探析呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)的設計

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

關鍵詞：呼吸機;永磁同步電機;矢量控制;調(diào)速系統(tǒng)

呼吸機能夠取代、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治療和呼吸支持，由于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)傳感器過于繁瑣，各種通氣策略參數(shù)設定極其復雜，為此增大了呼吸機的成本，阻滯了病人的即時治療。為此，本文重點探討一種低成本、便攜性、精度控制的便攜式呼吸機，采用具有良好穩(wěn)定性和安全性的永磁同步電機，采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制和PID閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)對便攜式呼吸機永磁同步電機的有效控制。

1 呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)概述

呼吸機用永磁同步電機采用矢量控制的思想，對三相定子電流進行坐標變換，實現(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，實現(xiàn)對電機的高品質(zhì)調(diào)速。常見的永磁同步電機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的功率因數(shù)恒為1，通過調(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到電動機的最大轉(zhuǎn)矩電流比中，通過各轉(zhuǎn)矩與之對應的dq軸電流來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電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩為零，僅與交軸電流相關，沒有直軸電流反應的去磁效應，適宜于基速以下的電機運行控制。

2 呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 微控制器設計

呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)選擇32位的ARM系列微處理器，內(nèi)置STM32F407R8T6芯片，支持三對帶死區(qū)的互補PWM波輸出功能，主要由三相全橋MOS管的導通及關斷進行驅(qū)動控制，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，負載為2KPa下的持續(xù)輸出>120L/min。

2.2 外圍電路設計

在硬件電路設計之中，HALL傳感器的信號檢測電路主要通過STM32基本定時器TIM3的不同通道加以實現(xiàn)。系統(tǒng)電源電路設計模塊中有3處電壓，即：24V電源負責呼吸機用永磁同步電機供電;5V電源負責外圍通訊和保護電路供電;3.3V電源負責IR2136驅(qū)動電路和控制邏輯電路供電。功率驅(qū)動部分電路設計采用IR2136S驅(qū)動控制芯片，輸入電平為3.3V，輸出驅(qū)動電壓為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斷、下橋臂導通時，PWMHN處的電壓值為零，由二極管對自舉電容充電;當上橋臂導通、下橋臂關斷時，PWMHN處的電壓值為24V。

2.3 電機驅(qū)動微渦輪風機設計

將電機與驅(qū)動風機結構相連接，實現(xiàn)對電機速度的有效控制，并采用壓力控制閥、流量控制閥進行氣路中的壓力、流量控制[1]。

3 呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)軟件設計

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

3.1 主程序設計

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

3.2 中斷程序設計

系統(tǒng)進入中斷入口后，計算q軸、d軸的給定電流，中斷系統(tǒng)滴答定時器。高級定時器計數(shù)器上溢中斷則是在進入中斷入口后，讀取三相電流AD采樣值，再由CPU讀取直流母線端電壓，計算轉(zhuǎn)子位置角，再對三相電流AD采樣值進行變換，獲取靜止坐標系下的兩相電流，對其進行變換獲取兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩相旋轉(zhuǎn)電流，進行電流作差調(diào)節(jié)，并計算TIM1中比較器的不同值，完成高級定時器TIM1計數(shù)器上溢中斷。

3.3 軟件初始化結構設計

上電復位之后，依次進行如下初始化程序：時鐘、GPIO、SPI、USART、ADC、DMA、霍爾接口、高級定時器、故障保護及報警、電機開關電源初始化等，并進行查詢和判斷[2]。

3.4 其他軟件設計

龍伯格觀測器模塊包括有龍伯格觀測器、低通濾波器、鎖相環(huán)模塊，通過鎖相環(huán)估算轉(zhuǎn)子位置，通過低通濾波器進行電動勢的濾波，再對轉(zhuǎn)子位置進行轉(zhuǎn)子角度補償。電流采樣軟件由采樣電阻進行電流的采樣，通過內(nèi)部定時器TIM1和SVPWM調(diào)制波選擇采樣時間點，并通過STM32內(nèi)部的ADC的EXTTRIG控制位進行事件觸發(fā)。同時，無須復雜的軟硬件資源的計算和配置，即可通過設置定時器TIM1通道4的值，完成ADC的注入轉(zhuǎn)換時間的設定。

4 小結

綜上所述，呼吸機對于改善呼吸困難、呼吸暫停有重要的作用，本文重點設計高性能、低成本、便攜式的呼吸機，采用永磁同步電機控制系統(tǒng)，進行系統(tǒng)軟硬件設計和分析，并進行電機轉(zhuǎn)速、流量及壓力參數(shù)的測試，較好地實現(xiàn)矢量調(diào)速控制。未來還要不斷完善呼吸機用永磁同步電機控制系統(tǒng)，采用C++.C#上位機軟件，設計更加友好的控制界面，并將網(wǎng)絡技術、人工智能等現(xiàn)代新興技術與呼吸機設計相鏈接，擴展呼吸機的應用范圍，提升用戶的舒適度和便捷性，使之更加智能化和網(wǎng)絡化，在未來研究課題中加強呼吸機臨床方面的應用研究。

參考文獻：

[1]劉勇，余仕求，梁致遠.內(nèi)置式永磁同步電機新的弱磁控制策略研究[J].長江大學學報（自科版），2018（01）.

[2]張濤.基于擴張狀態(tài)觀測器的永磁同步電機無傳感器控制技術研究[D].南京航空航天大學，2016.

作者簡介：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)療器械設備的電子工程工作。