【解决方案】电机制氧-剖析便携制氧机的工作原理

新冠肺炎肆虐全球，如何让病人在康复阶段随时随地都能吸到90%以上纯度的氧气，成为摆在面前的难题！便携式制氧机的横空出世完美地解决此问题。无需化学物，更不用电解水，以空气为原料，通过无刷电机等加工就能源源不断地输出氧气！本文将剖析其中的电机制氧的原理！

一、制氧机工作原理

空气中的主要成分有氮气和氧气，并且氮气的分子直径远大于氧气。如果有一种办法将氮气过滤出来，剩下的就是高纯度的氧气了。

图1 空气比例

利用变压吸附法即可实现！此方法利用分子筛物理吸附和解吸技术，在加压时将直径大的氮分子吸附，剩余直径小的氧分子通过分子筛被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。分子筛在减压时将所吸附的氮排放回环境空气中，在下一次加压时又可以吸附氮气并制取氧气，整个过程为周期性的动态循环过程，分子筛并不消耗。制氧机用的分子筛呈粉末状，是一种在分子水平上筛选物质的多孔材料，主要是由沸石材料构成。正因为它可以在分子水平上过滤不同直径的气体，人们将它装进罐中，做成为分子筛罐。

制氧机按下面的步骤循环工作：

1.     空气被过滤后进入压缩机，经过冷凝器，随后在电磁阀的选择下，轮流进入分子筛罐1和2。

2.     电磁阀让高压空气只进入分子筛罐1，不进入分子筛罐2；氮分子被分子筛罐1吸附，而氧分子直接通过进入储氧罐；同时打开分子筛罐2的排气阀，在低压下，原来被吸附的氮气分子被解吸出来，排放到大气中。

3.     电磁阀让高压空气只进入分子筛罐2，不进入分子筛罐1；氮分子被分子筛罐2吸附，而氧分子直接通过进入储氧罐；同时打开分子筛罐1的排气阀，在低压下，原来被吸附的氮气分子被解吸出来，排放到大气中。

4.     储氧罐中的高纯度的氧气通过流量计对外输出。

这样，在分子筛罐1和2轮流工作下，即可输出恒定的氧气。

图2 制氧机框图（图片源自网络侵删）

制氧机出来的就是90%以上的高纯度氧气，人要是直接吸入这样的氧气，用不了多久，鼻粘膜就会因为太干燥而流血。所以需要在出口处通过湿化瓶，用纯净水湿润氧气，人吸氧时才会舒服。而对于便携式制氧机，因为不方便携带湿化瓶，所以采用脉冲供氧的方式，流量计测量到人要吸气时才通过单向阀对外供氧，同时也能节省电量。

二、便携制氧机介绍

便携制氧机是在传统插电的制氧机的基础上进行小型化。主要将传统的基于交流异步电机的压缩机，改为基于直流无刷电机的微型压缩机，工作电压在12~24V，并且使用锂电池供电，小小一个背包在身，一般可以连续4个小时以上供氧。基于无刷电机的微型压缩机是整台便携制氧机的“心脏”，需要它在保证供养量的情况下，尽可能省电、安静。普遍采用的微型无油空气压缩机，大概拳头大，因为内部没有任何机油，保证空气不会被污染。采用直流无刷电机为动力，一般额定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大，电机速度要越高，但耗电也越快。在遇险时，例如登山缺氧，可以将电机速度调得尽量低，虽然制氧量降低，但能延长使用时间，等待救援。

三、便携制氧机驱动板

致远电子针对微型无油空气压缩机，出品了便携制氧机专用的无刷直流电机驱动板，具有以下特点：

l  优化的算法，根据制氧机深度改进的无感FOC算法，传统无感FOC算法在此运行会剧烈震动、无法使用；

l  大范围转速  无感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范围转速稳定工作，制氧机能轻松实现多档位选择；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范围转速下工作；

l  稳定的转速，ADRC算法替换传统的PID算法，在1000~3000RPM满载下，转速波动仅为5RPM左右；其他基于PID的FOC方案约50RPM；方波方案一般无法匀速，速度会受吸氧量的影响而波动；转速越稳定，震动越小，更安静、更省电；

l  优化加减速，采用工业伺服的S曲线控制加减速，换挡平顺、不抖动；

l  稳定且灵活，医疗产品级，基于高性能ARM处理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脉冲输入调速，过流、过压、欠压、堵转、缺相、功率保护等等。

图3 便携制氧机驱动板演示DEMO

了解便携制氧机驱动板可联系致远电子，下一期将深度剖析ADRC算法如何让制氧机稳定工作。敬请留意！