Entwurf eines Steuerungssystems für einen tragbaren Sauerstoffgenerator mit Druckwechseladsorption

Entwurf eines Steuerungssystems für einen tragbaren Sauerstoffgenerator mit Druckwechseladsorption
 

 

Sauerstoff ist ein Grundelement für die Aufrechterhaltung menschlicher Lebensaktivitäten und spielt eine wichtige Rolle bei verschiedenen medizinischen Behandlungen und Notfallrettungen. Geräte zur Sauerstoffproduktion sind wichtige medizinische Hilfsmittel. Die Druckwechseladsorption (PSA)-Sauerstoffproduktionsmethode wird aufgrund der Vorteile eines geringen Energieverbrauchs, keiner Umweltverschmutzung und geringer Investitionen häufig in kleinen und mittelgroßen Sauerstoffproduktionsanlagen eingesetzt. Das Funktionsprinzip der Druckwechseladsorptionsmethode ist: Durch die unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften von Molekularsieben gegenüber Sauerstoff und Stickstoff wird Stickstoff unter Druckbedingungen adsorbiert, um Sauerstoff abzutrennen. Unter reduzierten Druckbedingungen wird Stickstoff desorbiert, um die Adsorptionsleistung des Molekularsiebs wiederherzustellen und eine Trennung von Sauerstoff und Stickstoff zu erreichen. Die meisten aktuellen Geräte zur Herstellung von Sauerstoff durch Druckwechseladsorption sind groß und schwer, sodass sie den Anforderungen an die Tragbarkeit im Feld oder auf Fahrzeugen nicht gerecht werden. Unter tragbaren Sauerstoffgeneratoren mit Druckwechseladsorption versteht man Geräte zur Sauerstoffproduktion, die leicht getragen werden können, über eine eigene Stromversorgung verfügen und ein geringes Gewicht haben. Allerdings gibt es in China relativ wenig Forschung auf diesem Gebiet, und die vorhandenen Steuerungssysteme sind im Allgemeinen groß, weisen einen geringen Automatisierungsgrad und eine geringe Stabilität auf. In dieser Studie wurde in Kombination mit dem Druckwechseladsorptionssauerstoffproduktionsprozess ein Steuerungssystem entworfen und entwickelt, das für tragbare Druckwechseladsorptionssauerstoffgeneratoren geeignet ist, um technische Unterstützung für die weitere Forschung und Anwendung tragbarer Sauerstoffgeneratoren bereitzustellen.

Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff durch Druckwechseladsorption

Um einen tragbaren Sauerstoffgenerator mit Druckwechseladsorption zu entwickeln, kombinierte diese Studie das Prinzip der Sauerstoffproduktion durch Druckwechseladsorption und bestimmte zunächst den grundlegenden Prozessablauf der Sauerstoffproduktion, wie in der Abbildung dargestellt. Um das Volumen und das Gewicht des tragbaren Sauerstoffgenerators zu reduzieren, wurde in diesem Experiment ein Sauerstoffproduktionsprozess mit zwei Türmen angewendet. Der Sauerstoffproduktionsprozess mit zwei Türmen wird aufgrund seiner einfachen Struktur, bequemen Wartung und niedrigen Kosten häufig in kleinen Sauerstoffproduktionsanlagen eingesetzt. Durch den abwechselnden Betrieb zweier Adsorptionstürme kann eine kontinuierliche und stabile Sauerstoffproduktion erreicht werden, während gleichzeitig das Volumen und die Masse der Ausrüstung effektiv reduziert werden. Um die Sauerstoffausbeute zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken, wurde in diesem Experiment ein Prozess mit einem Ausgleichsprozess entwickelt und übernommen. Der Ausgleichsprozess verbessert die Effizienz der Sauerstoffproduktion weiter und reduziert den Energieverbrauch des Systems durch Optimierung der Druckdifferenz. Die Kombination dieses Prozesses verbessert nicht nur die Leistung des tragbaren Sauerstoffgenerators mit Druckwechseladsorption, sondern steuert auch effektiv den Energieverbrauch und das Volumen der Ausrüstung und stellt gleichzeitig die Reinheit des Sauerstoffs sicher.



Design der Lastantriebsschaltung
Zu den Hauptarbeitslasten des tragbaren PSA-Sauerstoffkonzentrators gehören Luftkompressoren und Magnetventile. Durch den Einsatz eines kombinierten Magnetventils können Volumen und Gewicht des Sauerstoffkonzentrators effektiv reduziert und gleichzeitig die Stabilität des Systems erhöht werden. Da die Betriebsspannung des Luftkompressors und des Magnetventils jedoch 12 V Gleichstrom beträgt, während die Betriebsspannung des Mikrocontrollers 3,3 V Gleichstrom beträgt, ist es schwierig, diese Lasten direkt anzusteuern. Daher wird das vom Mikrocontroller ausgegebene Signal vom Wechselrichter 74LVC04 invertiert und von der Darlington-Röhre ULN2003 verstärkt, um den Betrieb des Luftkompressors und des Magnetventils anzutreiben.
ULN2003 ist ein Hochleistungs-Verbundtransistor-Array mit guter Hochtemperatur- und Hochdruckbeständigkeit sowie hoher Belastbarkeit. Es integriert eine Freilaufdiode und kann Hochstromlasten einschließlich Relais direkt ansteuern. Das Antriebsschaltbild des Luftkompressors und des Magnetventils ist in der Abbildung dargestellt.



Entwurf eines Luftkompressor-Antriebskreises
Der Luftkompressor ist die zentrale Leistungskomponente des tragbaren Sauerstoffgenerators mit Druckwechseladsorption (PSA). Es trennt Sauerstoff, indem es Umgebungsluft einatmet und unter Druck setzt, um ihn in den Adsorptionsturm zu leiten, der ein wichtiges Glied im Sauerstoffproduktionsprozess ist. Um die effizienten und stabilen Leistungsanforderungen tragbarer Geräte zu erfüllen, verwendet dieses System einen bürstenlosen Mikro-Gleichstromkompressor von Thomas, der die Vorteile eines reibungslosen Betriebs, eines großen Durchflusses, einer geringen Vibration, eines geringen Geräuschpegels und eines geringen Energieverbrauchs bietet und sich sehr gut für eignet das Anwendungsszenario des Sauerstoffgenerators.
Der bürstenlose Gleichstrommotor benötigt einen speziellen Antriebskreis, um die elektronische Kommutierung abzuschließen und seinen normalen Betrieb sicherzustellen. Daher wurde eine Reihe von Motorantriebsschaltungen entwickelt, die auf dem JY01-Steuerchip basieren. Das Prinzip ist in der Abbildung dargestellt. Durch das optimierte Schaltungsdesign können die Betriebsgeschwindigkeit und Stabilität des Luftkompressors genau gesteuert werden.
Schaltungsdesign und -prinzip
JY01 ist ein Steuerchip speziell für bürstenlose Gleichstrommotoren mit folgenden Hauptfunktionen:
Geschwindigkeitslinearregelung: um eine präzise Steuerung der Motorgeschwindigkeit zu erreichen;
Mehrere Schutzmechanismen: einschließlich Überstromschutz, Unterspannungsschutz und Kurzschlussschutz, um einen sicheren Stromkreisbetrieb zu gewährleisten;
Ausgang mit sinusförmiger Pulsweitenmodulation (SPWM): zur Verbesserung der Fahreffizienz und zur Reduzierung von Motorvibrationen und Geräuschen.
Die Antriebsschaltung basiert auf JY01, und das Rotorpositionssignal (Ha, Hb, Hc) wird über den Hall-Sensor erhalten und der Chip erzeugt das entsprechende Antriebssignal. Das von JY01 ausgegebene SPWM-Signal steuert das Treibermodul IR2021 und treibt dadurch den Feldeffekttransistor (FET) des oberen und unteren Brückenzweigs an. Das Fahrsignal ist in Ober- und Unterarm-Steuersignale unterteilt: Die Oberarmsignale MA, MB und MC werden durch AT, BT bzw. CT dargestellt, und die Unterarmsignale werden durch AB, BB und CB dargestellt.

Abschließend
Im Einklang mit dem Mechanismus der Sauerstoffproduktion durch Membrantrennung wird in dieser Forschung ein kompaktes Steuersystem für den Sauerstoffgenerator durch Membrantrennung entwickelt, das den Einzelchip-Mikrocomputer STM32F407 als zentrale Steuereinheit verwendet und gleichzeitig entsprechende periphere Steuerkreise formuliert Steuerungsalgorithmen. Der gesamte Steuerungsaufbau zeichnet sich durch Benutzerfreundlichkeit, einfache Bedienung, hohe Stabilität und äußerste Zuverlässigkeit sowie hervorragende Mensch-Maschine-Interaktionsfähigkeiten aus. Der unter diesem Kontrollregime entwickelte Prototyp des Sauerstoffgenerators ist von winziger Größe und bemerkenswert leichtem Gewicht. Wenn die Sauerstoffausstoßrate 0,8 l/min erreicht, kann die Sauerstoffreinheit bis zu 93,2 % erreichen und damit die voreingestellten Design-Benchmarks erfüllen. Für die Zukunft ist geplant, die intelligente Regulierung des Sauerstoffproduktionsprozesses zu erforschen. Durch die präzise Einstellung von Parametern wie Pumpengeschwindigkeit, Permeationszeit und Membrandruck können die Sauerstoffausstoßrate und die Reinheit des Sauerstoffgenerators automatisch an Änderungen der Umgebungstemperatur angepasst und auf einem relativ konstanten Niveau gehalten werden.