Ana sayfa OTOMASYON OKULU Küçük Pompa Boyutu İçin Optimizasyon Yapmak, Taşınabilir Tıbbi Ekipman Tasarımlarını Gerçekleştirmede Büyük...

Küçük Pompa Boyutu İçin Optimizasyon Yapmak, Taşınabilir Tıbbi Ekipman Tasarımlarını Gerçekleştirmede Büyük Fark Yaratıyor

PAYLAŞ

Taşınabilirlik İçin Tasarım

Tıbbi cihaz üreticileri, mühendislik teknolojisindeki ilerlemeler sayesinde, ürün portföylerindeki taşınabilir cihaz sayısını artırmaya devam etmektedir. Küçük boyutun, daha taşınabilir ekipmanların avantajları, sağlık uzmanlarının hastalara faydalı olabilecekleri yere daha gelişmiş ürünler götürebilmelerini sağlaması nedeniyle oldukça önemlidir. Bu, gerçek anlamda yaşam ile ölüm arasındaki farkı belirleyebilir. Mühendislik teknolojisinin desteklediği gelişmelere rağmen, ürün tasarımcısının müşterilerinin talep ettiği tüm performansı nispeten küçük bir kasaya sığdırma konusunda yaşadığı zorluklar sorunlara yol açabilir.

Boyut küçültme mücadelesi daha büyük cihazlara da yansımaktadır. Laboratuvar ekipmanı üreticileri ve kullanıcıları üzerine yapılan bir Parker Hannifin araştırmasına göre, daha az laboratuvar alanı, daha az reaktif ve daha az test numunesi gerektiren cihazlara olan talebi karşılamada bu üreticilere yardımcı olmanın anahtarı bileşen minyatürleştirme işlemidir. Ayrıca, ankete katılanlar, bu faktörlerin bir cihazın sahip olma maliyetini düşürmek için de kritik olduğunu belirtmiştir.

Pompa Tasarımı ve Seçiminin Optimizasyonu

Bu boyut küçültme trendi, pompaların dahil olduğu alt bileşen seviyesinde ekipman tasarımının doğru yapılmasına bağlıdır.  Optimize edilmiş pompa tasarımı ve pompanın nasıl kontrol edildiği, pnömatik devre için kompakt bir kapsama alanı sağlayabilir. Bu, genellikle daha küçük bir pompanın kullanılmasını sağlamak için yüksek ve düşük debili çalışma sürelerinin dengelenmesi ile yapılır. Buna ek olarak, pompayı yalnızca talebe uygun seviyelerde çalıştırarak daha yüksek bir verimlilik elde etmek daha düşük kapasiteli, daha kompakt bir pilin kullanımını mümkün kılar. Bütün bunları elde etmek için pompa devrini ve debisini aktif bir şekilde kontrol etmek gereklidir.

Bir örnek vermek gerekirse, çevre izleme cihazları, genellikle, çalışma alanlarının çevresini örneklemek için geniş bir dinamik hava akışı aralığı gerektirir. Bu cihazlar aynı zamanda mümkün olduğunca taşınabilir olmalı ve pili şarj etmeye gerek duymadan tam günlük çalışma süresi sunmalıdır. Tek bir pnömatik pompanın doğru dinamik kontrolü bunu mümkün kılarken, artan verimlilik pil boyutunu düşürebilir.

Çoğu yaşam bilimi ve tıbbi cihaz ile ekipman üreticisi, gelişmiş hasta tedavileri ve daha doğru hasta izleme imkanı için pompanın ürettiği gaz akışı üzerinde daha fazla kontrol istemektedir. Bu debi esnekliği çoğu diyaframlı pompada mevcuttur. Bununla birlikte, başarılı bir şekilde uygulanması için OEM mühendisleri ve pompa tedarikçisi uygulama mühendisleri arasında yakın iş birliği gerekir.

Devir Kontrol Yöntemleri ve Uygulama

Devir kontrolü, tüm Parker hassas akışkan motor tiplerinde yaygın olarak kullanılır. Bunlar arasında: Demir Çekirdek Daimi Mıknatıs Doğru Akım (PMDC) motorları, Çekirdeksiz DC fırça motoru ve Fırçasız Doğru Akım (BLDC) motorları da yer alır.

Motor/pompa devrini kontrol etmek için birçok yaygın yöntem vardır ve her ne kadar böyle bir kontrol gerekli olduğunda harici darbe genişlik modülasyonu (PWM) kontrolü tercih edilse de OEM’ler kendilerine özgü uygulamalar için en iyi kontrol stilini seçmelidir. Aşağıdaki açıklamalar farklı yaklaşımlara genel bir bakış sağlamaktadır.

Giriş Gerilimi (Fırçalı veya Fırçasız DC)

Gerilimi ayarlamak, motorun devrini orantılı olarak değiştirir. Örneğin 12 Vdc’lik bir pompanın debisi, pompayı yavaşça 6 Vdc’de çalıştırarak azaltılabilir (uygulamaya bağlı olarak).

2 telli PWM tasarımı.

Giriş Gerilimi PMW (Fırçalı veya Fırçasız DC)

Gerilimin ayarlanmasına benzer şekilde, motorun devri de daha düşük bir efektif gerilim ile azaltılır. Düşük giriş gerilimi sabit girdi gerilimini yüksek bir hızda kapatarak, genellikle 20 kHz’de, simüle edilir. Açık kalma süresinden kapalı kalma süresine oranı (görev döngüsü), motora uygulanan etkin gerilimi tanımlar.

Sıklıkla “2 telli” PWM olarak ifade edilen bu teknik, bir cihazda pompa devrini kontrol etmek için en basit yöntemlerden biridir. Müşteri cihazından ihtiyaç duyulan temel gereksinim genellikle bir mikro denetleyici ve bir güç transistöründen üretilen bir PWM sinyalidir. Motora giden giriş gerilimi yüksek bir frekansta açılıp kapanır, böylece motora giden ortalama güç azaltılır. Aşağıdaki şekilde, devrin düşürülmesi için motorun toprağının “müşteri PCBA”sı tarafından değiştirildiği “düşük taraf” PWM sürücüsünün bir örneği gösterilmektedir.

Harici bir PWM kurulumu.

Fırçalı motorlar için 2 telli PWM, kontrol için en yaygın yöntemdir ve çok etkilidir. Fırçasız DC motorlarda da aynı şekilde etkilidir; bununla birlikte, bazı sınırlamalar ortaya koymaktadır. Çoğu fırçasız DC motorun, düzgün çalışabilmesi için minimum bir voltajı muhafaza etmesi gereken dahili bir denetleyicisi vardır. Giriş gerilimine bir PWM döngüsü uygulandığında, kontrol elektroniğine giden efektif gerilim de azaltılmaktadır; bu da mevcut devir kontrolü aralığını sınırlar. Harici bir PWM kontrolü kullanmak bu durumda daha fazla aralık sağlayabilir.

Harici PWM (Sadece Fırçasız DC)

Motorun ilk iki telindeki giriş gerilimi sabittir ve değişmez; devir, üçüncü bir tele PWM sinyali uygulayarak ayarlanır. Düşük akım sinyali, yüksek frekansta (sistem denetleyicisi tarafından) harici olarak toprağa bağlanır. Dahili fırçasız DC motor denetleyicisi, devri sinyal görev döngüsü ile orantılı olarak azaltmak için bu sinyale cevap verir.

Mümkün olduğu durumlarda bir fırçasız DC diyafram pompasının devrini kontrol etmek için önerilen yöntem budur. Bu yöntem, bir pompanın en dinamik şekilde kontrolünü sağlar ve bazı durumlarda, mühendisin elektrik devresini basitleştirebilir; çünkü anahtarlama sinyali için yalnızca düşük akımlı bir transistör gerekmektedir.

Harici PWM’li diyaframlı pompaların çoğu, PWM sinyalini sağlamak için OEM mühendisinin cihazının PCBA’sında bir “açık dren” veya “açık kolektör” devresine ihtiyaç duyar. Fırçasız DC motorlarının dahili bir pull-up direnci vardır, böylece açık dren veya açık kolektör devreleri aktif olarak bu gerilimi PWM sinyalinin düşük kısmı için topraklamaya getirir.

0-5 Vdc Analog Devir Girişi (Sadece Fırçasız DC)

Burada, motorun ilk iki telindeki giriş gerilimi sabittir ve değişmez; devir, üçüncü tele uygulanan ve harici olarak sağlanan bir DC gerilimi kullanılarak ayarlanır. Dahili fırçasız DC motor denetleyicisi, devri giriş gerilimiyle doğrusal olarak düşürmek için bu sinyale cevap verir. Örneğin, 5 Vdc %100 devirde, 2,5 Vdc %50 devirde, ve 0 Vdc’de ise motor kapalı olacaktır.

Bazı uygulamalarda, uygulanabilir bir PWM sinyali yoktur veya sistem tasarımcısı tarafından tercih edilmez. Birçok fırçasız DC motoru, harici bir analog DC sinyal girişi sunar. Bu durumda, motora çalışması için doğrudan gerilim uygulanır, ancak ayrı bir düşük akım 0 ila 5 Vdc girişi, pompanın devrini kontrol eder.

Asıl kontrol gerilimi aralığı, motora bağlı olarak değişiklik gösterebilir; bununla birlikte, konsept aynıdır: 0 Vdc sinyal motoru devreden çıkarır, 5 Vdc tam devirde çalıştırır, 0-5 Vdc aralığı ise pompanın devrini ayarlar.

Takometre Çıkış Sinyali Örneği.

Devir İzleme – Takometre

Birçok fırçasız DC motoru ayrıca bir takometre sinyali üretme özelliğine sahiptir, böylece mühendisin cihazı gerçek pompa devrini izleyebilir. Sinyal, pompanın devrini belirlemek için kullanılabilen dijital bir darbedir.

Bu, pompanın çok yavaş çalışması gereken uygulamalarda avantajlıdır. Pompa durmaya başlarsa, bu bilgilerle cihaz denetleyicisi devri artırabilir. Ayrıca, doğru sistem fonksiyonunu onaylamak için ek güvenlik ve/veya tanılayıcı geribildirim sağlar.

Tasarım Zorlukları

Kontrol Girişi – Devir

Motora giden devir kontrolü sinyali, debiyi azaltabilir veya artırabilir; bununla birlikte, bu doğrudan doğrusal bir ilişki değildir. Yani, sabit bir %50 PWM sinyalinde, pompanın devri azalır ancak tam olarak %50 oranında olmaz. Ayrıca, pompadaki yük değiştikçe, PWM sinyali sabitlenmiş olsa bile pompanın devri de değişir.

Maksimum motor devri, pompa konfigürasyonu veya uygulama sırasındaki pompa üzerindeki basınç/vakum yükü ile azaltılabilir. Tork ve devir doğrusal bir ilişkiye sahiptir; pompayı çevirmek için daha fazla tork gerektiğinde motor yavaşlar.

Motorun Durması

Pompa motorları, pompa durduğu takdirde zarar görebilir. Motorun rotoru bu konumda kilitlendiğinde ve motora güç beslendiğinde, ısı artar ve bu da dahili denetleyiciye zarar verebilir. Devri düşürmek için devir kontrolü kullanıldığında, motorun durması daha olasıdır ve bu nedenle yakından izlenmelidir.

Sistem tasarımcılarının pompaya güç sağlamak için bir güvenlik akım sınırı veya sigortası uygulaması önerilir. Bu, bir durma olayı meydana gelirse pompa motoruna ve sisteme hasar gelmesini önlemeye yardımcı olabilir.

Düşük Devirde Yeniden Başlatma

Herhangi bir devir kontrol yöntemi kullanmak motora giden efektif gücü azaltır. Yeniden başlatma sırasında devir düşürülürse, başlangıç torku düşer. Tasarımcılar, devir düşürüldüğünde pompanın her koşulda (basınç yükü ve çevre sıcaklığı gibi) yeniden başlatma kabiliyetine sahip olmasını sağlamalıdır.

Önerilen Frekans

Bir PWM devir kontrol yöntemi kullanmak için önerilen frekans 20 kHz’dir. 20 kHz’den düşük frekanslar titremeye benzeyen bir sese yol açabilir. Daha yüksek frekansların kullanılması, transistör yükselmesi ve düşme süresi nedeniyle kontrol aralığını sınırlayabilir; transistör yeterince hızlı değişemeyeceği için düşük veya yüksek görev döngüsü sinyalinin %0 veya %100 olarak göründüğü kadar hızlı şekilde geçiş yapılması mümkündür. Ayrıca, bazı motorlar ve kontrol devrelerinde, 20 kHz’den büyük PWM frekansı, verimliliği azaltabilir.

Özet

Mühendislik ve ürün tasarımının birçok alanında olduğu gibi, bir bileşen tedarikçisindeki niş uzmanlık ile “elinden her iş gelen” kişi olması gereken OEM mühendisleri ile bir araya gelince, ortada yakın bir işbirliğinin olması gayet mantıklıdır. Bu, ürün tasarımı açısından daha iyi sonuçlar sağlayabilir.

Bu durumda, optimize edilmiş pompa seçimi ve kontrolü yoluyla daha küçük, daha verimli, taşınabilir tıbbi ve yaşam bilimleri ekipmanları anlamına gelir. Parker’ın hem motor hem de pompa tasarımındaki uzmanlığı, mühendislik zaman dilimlerini ve maliyetleri de azaltmaya yardımcı olabilecek şekilde, gereksinime uyarlama ve prototip üretimini hızlandırmaya yardımcı olabilir.

Bu makale Parker Hannifin Yaşam Bilimleri Avrupa Otomasyon Grubu Pazarlama Müdürü Steve O’Reilly tarafından yazılmış, Parker Türkiye tarafından Türkçeleştirilmiştir.