【解決方案】電機制氧-剖析便攜制氧機的工作原理

新冠肺炎肆虐全球，如何讓病人在康復階段隨時隨地都能吸到90%以上純度的氧氣，成為擺在面前的難題！便攜式制氧機的橫空出世完美地解決此問題。無需化學物，更不用電解水，以空氣為原料，通過無刷電機等加工就能源源不斷地輸出氧氣！本文將剖析其中的電機制氧的原理！

一、制氧機工作原理

空氣中的主要成分有氮氣和氧氣，并且氮氣的分子直徑遠大于氧氣。如果有一種辦法將氮氣過濾出來，剩下的就是高純度的氧氣了。

圖1 空氣比例

利用變壓吸附法即可實現！此方法利用分子篩物理吸附和解吸技術，在加壓時將直徑大的氮分子吸附，剩余直徑小的氧分子通過分子篩被收集起來，經過凈化處理后即成為高純度的氧氣。分子篩在減壓時將所吸附的氮排放回環境空氣中，在下一次加壓時又可以吸附氮氣并制取氧氣，整個過程為周期性的動態循環過程，分子篩并不消耗。制氧機用的分子篩呈粉末狀，是一種在分子水平上篩選物質的多孔材料，主要是由沸石材料構成。正因為它可以在分子水平上過濾不同直徑的氣體，人們將它裝進罐中，做成為分子篩罐。

制氧機按下面的步驟循環工作：

1.     空氣被過濾后進入壓縮機，經過冷凝器，隨后在電磁閥的選擇下，輪流進入分子篩罐1和2。

2.     電磁閥讓高壓空氣只進入分子篩罐1，不進入分子篩罐2；氮分子被分子篩罐1吸附，而氧分子直接通過進入儲氧罐；同時打開分子篩罐2的排氣閥，在低壓下，原來被吸附的氮氣分子被解吸出來，排放到大氣中。

3.     電磁閥讓高壓空氣只進入分子篩罐2，不進入分子篩罐1；氮分子被分子篩罐2吸附，而氧分子直接通過進入儲氧罐；同時打開分子篩罐1的排氣閥，在低壓下，原來被吸附的氮氣分子被解吸出來，排放到大氣中。

4.     儲氧罐中的高純度的氧氣通過流量計對外輸出。

這樣，在分子篩罐1和2輪流工作下，即可輸出恒定的氧氣。

圖2 制氧機框圖（圖片源自網絡侵刪）

制氧機出來的就是90%以上的高純度氧氣，人要是直接吸入這樣的氧氣，用不了多久，鼻粘膜就會因為太干燥而流血。所以需要在出口處通過濕化瓶，用純凈水濕潤氧氣，人吸氧時才會舒服。而對于便攜式制氧機，因為不方便攜帶濕化瓶，所以采用脈沖供氧的方式，流量計測量到人要吸氣時才通過單向閥對外供氧，同時也能節省電量。

二、便攜制氧機介紹

便攜制氧機是在傳統插電的制氧機的基礎上進行小型化。主要將傳統的基于交流異步電機的壓縮機，改為基于直流無刷電機的微型壓縮機，工作電壓在12~24V，并且使用鋰電池供電，小小一個背包在身，一般可以連續4個小時以上供氧。基于無刷電機的微型壓縮機是整臺便攜制氧機的“心臟”，需要它在保證供養量的情況下，盡可能省電、安靜。普遍采用的微型無油空氣壓縮機，大概拳頭大，因為內部沒有任何機油，保證空氣不會被污染。采用直流無刷電機為動力，一般額定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大，電機速度要越高，但耗電也越快。在遇險時，例如登山缺氧，可以將電機速度調得盡量低，雖然制氧量降低，但能延長使用時間，等待救援。

三、便攜制氧機驅動板

致遠電子針對微型無油空氣壓縮機，出品了便攜制氧機專用的無刷直流電機驅動板，具有以下特點：

l  優化的算法，根據制氧機深度改進的無感FOC算法，傳統無感FOC算法在此運行會劇烈震動、無法使用；

l  大范圍轉速  無感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范圍轉速穩定工作，制氧機能輕松實現多檔位選擇；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉速下工作；

l  穩定的轉速，ADRC算法替換傳統的PID算法，在1000~3000RPM滿載下，轉速波動僅為5RPM左右；其他基于PID的FOC方案約50RPM；方波方案一般無法勻速，速度會受吸氧量的影響而波動；轉速越穩定，震動越小，更安靜、更省電；

l  優化加減速，采用工業伺服的S曲線控制加減速，換擋平順、不抖動；

l  穩定且靈活，醫療產品級，基于高性能ARM處理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脈沖輸入調速，過流、過壓、欠壓、堵轉、缺相、功率保護等等。

圖3 便攜制氧機驅動板演示DEMO

了解便攜制氧機驅動板可聯系致遠電子，下一期將深度剖析ADRC算法如何讓制氧機穩定工作。敬請留意！