An analog current servo of an intensive care ventilator is being developed at Getinge in Stockholm. The current servo is used to control the output gas flow of an inspiration valve to a patient’s lungs. The ventilator’s control system is in a cascade design of two closed-loops, of which the current servo is the controller for the inner loop. The inner loop control system consists of three parts; a PI-controller, a Pulse-Width-Modulation (PWM) signal generator, and an actuator of a solenoid. The project aims to investigate if a digital version of the current controller is feasible with comparable performance as the present analog controller. The project involves studying linear mathematical models, nonlinear simulation models, and physic prototypes. The solenoid model is first modelled as an RL-circuit, secondly modified by adding the term Electro-Motive-Force (EMF), and finally verified by physical measurement data. Different control techniques are tested with the simulation model, such as feedforward control. A digital controller is then implemented in a processor of a Nucleo board and connected to the inspiration valve hardware with a resulting sampling rate of 8 kHz. The selected hardware components for the implementation are described in detail, and a step-by-step explanation of the software implementation is included in Appendix B. Finally, the model-tested control techniques have been implemented in a physical prototype and discussed. The developed digital current controller is feasible to achieve similar control performance as the present analog design. However, for configuring the digital current controller into a future digital ventilator’s Central Processing Unit (CPU), the sampling rate will need to be adopted to the limited recourses of the CPU executing both the current controller and all other functions of the inspiration valve. The code of the digital current controller will also need to be optimized in future work to compensate for the shared data capacity. / Ett analogt strömservo tillhörande en intensivvårds respirator har undersökts och digitaliserats på företaget Getinge i Stockholm. Strömservot används för att styra en inspirationsventils gasflöde till patientens lungor. Styrsystemet är av två stängda loopar i en kaskadreglering där strömservot är den inre regulatorn. Den inre loopen har tre huvuddelar; en PI-regulator, en Pulse-Width-Modulation (PWM) generator och ställdon som en dragmagnet. Syftet med projektet är att undersöka huruvida en digital strömregulator är implementerbar och om dess karaktär kan motsvara dagens analoga variant. Projektet använder sig av linjära matematiska modeller, ickelinjära simulerings modeller i Simulink samt fysiska prototyper. Metoden är att först testa enkla modeller, som för dragmagneten en RL-krets. Vid behov utvecklas modellen som för RL-kretsen där dess Electro-Motive Force (EMF) har inkluderats. Sedan verifieras den slutgiltiga modellen genom jämförelse med mätningar. En digital styrning har utvecklats och testats med olika styrtekniker så som framkopplingsteknik. Slutligen är en digital regulator implementerad i ett Nucleo-korts processor med en resulterad samplingstid på 8 kHz. Komponentval för hårdvaruimplementering är beskrivna och en stegförsteg lista av mjukvaruimplementeringen finns i Appendix B. De modelltestade styrteknikerna har blivit implementerade i en fysisk prototyp och diskuterade. Sammanfattningsvis är en digital version av strömregulatorn med dess samplingstid implementerbar och har snarlik prestanda som den analoga versionen. För framtida konfigurering i en digital gasmodul ska samplingstiden adopteras till den akutella datakapaciteten. Den resulterande C-koden för den digitala strömregulatorn går att optimera i många avseenden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-307444 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Lindstedt, Astrid |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2021:841 |
Page generated in 0.0021 seconds