牽引移動式可擴展負壓隔離轉運艙擴展功能的系統設計

錢亮　楊寧　楊發毅

摘 要：目前中長距離轉運傳染性病人多采用負壓救護車，而負壓救護車空間狹小，舒適度差，性能單一，不適合疫情爆發初期散發病人的臨時隔離和治療。目前國內缺乏一種平戰結合，既可以通過公路長途轉運，又適合在城市空地或人口稀少地區的隔離與治療，以保證城市生產、生活、學習不再暫停。本文的牽引式可擴展負壓隔離轉運艙借鑒牽引房車，設計出具備牽引裝置，在野外駐車時通過遙控器控制直流無刷電機在動力直線導軌上實現艙體擴展、收縮和啟停，臨時擴展車內空間50%，增加觀察病人數量，作為臨時隔離與治療之用，可以達到轉運艙與隔離病房雙重效果。同時，當直線導軌上進入大量灰塵或雜質后，可通過硬件電流環控制電路來保護電機和控制板。

關鍵詞：直流無刷電機 動力直線導軌 艙體擴展 硬件電流環控制電路

1 直流無刷電機正反轉時序

牽引移動式可擴展負壓隔離轉運艙（示意圖如圖1）擴展模塊的動力源選用大功率直流無刷電機。直流無刷電機具有低噪音、效率高、發熱小、維護方便等特點[1]，因此被應用于艙體動力驅動中，以達到在發生重大傳染病疫情時，牽引式可擴展負壓隔離轉運艙在野外駐車時實現空間擴展，以容納更多傳染病人，且在空間擴展和收縮過程中，能夠為醫護人員提供絕對安全的負壓環境，保證醫護人員不被感染[2]。本文基于STM32F103C8T6單片機設計了一套軟硬結合的大功率直流無刷電機的控制系統，并且把該系統應用于牽引式可擴展負壓隔離轉運艙的擴展功能上，實現駐車模式下容納更多病人的功能。

艙體擴展時，直流無刷電機正轉。艙體收縮時，直流無刷電機反轉。三相裂變橋電路6個Mos管依次導通時序圖如圖2所示。

2 系統硬件結構

控制系統中STM32F103C8T6芯片作為主控制器，STM32F103C8T6芯片通過控制GPIO管腳來控制直流無刷電機的正反轉、速度調節、啟動和停止，根據圖2時序，設計出直流無刷電機的驅動控制電路如圖3所示。

直流無刷電機的轉子位置信號由HALL傳感器實時采集傳至控制電機啟動和停止的CD4051模塊，經過決定Mosfet管導通順序的3塊CD4071芯片模塊，傳至控制電機正反轉和電機過流保護的2塊CD4053芯片模塊，送至控制電機速度的2塊CD4081芯片模塊，再送至FD6288T預驅動模塊，最后按照導通時序驅動三項裂變橋驅動電路模塊。從而形成一個集電機速度調節、正反轉控制、啟停控制、過流保護為一體的完整純硬件閉環控制電路。

2.1 三相裂變橋Mosfet驅動電路

使用6塊MOSFET組成三相電橋，MOSFET具有十分優良的高頻特性[3]，在每個橋臂之間接1個103的小電容，可以在上電和掉電時有效保護Mos管。在每個下橋臂串接1個10mR的檢流電阻，采集電機線圈電流，當擴展模塊運行時間長直線導軌進入大量灰塵后，直流無刷電機旋轉卡死導致電機線圈電流過大，通過硬件電流環電路可以讓電機快速停止，從而有效保護電機和電路板。

2.2 硬件電流環控制電路

當擴展模塊運行時間長后，直線導軌可能會進入大量灰塵或雜物雜質，導致直流無刷電機旋轉易卡死，易燒毀電機和控制板。為了避免此類現象，使用硬件電流環控制電路可以有效保護電機和控制板[3]。硬件相比軟件具有更快的反應速度，不像軟件需要經過主控芯片的AD采樣，再通過主控芯片輸出去控制，這樣往往是來不及保護電機的，故最有效的方法是硬件電流環電路，如圖4所示。

直流無刷電機旋轉帶動直線導軌上的滑塊做來回運動，而滑塊與負壓轉運隔離艙的擴展艙體連接在一起的，同時擴展艙體總負載與電機電流成正比，因此要實現擴展功能良好的動態性能，就要對電機電流進行檢測，3個10mR檢流電阻被用于電機UVW三相線圈電流的檢測，其過程可分為4部分：（1）檢流電阻兩端電壓經過運放放大11倍；（2）借助運放和2個二極管進行T型濾波，翻轉低于+6V的電壓；（3）UVW相線的電壓信號經過抗干擾的二極管傳入比較器LM393，使用變阻器VR1調整電機線圈峰值電流；（4）當電機電流過大時，比較器輸出高電平，CD4013芯片的CLK時鐘引腳產生上升沿，把D1管腳的高電平信號賦給Q1，Q1產生高電平信號控制圖3的CD4053模塊，切斷電機閉環回路，有效保護電機。

3 軟件控制策略

本系統采用紅外遙控器控制直流無刷電機的正反轉、啟停和調速，總控芯片運行FreeRTOS操作系統，使用Mutex的任務喚醒和休眠機制。當HS0038一體化接收頭沒有接收到紅外信號時，所有任務處于休眠狀態。當操作人員按下紅外遙控器后會觸發芯片外部中斷并喚醒數據解析任務，再根據解析的數據值和限位行程開關的信號狀態去決定到底喚醒直流無刷電機哪一個工作任務（正反轉、啟停或調速任務），并控制艙體擴展、收縮或停止。

4 擴展試驗驗證和結論分析

動力直線導軌行程為1.5米，PWM占空比10%、40%和80%情況下，記錄艙體擴展時間，電機啟動電流。啟動艙體擴展模塊，使用示波器抓取電機線圈電流值，對艙體進行10～180kg負重測試，測試艙體擴展時的帶載能力，記錄電機在不同負載作用下電機的平均電流值、最大電流值、最小電流值、不同PWM占空比下的艙體擴展速度和帶載能力的關系等。擴展實驗結果如表1、圖5所示。

（1）由表2數據分析可得，占空比越小，電機速度越小，艙體擴展（收縮）時間越長，電機帶載能力越強，艙體總重量可增至180kg左右。故為了保證電機具有較大的帶載能力，占空比應低于30%，艙體擴展和收縮的速度不能太快。

（2）電機的啟動電流一般較大，尤其是艙體總負載大時。因此，電機的峰值電流設置應該大于啟動電流的10%～20%。這樣才能保證艙體在啟動時電機不會因過流而停機。

基金項目：四川省科技計劃重點研發項目（2021YFS0363），四川省衛生健康委員會醫學科技項目（21PJ191）。

參考文獻：

[1]林智驊，平雪良，金登峰，等．基于STM32的全方位移動平臺設計和控制[J]，電子測量技術，2016，39（1）：19—21.

[2]孫秋明，劉圣軍，田豐，等．傳染病人負壓隔離床控制系統設計[J]．中國醫學裝備，2008，5（3）：4-6．

[3]張唏，曾迪暉，王永立．基于STM32的無刷直流電機控制系統[J]．儀表技術與傳器2013，9（2）：68—69.