带eMotion智能电机控制和备用电池的MPS开源急救呼吸机

忠信

简介

2020 年 3 月，COVID-19新冠肺炎疫情迅速传播，全球急救呼吸机的短缺成为人们最大的担忧之一。呼吸机需求的激增预示着其很快就会供不应求。MPS团队也尝试在这场危机中贡献一份力量。尽管MPS并不是医疗设备制造商，但其工程师和设计师在电力电子和电机控制方面拥有丰富的经验。将其专业积淀应用于呼吸机、呼吸器和呼吸机类设备的技术架构，MPS期望能够助力抗击这次的全球性大瘟疫。
本文将介绍MPS 开源“急救呼吸机”的开发过程，同时也展示MPS 电源解决方案在增强任意电子系统设计与开发方面发挥的作用。
设计基准

解决迫在眉睫的呼吸机短缺问题有哪些具体需求？MPS在思考这个问题时寻求了创客/DIY 社区的帮助。这将我们引向麻省理工学院（MIT）一个技术和医疗团队开发的急救呼吸机项目，E-Vent。E-Vent 是一个开源项目，它致力于为世界各地的团队提供临床和设计参考信息，从而通过自动化手动气囊阀面罩 (BVM) 来制作他们自己的急救用呼吸机（见图 1）。

图1: 麻省理工学院的第3版E-Vent原型(1)注：
(1) 图片来源：麻省理工学院。


一个正规的呼吸机是很复杂的机器（见图 2）。它不仅仅简单地压迫空气进出患者肺部，还控制空气量、流速、氧气含量，甚至控制空气温度和湿度。此外，呼吸机还必须监测可能危及患者的任何情况，并触发适当警报或纠正措施。

图2: 呼吸机和气囊阀面罩（BVM）图示(2) (3)注：
(2)图片来源 Dräger.
(3)图片来源Ambu.
 
相比之下，自动化 BVM（例如 E-Vent 系统）并不是一个功能齐全的呼吸机。 虽然自动化 BVM可以提供机械换气，并包含基本的安全监测，但它只是紧急情况下使用的过渡设备，用于自动执行手动过程。自动化BVM 仅用于维持患者呼吸，直到有正规的呼吸机可用，它允许医务人员将之同时用于多名患者。
“呼吸机”一词被广泛用于描述提供机械换气的设备，但我们有必要区分紧急情况下使用的自动化BVM 设备与全功能呼吸机。BVM 设备是一种可能造成医疗风险的过渡设备，应仅在必要时使用。
设计优化的MPS急救呼吸机

MPS 的设计遵循了MIT 的 E-Vent 系统主要架构，它采用Arduino 微控制器来处理用户输入、监测关键参数并驱动直流电机以挤压 BVM，同时通过无缝电池备份改善了电源管理，并利用无刷直流 (BLDC) 智能电机改进了电机控制。这种新型设计集成了市面上已有的传动系统组件，创建出一个非常紧凑的呼吸设备（见图 3）。

图3: MPS开源“急救呼吸机”第2版原型其主要集成组件包括以下设备：

• MP2759, 带电源路径管理功能的开关充电器（作为 EV2759-Q-01A评估板的一部分）。
  
• MPM3510A, 同步降压变换器模块（作为 EVM3510A-QV-00A评估板的一部分）。
  
• MP3910A, 升压 PWM 控制器（作为 EV3910A-S-00A评估板的一部分）。
  

当然，我们可以将这些组件集成在一块定制的PCB上，但为了缩短开发时间，我们利用了每个器件已有的预制评估板，并同时创建了一个紧凑的解决方案。

图4: MPS急救呼吸机系统功能模块在该方案中，EV2759-Q-01A从标准 19V 交流电源适配器（例如笔记本电脑上使用的适配器）中获取主要输入电源，可以为呼吸机系统供电，还可以为呼吸机备用电池充电。EV2759-Q-01A的最大输入电压为 36V，可以集成 1 至 6 节串联电池，具有不同的电池调节电压和最大 3A 充电电流（见图 5）。
本方案采用的电池为14.8V、4S、6000mAh锂电池组，这种电池组广泛应用于遥控车和小型机器人。如果交流电源被断开，系统的电源和操作并不会受到干扰，急救呼吸机可以在停电或运送患者的过程中继续运行。同时，EV2759-Q-01A还可配置为在交流断电发生时触发告警；电源恢复后，解除告警。

图5: MPS EV2759板和备用电池MPM3510A 用于降低主系统电压，为 Arduino 微控制器提供持续、稳定的电源。Arduino微控制器是控制系统的器件，因此需要可靠且准确的电源供应。 MPM3510A可适应4.5V 至 36V 的宽输入电压范围，并提供低至 0.8V 的可调输出和1.2A 的连续负载电流能力。
MP3910A用于提升主系统电压，以为24V BLDC 智能电机供电。与 Arduino微控制器一样，电机驱动器也需要可靠的电源才能保持一致的性能。对急救呼吸机系统而言，不一致的电机性能将导致不准确的空气输送。而MP3910A具有标准的 9V 至 14V 输入电压范围，能够严格调节输出24V电压，从而提供足够的电流以满足峰值功率电机的需求。

图6: MPS EV3910A (左) 和EVM3510A (右)用于挤压 BVM 的电机为MPS的 EVKT-MSM942077-24，这是一款集成了MPS 智能电机模块 (MMP742077-24-C)的77W BLDC 智能电机，其外形尺寸为 42mm (NEMA-17)。EVKT-MSM942077-24是MPS的eMotionTM 伺服驱动模块和套件 系统系列产品之一。该电机通过 RS485 连接到 Arduino微控制器，并使用 MPS自己开发的“MSMMotor.h” Arduino库命令进行控制。
EVKT-MSM942077-24 提供了功能强大、紧凑且简单的解决方案，它使BLDC 电机控制变得更加容易。在其智能电机模块中，集成有一个磁性角度位置传感器、一个磁场定向控制器 (FoC) 和电源驱动器（见表 1）。该器件提供RS485 和 PULSE/DIR 两种输入接口选项，具有77W 连续功率输出和 0.3° 的位置分辨率。EVKT-MSM942077-24 允许设计人员使用电流测量来实现归位程序，以检测机械挤压臂在“打开”方向，何时接触到内置的机械挡块。这种内置挡块在电机启动期间设定零位，从而确保了一致的性能。由于无需单独的归位开关而简化了系统设计（参见图 7）。
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https://www.monolithicpower.cn/202211_11

来源：https://www.bilibili.com/read/cv19968966
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