探析呼吸机用永磁同步电机控制系统的设计

摘要：呼吸机是用于取代、支配或改善人体呼吸功能的医疗急救设备，为病人供给恢复治疗和呼吸支持，本文重点探讨低成本、便携性强、精度有效控制的便携式呼吸机，分析呼吸机用永磁同步电机矢量调速控制的基本原理，进行呼吸机用永磁同步电机矢量控制调速系统的软硬件设计，更好地用于需要长期进行住院治疗的患者。

关键词：呼吸机;永磁同步电机;矢量控制;调速系统

呼吸机能够取代、支配或改善病人的呼吸功能，为呼吸功能不全和呼吸功能衰竭的病人提供恢复治疗和呼吸支持，由于传统的控制系统传感器过于繁琐，各种通气策略参数设定极其复杂，为此增大了呼吸机的成本，阻滞了病人的即时治疗。为此，本文重点探讨一种低成本、便携性、精度控制的便携式呼吸机，采用具有良好稳定性和安全性的永磁同步电机，采用转子磁场定向矢量控制和PID闭环控制策略，实现对便携式呼吸机永磁同步电机的有效控制。

1 呼吸机用永磁同步电机控制系统概述

呼吸机用永磁同步电机采用矢量控制的思想，对三相定子电流进行坐标变换，实现磁链和转矩的耦合，完成定子直轴电流和定子交轴电流的完全解耦，并与智能控制、模糊控制相联合，实现对电机的高品质调速。常见的永磁同步电机矢量控制策略主要有：（1）cos=1控制。这种矢量控制策略是使电机的功率因数恒为1，通过调节定子直轴电流和交轴电流的方式，最大程度提高逆变器利用率。（2）MTPA控制。这种控制策略是在达到电动机的最大转矩电流比中，通过各转矩与之对应的dq轴电流来获取最小的电流法幅值。（3）id=0控制。这种矢量控制策略是使电机电磁转矩中的磁阻转矩为零，仅与交轴电流相关，没有直轴电流反应的去磁效应，适宜于基速以下的电机运行控制。

2 呼吸机用永磁同步电机控制系统的硬件设计

2.1 微控制器设计

呼吸机用永磁同步电机控制系统选择32位的ARM系列微处理器，内置STM32F407R8T6芯片，支持三对带死区的互补PWM波输出功能，主要由三相全桥MOS管的导通及关断进行驱动控制，系统调速范围在1000rpm9000rpm以内，持续平稳输出压力≥6KPa，空载状态下气体流速输出>200L/min，负载为2KPa下的持续输出>120L/min。

2.2 外围电路设计

在硬件电路设计之中，HALL传感器的信号检测电路主要通过STM32基本定时器TIM3的不同通道加以实现。系统电源电路设计模块中有3处电压，即：24V电源负责呼吸机用永磁同步电机供电;5V电源负责外围通讯和保护电路供电;3.3V电源负责IR2136驱动电路和控制逻辑电路供电。功率驱动部分电路设计采用IR2136S驱动控制芯片，输入电平为3.3V，输出驱动电压为10V30V，内置自举电路，其工作原理为：三相全桥电路中的一相中上桥臂关断、下桥臂导通时，PWMHN处的电压值为零，由二极管对自举电容充电;当上桥臂导通、下桥臂关断时，PWMHN处的电压值为24V。

2.3 电机驱动微涡轮风机设计

将电机与驱动风机结构相连接，实现对电机速度的有效控制，并采用压力控制阀、流量控制阀进行气路中的压力、流量控制[1]。

3 呼吸机用永磁同步电机控制系统软件设计

呼吸机用永磁同步电机控制系统的软件包括有主程序和中断程序两个部分，具体内容如下：

3.1 主程序设计

呼吸机用永磁同步电机控制系统进行初始化操作之后，进行中断配置、时钟配置、单/三相电阻采样模式配置初始化和龙伯格观测器参数初始化，再进入while（）循环等待程序。

3.2 中断程序设计

系统进入中断入口后，计算q轴、d轴的给定电流，中断系统滴答定时器。高级定时器计数器上溢中断则是在进入中断入口后，读取三相电流AD采样值，再由CPU读取直流母线端电压，计算转子位置角，再对三相电流AD采样值进行变换，获取静止坐标系下的两相电流，对其进行变换获取两相旋转坐标系下的两相旋转电流，进行电流作差调节，并计算TIM1中比较器的不同值，完成高级定时器TIM1计数器上溢中断。

3.3 软件初始化结构设计

上电复位之后，依次进行如下初始化程序：时钟、GPIO、SPI、USART、ADC、DMA、霍尔接口、高级定时器、故障保护及报警、电机开关电源初始化等，并进行查询和判断[2]。

3.4 其他软件设计

龙伯格观测器模块包括有龙伯格观测器、低通滤波器、锁相环模块，通过锁相环估算转子位置，通过低通滤波器进行电动势的滤波，再对转子位置进行转子角度补偿。电流采样软件由采样电阻进行电流的采样，通过内部定时器TIM1和SVPWM调制波选择采样时间点，并通过STM32内部的ADC的EXTTRIG控制位进行事件触发。同时，无须复杂的软硬件资源的计算和配置，即可通过设置定时器TIM1通道4的值，完成ADC的注入转换时间的设定。

4 小结

综上所述，呼吸机对于改善呼吸困难、呼吸暂停有重要的作用，本文重點设计高性能、低成本、便携式的呼吸机，采用永磁同步电机控制系统，进行系统软硬件设计和分析，并进行电机转速、流量及压力参数的测试，较好地实现矢量调速控制。未来还要不断完善呼吸机用永磁同步电机控制系统，采用C++.C#上位机软件，设计更加友好的控制界面，并将网络技术、人工智能等现代新兴技术与呼吸机设计相链接，扩展呼吸机的应用范围，提升用户的舒适度和便捷性，使之更加智能化和网络化，在未来研究课题中加强呼吸机临床方面的应用研究。

参考文献：

[1]刘勇，余仕求，梁致远.内置式永磁同步电机新的弱磁控制策略研究[J].长江大学学报（自科版），2018（01）.

[2]张涛.基于扩张状态观测器的永磁同步电机无传感器控制技术研究[D].南京航空航天大学，2016.

作者简介：张弘弢（1984），男，汉族，江苏徐州人，大专，助理工程师，目前从事医疗器械设备的电子工程工作。