Design av kontrollsystem for bærbar trykksvingadsorpsjonsoksygengenerator

Design av kontrollsystem for bærbar trykksvingadsorpsjonsoksygengenerator
 

 

Oksygen er et grunnleggende element for å opprettholde menneskelige livsaktiviteter og spiller en viktig rolle i ulike medisinske behandlinger og nødredninger. Oksygenproduksjonsutstyr er et viktig medisinsk støtteutstyr. Pressure swing adsorption (PSA) oksygenproduksjonsmetode har blitt mye brukt i små og mellomstore oksygenproduksjonsutstyr på grunn av fordelene med lavt energiforbruk, ingen forurensning og lave investeringer. Arbeidsprinsippet for trykksvingadsorpsjonsmetoden er: gjennom forskjellen i adsorpsjonsegenskapene til molekylsikter til oksygen og nitrogen, adsorberes nitrogen under trykkforhold for å skille oksygen; under forhold med redusert trykk desorberes nitrogen for å gjenopprette adsorpsjonsytelsen til molekylsikten for å oppnå oksygen- og nitrogenseparasjon. Det meste av dagens trykksvingadsorpsjonsoksygenproduksjonsutstyr er stort i størrelse og tungt i vekt, noe som ikke kan møte behovene for portabilitet i felt eller på kjøretøy. Bærbare oksygengeneratorer for trykksvingadsorpsjon refererer til det oksygenproduksjonsutstyret som kan bæres lett, har sin egen strømforsyning og er lett i vekt. Imidlertid er det relativt lite forskning på dette feltet i Kina, og de eksisterende kontrollsystemene er generelt store i størrelse, lav i automatisering og dårlige i stabilitet. I denne studien, kombinert med trykksvingadsorpsjonsoksygenproduksjonsprosessen, ble et kontrollsystem egnet for bærbare trykksvingadsorpsjonsoksygengeneratorer designet og utviklet for å gi teknisk støtte for videre forskning og anvendelse av bærbare oksygengeneratorer.

Pressure swing adsorpsjon oksygen produksjonsprosess

For å utvikle en bærbar trykksvingadsorpsjonsoksygengenerator, kombinerte denne studien prinsippet om trykksvingadsorpsjonsoksygenproduksjon og bestemte først den grunnleggende prosessstrømmen for oksygenproduksjon, som vist i figuren. For å redusere volumet og vekten til den bærbare oksygengeneratoren, tok dette eksperimentet i bruk en to-tårns oksygenproduksjonsprosess. To-tårns oksygenproduksjonsprosessen er mye brukt i lite oksygenproduksjonsutstyr på grunn av sin enkle struktur, praktiske vedlikehold og lave kostnader. Ved å alternere driften av to adsorpsjonstårn kan kontinuerlig og stabil oksygenproduksjon oppnås, samtidig som volumet og massen til utstyret reduseres effektivt. For å øke oksygenutbyttet og redusere energiforbruket utformet og tok dette eksperimentet i bruk en prosess med en utjevningsprosess. Utjevningsprosessen forbedrer oksygenproduksjonseffektiviteten ytterligere og reduserer energiforbruket til systemet ved å optimere trykkforskjellen. Kombinasjonen av denne prosessen forbedrer ikke bare ytelsen til den bærbare trykksvingadsorpsjonsoksygengeneratoren, men kontrollerer også effektivt energiforbruket og volumet til utstyret samtidig som renheten til oksygen sikres.



Design av belastningsdrivkretser
De viktigste arbeidsbelastningene til den bærbare PSA oksygenkonsentratoren inkluderer luftkompressorer og magnetventiler. Ved å bruke en kombinert magnetventil kan volumet og vekten til oksygenkonsentratoren effektivt reduseres samtidig som systemets stabilitet forbedres. Men siden driftsspenningen til luftkompressoren og magnetventilen er DC 12V, mens driftsspenningen til mikrokontrolleren er DC 3,3V, er det vanskelig å direkte drive disse lastene. Derfor inverteres signalet fra mikrokontrolleren av 74LVC04-omformeren og forsterkes av ULN2003 Darlington-røret for å drive driften av luftkompressoren og magnetventilen.
ULN2003 er en høyytelses kompositttransistorarray med god høy temperatur- og høytrykksmotstand og sterk belastningskapasitet. Den integrerer en frihjulsdiode og kan direkte drive høye strømbelastninger inkludert releer. Drivkretsskjemaet for luftkompressoren og magnetventilen er vist i figuren.



Luftkompressor drivkretsdesign
Luftkompressoren er kjernekraftkomponenten i den bærbare oksygengeneratoren for trykksvingadsorpsjon (PSA). Den skiller oksygen ved å inhalere omgivelsesluft og sette den under trykk for å sende den inn i adsorpsjonstårnet, som er en nøkkelledd i oksygenproduksjonsprosessen. For å møte de effektive og stabile ytelseskravene til bærbart utstyr, bruker dette systemet en Thomas mikro børsteløs DC-kompressor, som har fordelene med jevn drift, stor flyt, lav vibrasjon, lav støy og lavt energiforbruk, og er svært egnet for bruksscenarioet til oksygengeneratoren.
Den børsteløse DC-motoren krever en dedikert drivkrets for å fullføre den elektroniske kommuteringen for å sikre normal drift. Derfor er et sett med motordrivkretser basert på JY01-kontrollbrikken designet. Prinsippet er vist i figuren. Gjennom den optimaliserte kretsdesignen kan driftshastigheten og stabiliteten til luftkompressoren kontrolleres nøyaktig.
Kretsdesign og prinsipp
JY01 er en kontrollbrikke spesielt brukt for børsteløse DC-motorer, med følgende hovedfunksjoner:
Hastighetslineær regulering: for å oppnå presis kontroll av motorhastigheten;
Flere beskyttelsesmekanismer: inkludert overstrømsbeskyttelse, underspenningsbeskyttelse og kortslutningsbeskyttelse for å sikre sikker kretsdrift;
Sinusformet pulsbreddemodulasjonsutgang (SPWM): for å forbedre kjøreeffektiviteten og redusere motorvibrasjoner og støy.
Drivkretsen er basert på JY01, og rotorposisjonssignalet (Ha, Hb, Hc) oppnås gjennom Hall-sensoren, og brikken genererer det tilsvarende drivsignalet. SPWM-signalet fra JY01 styrer drivmodulen IR2021, og driver dermed felteffekttransistoren (FET) til øvre og nedre broarmer. Kjøresignalet er delt inn i kontrollsignaler for øvre og nedre arm: overarmssignalene til MA, MB og MC er representert av henholdsvis AT, BT og CT, og underarmssignalene er representert av AB, BB og CB.

Som konklusjon
I tråd med mekanismen for membranseparasjonsoksygenproduksjon, utarbeider denne forskningen et kompakt membranseparasjonsoksygengeneratorkontrollsystem som tar STM32F407 enkeltbrikkemikrodatamaskinen som sentral kontrollenhet, samtidig som den formulerer tilsvarende perifere kontrollkretser og kontrollalgoritmer. Hele kontrolloppsettet viser fordelene ved å være brukervennlig, lett å betjene, svært stabilt og ekstremt pålitelig, sammen med utmerkede menneske-maskin-interaksjonsevner. Prototypen av oksygengeneratoren utviklet under dette kontrollregimet er av en minimal størrelse og har en bemerkelsesverdig lav vekt. Når oksygenutgangshastigheten når 0,8 l/min, kan oksygenrenheten nå så høy som 93,2 %, og oppfyller de forhåndsinnstilte designstandardene. Når vi ser fremover, er det planer om å utforske den intelligente reguleringen av oksygenproduksjonsprosessen. Ved nøyaktig å justere parametere som pumpehastighet, gjennomtrengningstid og membrantrykk, kan oksygenutgangshastigheten og renheten til oksygengeneratoren automatisk justeres i henhold til omgivelsestemperaturendringer og holdes på et relativt konstant nivå.