牵引移动式可扩展负压隔离转运舱扩展功能的系统设计

钱亮　杨宁　杨发毅

摘 要：目前中长距离转运传染性病人多采用负压救护车，而负压救护车空间狭小，舒适度差，性能单一，不适合疫情爆发初期散发病人的临时隔离和治疗。目前国内缺乏一种平战结合，既可以通过公路长途转运，又适合在城市空地或人口稀少地区的隔离与治疗，以保证城市生产、生活、学习不再暂停。本文的牵引式可扩展负压隔离转运舱借鉴牵引房车，设计出具备牵引装置，在野外驻车时通过遥控器控制直流无刷电机在动力直线导轨上实现舱体扩展、收缩和启停，临时扩展车内空间50%，增加观察病人数量，作为临时隔离与治疗之用，可以达到转运舱与隔离病房双重效果。同时，当直线导轨上进入大量灰尘或杂质后，可通过硬件电流环控制电路来保护电机和控制板。

关键词：直流无刷电机 动力直线导轨 舱体扩展 硬件电流环控制电路

1 直流无刷电机正反转时序

牵引移动式可扩展负压隔离转运舱（示意图如图1）扩展模块的动力源选用大功率直流无刷电机。直流无刷电机具有低噪音、效率高、发热小、维护方便等特点[1]，因此被应用于舱体动力驱动中，以达到在发生重大传染病疫情时，牵引式可扩展负压隔离转运舱在野外驻车时实现空间扩展，以容纳更多传染病人，且在空间扩展和收缩过程中，能够为医护人员提供绝对安全的负压环境，保证医护人员不被感染[2]。本文基于STM32F103C8T6单片机设计了一套软硬结合的大功率直流无刷电机的控制系统，并且把该系统应用于牵引式可扩展负压隔离转运舱的扩展功能上，实现驻车模式下容纳更多病人的功能。

舱体扩展时，直流无刷电机正转。舱体收缩时，直流无刷电机反转。三相裂变桥电路6个Mos管依次导通时序图如图2所示。

2 系统硬件结构

控制系统中STM32F103C8T6芯片作为主控制器，STM32F103C8T6芯片通过控制GPIO管脚来控制直流无刷电机的正反转、速度调节、启动和停止，根据图2时序，设计出直流无刷电机的驱动控制电路如图3所示。

直流无刷电机的转子位置信号由HALL传感器实时采集传至控制电机启动和停止的CD4051模块，经过决定Mosfet管导通顺序的3块CD4071芯片模块，传至控制电机正反转和电机过流保护的2块CD4053芯片模块，送至控制电机速度的2块CD4081芯片模块，再送至FD6288T预驱动模块，最后按照导通时序驱动三项裂变桥驱动电路模块。从而形成一个集电机速度调节、正反转控制、启停控制、过流保护为一体的完整纯硬件闭环控制电路。

2.1 三相裂变桥Mosfet驱动电路

使用6块MOSFET组成三相电桥，MOSFET具有十分优良的高频特性[3]，在每个桥臂之间接1个103的小电容，可以在上电和掉电时有效保护Mos管。在每个下桥臂串接1个10mR的检流电阻，采集电机线圈电流，当扩展模块运行时间长直线导轨进入大量灰尘后，直流无刷电机旋转卡死导致电机线圈电流过大，通过硬件电流环电路可以让电机快速停止，从而有效保护电机和电路板。

2.2 硬件电流环控制电路

当扩展模块运行时间长后，直线导轨可能会进入大量灰尘或杂物杂质，导致直流无刷电机旋转易卡死，易烧毁电机和控制板。为了避免此类现象，使用硬件电流环控制电路可以有效保护电机和控制板[3]。硬件相比软件具有更快的反应速度，不像软件需要经过主控芯片的AD采样，再通过主控芯片输出去控制，这样往往是来不及保护电机的，故最有效的方法是硬件電流环电路，如图4所示。

直流无刷电机旋转带动直线导轨上的滑块做来回运动，而滑块与负压转运隔离舱的扩展舱体连接在一起的，同时扩展舱体总负载与电机电流成正比，因此要实现扩展功能良好的动态性能，就要对电机电流进行检测，3个10mR检流电阻被用于电机UVW三相线圈电流的检测，其过程可分为4部分：（1）检流电阻两端电压经过运放放大11倍；（2）借助运放和2个二极管进行T型滤波，翻转低于+6V的电压；（3）UVW相线的电压信号经过抗干扰的二极管传入比较器LM393，使用变阻器VR1调整电机线圈峰值电流；（4）当电机电流过大时，比较器输出高电平，CD4013芯片的CLK时钟引脚产生上升沿，把D1管脚的高电平信号赋给Q1，Q1产生高电平信号控制图3的CD4053模块，切断电机闭环回路，有效保护电机。

3 软件控制策略

本系统采用红外遥控器控制直流无刷电机的正反转、启停和调速，总控芯片运行FreeRTOS操作系统，使用Mutex的任务唤醒和休眠机制。当HS0038一体化接收头没有接收到红外信号时，所有任务处于休眠状态。当操作人员按下红外遥控器后会触发芯片外部中断并唤醒数据解析任务，再根据解析的数据值和限位行程开关的信号状态去决定到底唤醒直流无刷电机哪一个工作任务（正反转、启停或调速任务），并控制舱体扩展、收缩或停止。

4 扩展试验验证和结论分析

动力直线导轨行程为1.5米，PWM占空比10%、40%和80%情况下，记录舱体扩展时间，电机启动电流。启动舱体扩展模块，使用示波器抓取电机线圈电流值，对舱体进行10～180kg负重测试，测试舱体扩展时的带载能力，记录电机在不同负载作用下电机的平均电流值、最大电流值、最小电流值、不同PWM占空比下的舱体扩展速度和带载能力的关系等。扩展实验结果如表1、图5所示。

（1）由表2数据分析可得，占空比越小，电机速度越小，舱体扩展（收缩）时间越长，电机带载能力越强，舱体总重量可增至180kg左右。故为了保证电机具有较大的带载能力，占空比应低于30%，舱体扩展和收缩的速度不能太快。

（2）电机的启动电流一般较大，尤其是舱体总负载大时。因此，电机的峰值电流设置应该大于启动电流的10%～20%。这样才能保证舱体在启动时电机不会因过流而停机。

基金项目：四川省科技计划重点研发项目（2021YFS0363），四川省卫生健康委员会医学科技项目（21PJ191）。

参考文献：

[1]林智骅，平雪良，金登峰，等．基于STM32的全方位移动平台设计和控制[J]，电子测量技术，2016，39（1）：19—21.

[2]孙秋明，刘圣军，田丰，等．传染病人负压隔离床控制系统设计[J]．中国医学装备，2008，5（3）：4-6．

[3]张唏，曾迪晖，王永立．基于STM32的无刷直流电机控制系统[J]．仪表技术与传器2013，9（2）：68—69.