探析呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：呼吸機(jī)是用于取代、支配或改善人體呼吸功能的醫(yī)療急救設(shè)備，為病人供給恢復(fù)治療和呼吸支持，本文重點(diǎn)探討低成本、便攜性強(qiáng)、精度有效控制的便攜式呼吸機(jī)，分析呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)矢量調(diào)速控制的基本原理，進(jìn)行呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，更好地用于需要長(zhǎng)期進(jìn)行住院治療的患者。

關(guān)鍵詞：呼吸機(jī);永磁同步電機(jī);矢量控制;調(diào)速系統(tǒng)

呼吸機(jī)能夠取代、支配或改善病人的呼吸功能，為呼吸功能不全和呼吸功能衰竭的病人提供恢復(fù)治療和呼吸支持，由于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)傳感器過(guò)于繁瑣，各種通氣策略參數(shù)設(shè)定極其復(fù)雜，為此增大了呼吸機(jī)的成本，阻滯了病人的即時(shí)治療。為此，本文重點(diǎn)探討一種低成本、便攜性、精度控制的便攜式呼吸機(jī)，采用具有良好穩(wěn)定性和安全性的永磁同步電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制和PID閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)便攜式呼吸機(jī)永磁同步電機(jī)的有效控制。

1 呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)概述

呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)采用矢量控制的思想，對(duì)三相定子電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的耦合，完成定子直軸電流和定子交軸電流的完全解耦，并與智能控制、模糊控制相聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高品質(zhì)調(diào)速。常見的永磁同步電機(jī)矢量控制策略主要有：（1）cos=1控制。這種矢量控制策略是使電機(jī)的功率因數(shù)恒為1，通過(guò)調(diào)節(jié)定子直軸電流和交軸電流的方式，最大程度提高逆變器利用率。（2）MTPA控制。這種控制策略是在達(dá)到電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩電流比中，通過(guò)各轉(zhuǎn)矩與之對(duì)應(yīng)的dq軸電流來(lái)獲取最小的電流法幅值。（3）id=0控制。這種矢量控制策略是使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩為零，僅與交軸電流相關(guān)，沒(méi)有直軸電流反應(yīng)的去磁效應(yīng)，適宜于基速以下的電機(jī)運(yùn)行控制。

2 呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)選擇32位的ARM系列微處理器，內(nèi)置STM32F407R8T6芯片，支持三對(duì)帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM波輸出功能，主要由三相全橋MOS管的導(dǎo)通及關(guān)斷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，系統(tǒng)調(diào)速范圍在1000rpm9000rpm以內(nèi)，持續(xù)平穩(wěn)輸出壓力≥6KPa，空載狀態(tài)下氣體流速輸出>200L/min，負(fù)載為2KPa下的持續(xù)輸出>120L/min。

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)之中，HALL傳感器的信號(hào)檢測(cè)電路主要通過(guò)STM32基本定時(shí)器TIM3的不同通道加以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)模塊中有3處電壓，即：24V電源負(fù)責(zé)呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)供電;5V電源負(fù)責(zé)外圍通訊和保護(hù)電路供電;3.3V電源負(fù)責(zé)IR2136驅(qū)動(dòng)電路和控制邏輯電路供電。功率驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)采用IR2136S驅(qū)動(dòng)控制芯片，輸入電平為3.3V，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為10V30V，內(nèi)置自舉電路，其工作原理為：三相全橋電路中的一相中上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通時(shí)，PWMHN處的電壓值為零，由二極管對(duì)自舉電容充電;當(dāng)上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，PWMHN處的電壓值為24V。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)微渦輪風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的有效控制，并采用壓力控制閥、流量控制閥進(jìn)行氣路中的壓力、流量控制[1]。

3 呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件包括有主程序和中斷程序兩個(gè)部分，具體內(nèi)容如下：

3.1 主程序設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作之后，進(jìn)行中斷配置、時(shí)鐘配置、單/三相電阻采樣模式配置初始化和龍伯格觀測(cè)器參數(shù)初始化，再進(jìn)入while（）循環(huán)等待程序。

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入中斷入口后，計(jì)算q軸、d軸的給定電流，中斷系統(tǒng)滴答定時(shí)器。高級(jí)定時(shí)器計(jì)數(shù)器上溢中斷則是在進(jìn)入中斷入口后，讀取三相電流AD采樣值，再由CPU讀取直流母線端電壓，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角，再對(duì)三相電流AD采樣值進(jìn)行變換，獲取靜止坐標(biāo)系下的兩相電流，對(duì)其進(jìn)行變換獲取兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相旋轉(zhuǎn)電流，進(jìn)行電流作差調(diào)節(jié)，并計(jì)算TIM1中比較器的不同值，完成高級(jí)定時(shí)器TIM1計(jì)數(shù)器上溢中斷。

3.3 軟件初始化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上電復(fù)位之后，依次進(jìn)行如下初始化程序：時(shí)鐘、GPIO、SPI、USART、ADC、DMA、霍爾接口、高級(jí)定時(shí)器、故障保護(hù)及報(bào)警、電機(jī)開關(guān)電源初始化等，并進(jìn)行查詢和判斷[2]。

3.4 其他軟件設(shè)計(jì)

龍伯格觀測(cè)器模塊包括有龍伯格觀測(cè)器、低通濾波器、鎖相環(huán)模塊，通過(guò)鎖相環(huán)估算轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)低通濾波器進(jìn)行電動(dòng)勢(shì)的濾波，再對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度補(bǔ)償。電流采樣軟件由采樣電阻進(jìn)行電流的采樣，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器TIM1和SVPWM調(diào)制波選擇采樣時(shí)間點(diǎn)，并通過(guò)STM32內(nèi)部的ADC的EXTTRIG控制位進(jìn)行事件觸發(fā)。同時(shí)，無(wú)須復(fù)雜的軟硬件資源的計(jì)算和配置，即可通過(guò)設(shè)置定時(shí)器TIM1通道4的值，完成ADC的注入轉(zhuǎn)換時(shí)間的設(shè)定。

4 小結(jié)

綜上所述，呼吸機(jī)對(duì)于改善呼吸困難、呼吸暫停有重要的作用，本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)高性能、低成本、便攜式的呼吸機(jī)，采用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和分析，并進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量及壓力參數(shù)的測(cè)試，較好地實(shí)現(xiàn)矢量調(diào)速控制。未來(lái)還要不斷完善呼吸機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，采用C++.C#上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)更加友好的控制界面，并將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等現(xiàn)代新興技術(shù)與呼吸機(jī)設(shè)計(jì)相鏈接，擴(kuò)展呼吸機(jī)的應(yīng)用范圍，提升用戶的舒適度和便捷性，使之更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化，在未來(lái)研究課題中加強(qiáng)呼吸機(jī)臨床方面的應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉勇，余仕求，梁致遠(yuǎn).內(nèi)置式永磁同步電機(jī)新的弱磁控制策略研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2018（01）.

[2]張濤.基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：張弘弢（1984），男，漢族，江蘇徐州人，大專，助理工程師，目前從事醫(yī)療器械設(shè)備的電子工程工作。