牽引移動式可擴(kuò)展負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙擴(kuò)展功能的系統(tǒng)設(shè)計

錢亮　楊寧　楊發(fā)毅

摘 要：目前中長距離轉(zhuǎn)運(yùn)傳染性病人多采用負(fù)壓救護(hù)車，而負(fù)壓救護(hù)車空間狹小，舒適度差，性能單一，不適合疫情爆發(fā)初期散發(fā)病人的臨時隔離和治療。目前國內(nèi)缺乏一種平戰(zhàn)結(jié)合，既可以通過公路長途轉(zhuǎn)運(yùn)，又適合在城市空地或人口稀少地區(qū)的隔離與治療，以保證城市生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)不再暫停。本文的牽引式可擴(kuò)展負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙借鑒牽引房車，設(shè)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(jī)在動力直線導(dǎo)軌上實現(xiàn)艙體擴(kuò)展、收縮和啟停，臨時擴(kuò)展車內(nèi)空間50%，增加觀察病人數(shù)量，作為臨時隔離與治療之用，可以達(dá)到轉(zhuǎn)運(yùn)艙與隔離病房雙重效果。同時，當(dāng)直線導(dǎo)軌上進(jìn)入大量灰塵或雜質(zhì)后，可通過硬件電流環(huán)控制電路來保護(hù)電機(jī)和控制板。

關(guān)鍵詞：直流無刷電機(jī) 動力直線導(dǎo)軌 艙體擴(kuò)展 硬件電流環(huán)控制電路

1 直流無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)時序

牽引移動式可擴(kuò)展負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙（示意圖如圖1）擴(kuò)展模塊的動力源選用大功率直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)具有低噪音、效率高、發(fā)熱小、維護(hù)方便等特點[1]，因此被應(yīng)用于艙體動力驅(qū)動中，以達(dá)到在發(fā)生重大傳染病疫情時，牽引式可擴(kuò)展負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙在野外駐車時實現(xiàn)空間擴(kuò)展，以容納更多傳染病人，且在空間擴(kuò)展和收縮過程中，能夠為醫(yī)護(hù)人員提供絕對安全的負(fù)壓環(huán)境，保證醫(yī)護(hù)人員不被感染[2]。本文基于STM32F103C8T6單片機(jī)設(shè)計了一套軟硬結(jié)合的大功率直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，并且把該系統(tǒng)應(yīng)用于牽引式可擴(kuò)展負(fù)壓隔離轉(zhuǎn)運(yùn)艙的擴(kuò)展功能上，實現(xiàn)駐車模式下容納更多病人的功能。

艙體擴(kuò)展時，直流無刷電機(jī)正轉(zhuǎn)。艙體收縮時，直流無刷電機(jī)反轉(zhuǎn)。三相裂變橋電路6個Mos管依次導(dǎo)通時序圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)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(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)、啟動和停止，根據(jù)圖2時序，設(shè)計出直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制電路如圖3所示。

直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號由HALL傳感器實時采集傳至控制電機(jī)啟動和停止的CD4051模塊，經(jīng)過決定Mosfet管導(dǎo)通順序的3塊CD4071芯片模塊，傳至控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和電機(jī)過流保護(hù)的2塊CD4053芯片模塊，送至控制電機(jī)速度的2塊CD4081芯片模塊，再送至FD6288T預(yù)驅(qū)動模塊，最后按照導(dǎo)通時序驅(qū)動三項裂變橋驅(qū)動電路模塊。從而形成一個集電機(jī)速度調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制、啟停控制、過流保護(hù)為一體的完整純硬件閉環(huán)控制電路。

2.1 三相裂變橋Mosfet驅(qū)動電路

使用6塊MOSFET組成三相電橋，MOSFET具有十分優(yōu)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(hù)Mos管。在每個下橋臂串接1個10mR的檢流電阻，采集電機(jī)線圈電流，當(dāng)擴(kuò)展模塊運(yùn)行時間長直線導(dǎo)軌進(jìn)入大量灰塵后，直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)卡死導(dǎo)致電機(jī)線圈電流過大，通過硬件電流環(huán)電路可以讓電機(jī)快速停止，從而有效保護(hù)電機(jī)和電路板。

2.2 硬件電流環(huán)控制電路

當(dāng)擴(kuò)展模塊運(yùn)行時間長后，直線導(dǎo)軌可能會進(jìn)入大量灰塵或雜物雜質(zhì)，導(dǎo)致直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)易卡死，易燒毀電機(jī)和控制板。為了避免此類現(xiàn)象，使用硬件電流環(huán)控制電路可以有效保護(hù)電機(jī)和控制板[3]。硬件相比軟件具有更快的反應(yīng)速度，不像軟件需要經(jīng)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(hù)電機(jī)的，故最有效的方法是硬件電流環(huán)電路，如圖4所示。

直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊做來回運(yùn)動，而滑塊與負(fù)壓轉(zhuǎn)運(yùn)隔離艙的擴(kuò)展艙體連接在一起的，同時擴(kuò)展艙體總負(fù)載與電機(jī)電流成正比，因此要實現(xiàn)擴(kuò)展功能良好的動態(tài)性能，就要對電機(jī)電流進(jìn)行檢測，3個10mR檢流電阻被用于電機(jī)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(jīng)過運(yùn)放放大11倍；（2）借助運(yùn)放和2個二極管進(jìn)行T型濾波，翻轉(zhuǎn)低于+6V的電壓；（3）UVW相線的電壓信號經(jīng)過抗干擾的二極管傳入比較器LM393，使用變阻器VR1調(diào)整電機(jī)線圈峰值電流；（4）當(dāng)電機(jī)電流過大時，比較器輸出高電平，CD4013芯片的CLK時鐘引腳產(chǎn)生上升沿，把D1管腳的高電平信號賦給Q1，Q1產(chǎn)生高電平信號控制圖3的CD4053模塊，切斷電機(jī)閉環(huán)回路，有效保護(hù)電機(jī)。

3 軟件控制策略

本系統(tǒng)采用紅外遙控器控制直流無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)速，總控芯片運(yùn)行FreeRTOS操作系統(tǒng)，使用Mutex的任務(wù)喚醒和休眠機(jī)制。當(dāng)HS0038一體化接收頭沒有接收到紅外信號時，所有任務(wù)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)操作人員按下紅外遙控器后會觸發(fā)芯片外部中斷并喚醒數(shù)據(jù)解析任務(wù)，再根據(jù)解析的數(shù)據(jù)值和限位行程開關(guān)的信號狀態(tài)去決定到底喚醒直流無刷電機(jī)哪一個工作任務(wù)（正反轉(zhuǎn)、啟停或調(diào)速任務(wù)），并控制艙體擴(kuò)展、收縮或停止。

4 擴(kuò)展試驗驗證和結(jié)論分析

動力直線導(dǎo)軌行程為1.5米，PWM占空比10%、40%和80%情況下，記錄艙體擴(kuò)展時間，電機(jī)啟動電流。啟動艙體擴(kuò)展模塊，使用示波器抓取電機(jī)線圈電流值，對艙體進(jìn)行10～180kg負(fù)重測試，測試艙體擴(kuò)展時的帶載能力，記錄電機(jī)在不同負(fù)載作用下電機(jī)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(kuò)展速度和帶載能力的關(guān)系等。擴(kuò)展實驗結(jié)果如表1、圖5所示。

（1）由表2數(shù)據(jù)分析可得，占空比越小，電機(jī)速度越小，艙體擴(kuò)展（收縮）時間越長，電機(jī)帶載能力越強(qiáng)，艙體總重量可增至180kg左右。故為了保證電機(jī)具有較大的帶載能力，占空比應(yīng)低于30%，艙體擴(kuò)展和收縮的速度不能太快。

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

基金項目：四川省科技計劃重點研發(fā)項目（2021YFS0363），四川省衛(wèi)生健康委員會醫(yī)學(xué)科技項目（21PJ191）。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫秋明，劉圣軍，田豐，等．傳染病人負(fù)壓隔離床控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．中國醫(yī)學(xué)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(jī)控制系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)與傳器2013，9（2）：68—69.