便攜式設(shè)計

借助于工程技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療設(shè)備制造商持續(xù)在自己的產(chǎn)品組合當(dāng)中提供越來越多的便攜式設(shè)備。更小外形尺寸和更多便攜設(shè)備的好處是顯而易見的，因?yàn)檫@將可以讓醫(yī)療專業(yè)人士將更多先進(jìn)產(chǎn)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(qū)別。即使借助工程的進(jìn)步，對于產(chǎn)品設(shè)計人員來說，將客戶設(shè)計要求放到相對較小的機(jī)器內(nèi)仍然是一項(xiàng)困難的挑戰(zhàn)。

對于減小尺寸的追求也擴(kuò)展到大型儀器上。根據(jù)派克漢尼汾公司對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備制造商和用戶的調(diào)查，組件小型化對于幫助他們滿足儀器占用更小實(shí)驗(yàn)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(guān)重要。此外，調(diào)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(guān)重要。

優(yōu)化泵的設(shè)計和選擇

尺寸的減小要求在子組件設(shè)計階段就要保證正確的設(shè)計，這也包括泵。優(yōu)化泵的設(shè)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(yùn)行周期來實(shí)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)，就需要主動對泵的速度和流量進(jìn)行控制。

例如，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備通常要求廣泛的動態(tài)氣體流量范圍，以便對工作空間環(huán)境進(jìn)行采樣。這些設(shè)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(yùn)行一整天。對單個氣動泵進(jìn)行適當(dāng)動態(tài)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。

圖1：微型泵可以根據(jù)設(shè)計要求,更靈活的提供與之相匹配的電機(jī)和速度控制.

大多數(shù)生命科學(xué)和醫(yī)療器械與設(shè)備制造商都要求對泵所產(chǎn)生的氣體流量實(shí)現(xiàn)更多控制，以便實(shí)現(xiàn)更好的患者**和更準(zhǔn)確的患者監(jiān)測。這種流量靈活性可通過大多數(shù)隔膜泵來實(shí)現(xiàn)。然而，成功的實(shí)施需要OEM工程師和泵供應(yīng)商應(yīng)用工程師緊密合作。

速度控制方法與實(shí)施

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

有多種控制電機(jī)/泵速度的常用方法。雖然外部脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制是比較優(yōu)選的控制方法，但仍需要由OEMs根據(jù)其特定應(yīng)用確定*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(jī)）

通過調(diào)節(jié)電壓可以成比例地改變電機(jī)的速度。例如，一臺12 Vdc泵的流量在電壓調(diào)節(jié)到6Vdc過程中會逐漸減小（取決于應(yīng)用）。

輸入電壓PWM（有刷或BLDC電機(jī)）

與調(diào)節(jié)電壓類似，也可以通過減小有效電壓來降低電機(jī)速度。較低電壓是通過快速（通常為20 kHz）關(guān)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(jī)的有效電壓。

這種技術(shù)通常被稱為“2-線”PWM，是控制泵速度*簡單的方法之一?？蛻粼O(shè)備的基本要求就是一個PWM信號，它經(jīng)常是從微控制器和功率晶體管發(fā)出。通過對電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行高頻接通和關(guān)斷，將會降低電機(jī)的平均功率。下圖顯示了一個“低壓側(cè)”PWM驅(qū)動器的例子，其中電機(jī)接地由“客戶PCBA”進(jìn)行切換以降低電機(jī)速度。

圖2：一個2線PWM設(shè)計

對于有刷電機(jī)來說，2-線PWM是*常用的控制方法，并且也非常有效。對于無刷直流（BLDC）電機(jī)它也同樣有效，但的確也存在一些限制。許多BLDC電機(jī)具有內(nèi)部控制器，必須保持一個*低電壓以便正常運(yùn)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(tǒng)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(tǒng)可以提供更廣的范圍。

外部PWM（**于BLDC電機(jī)）

電機(jī)前兩根導(dǎo)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(dǎo)線上施加一個PWM信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個低電流信號將會在外部以高頻（通過系統(tǒng)控制器）對地進(jìn)行開關(guān)。內(nèi)部BLDC電機(jī)控制器將會對該信號做出響應(yīng)，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(shè)備提供*動態(tài)的控制，并且還可以在某些情況下簡化電路設(shè)計，因?yàn)橹恍枰粋€低電流晶體管來開關(guān)信號。

圖3：外部PWM的設(shè)置

大多數(shù)帶有PWM的隔膜泵要求在OEM設(shè)計的PCBA設(shè)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(jī)擁有一個內(nèi)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（**于BLDC電機(jī)）

在這種模式下，前兩條導(dǎo)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(dǎo)線的外部供電直流電壓加以調(diào)節(jié)。內(nèi)部BLDC電機(jī)控制器通過以線性比例對輸入電壓做出響應(yīng)來降低速度。例如，5 Vdc對應(yīng)于100%的速度，2.5 Vdc對應(yīng)于50%的速度，0 Vdc時電機(jī)將會關(guān)閉。

在某些應(yīng)用當(dāng)中，提供一個PWM信號可能不可行，或者不是系統(tǒng)設(shè)計人員的優(yōu)選方法。許多BLDC電機(jī)提供外部模擬直流信號輸入，在這種情況下，可以向電機(jī)提供一個直流電壓來運(yùn)行電機(jī)，但通過一個單獨(dú)的低電流的0-5 Vdc輸入信號來控制泵的速度。

實(shí)際控制電壓的范圍可能會因電機(jī)而異，但概念是相同的：0 Vdc電機(jī)不運(yùn)行，5Vdc代表全速運(yùn)行，而0-5 Vdc范圍內(nèi)的信號用于調(diào)節(jié)泵的速度。