基于PI控制算法的CPAP呼吸机控制器设计

摘要

呼吸机作为协助病人完成呼吸通气过程、提供辅助治疗的重要医疗设备，在临床应用中起到了重要作用。本文对用于治疗OSAS(Obstructive Sleep Apnea Syndrome)疾病的便携式CPAP(Continuous Positive Airway Pressure)呼吸机进行需求分析、论证，结合国内需求，设计了用于家庭使用的便携式CPAP呼吸机。
　　 本文对CPAP呼吸机控制器的硬件部分进行重点设计，主要完成了信号采集电路、电机控制电路、电源电路的设计，通过一系列的改进措施，提高了压力信号采集与电机控制的精度以及电源供电的稳定性和可靠性。采用低成本、高性能芯片，在保证工作性能良好的前提下大大降低了控制器整体的成本，采用新型芯片以减少外围电路，大大缩小了控制器的体积，满足了便携化的需求。一改以往设计CPAP呼吸机采用两个传感器的习惯，仅选用一个压力传感器完成压力信号采集与闭环控制的功能，降低了整机成本、节省了电路板面积、缩短了闭环控制回路周期、减少了压力信号采集电路的复杂程度。为了提高控制精度与效率，采用工业上使用的MC33035与MC33039电机控制芯片，确保控制效果。在电源设计上，注重隔离、抗干扰与稳定性设计。电源板与信号板分开制板，避免了静电耦合与高频电磁干扰对控制板的影响。使用增量限幅式PI控制算法，避免了传统PID算法易产生噪声影响控制精度的问题，降低了控制回路的响应时间，算法作用时间仅需毫秒级即可使系统稳定输出，提高了系统的控制精度。
　　 经测试，本文设计的呼吸机控制器各部分在功能上达到了预定的设计要求，设备运转正常。在正常使用时间(8小时)内，呼吸机控制器具有良好的稳定性，各个硬件芯片温度正常，各个硬件模块运转正常。在控制精度上，误差小于0.5cmH2O，达到了国内领先水平。