактическим положением объекта регулирования, величина этой разности используется в расчете ПИД-регулятора в качестве одной из составляющих. Остальные слагаемые регулятора, соответствующие предыдущим значениям входа или выхода, после текущего шага расчета заносятся в оперативную память и при извлечении этих данных на
следующем шаге уже являются историческими значениями. При этом
-
лирование на основе исторических значений положения, что существенно повышается точность. В соответствии с рассчитанной функцией в регистр сравнения таймера-счетчика поступает величина скважности. Тогда при совпадении этого значения со значением таймера-счетчика возникает прерывание, по которому программа подает сигнал высокого уровня на необходимый порт и, таким образом, формируется нарастающий фронт управляющего импульса, а спадающий фронт - при переполнении таймера. Поскольку схема управления подразумевает диагональное переключение моста, следует учитывать начальное значение сигнала широтно-импульсной модуляции, равное
0,5. Следует отмстить, что в данном алгоритме в качестве формирова-
-
ной связи следует использовать один из таймер/счетчиков. Таким образом, непрерывное регулирование электропривода позволяет поддер-
-
.
Взаимосвязь компонентов электропривода клапана выдоха на базе линейного двигателя отражает функциональная схема (рис. 3), которая
включает стабилизатор 1 для питания микроконтроллера 2, сигналы
-
ности импульсов управления 3, который соответственно управляет напряжением обмотки линейного двигателя 4. Сигнал обратной связи с датчика Холла 5 также поступает на вход микроконтроллера.
1 2 3 4
5
Рис. 3. Функциональная схема электропривода
Устройство в целом работает следующим образом. Датчик Холла 5 определяет положение объекта регулирования, которым является мембрана, осуществляющая регулирование проходного отверстия в линии выдоха пациента, путем преобразования линейного перемещения якоря двигателя 4 в напряжение, позволяющее определить текущее положение. В то же время требуемое положение объекта регули-
-
сора. Согласно заложенной в программу системе автоматического регулирования на основе принципа управления по ошибке вычисляется
значение скважности. Управляющие импульсы с требуемой величиной
-
мой посредством усилителя мощности импульсов управления 3 поступают на обмотку двигателя 4. Формируется необходимое тяговое усилие для устранения ошибки между заданным и текущим положением мембраны, а также происходит фиксирование требуемого положения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является высокое качество регулирования вели-
-
менению датчика Холла, исключение малейшей задержки выдоха па-
пользования линейного двигателя. Предлагаемая конструкция электропривода позволяет осуществить легкую разборку, сборку и дезинфекцию клапана выдоха медперсоналом среднего звена. Таким образом, разработанный привод позволяет перейти на качественно новый уровень искусственной вентиляции легких и является современным схемотехническим решением.
Список литературы
1. Пат. 6102038 США, А62В9/02. Exhalation valve for mechanical ventilator/ Douglas F.DeVries; Pulmonetic Systems Inc. - № 080327; заявл. 15.05.98, опубл. 15.08.00.
2. Пат. 2357762 Российская Федерация, МПК А61М16/00. Аппарат искусственной вентиляции легких [Текст]/ заявитель и патентообладатель ООО "Вент-Арт". - 2008103126/14, заявл. 31.01.08, опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 13 е.: ил.
3. Hamilton Medical GALILEO GOLD. http:// lungventila-tor.com/EnglishVersion/Galileo_Gold_AD.htm, дата обращения 22.10.2012
4. Лифанов В.А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Учебное пособие. Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2010.- 164 с.
5. Воронин С.Г. Электропривод летательных аппаратов. Конспект лекций. Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2006. - ч. 1, 2.
6. Естифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega: Руководство пользователя. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2007. -592 с.
7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1975. - 768 с.
8. Клиначёв Н. В. Теория систем автоматического регулирования и управления: Учебно-методический комплекс. - Offline версия 4.1. -Челябинск, 2009.
9. Вигриянов П.Г. Расчет алгоритмов коммутации многофазных вентильных двигателей. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Энергетика. - 2011. - № 34, Вып. 16. - С. 46-49.
