基于睡眠呼吸機的無刷直流電機控制系統

劉曉梅， 李 鷗， 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

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基于睡眠呼吸機的無刷直流電機控制系統

劉曉梅， 李 鷗， 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

針對用于治療睡眠暫停綜合癥(OSAS)的睡眠呼吸機，提出一種基于K60高速單片機控制直流無刷電機系統的解決方案.采用IR2130三相全橋驅動電路控制無刷直流電機轉速，給出部分軟件設計流程，及雙閉環(huán)控制方法.仿真結果說明，此方案能夠穩(wěn)定地控制電機轉速，驗證了系統的實時性和可行性.

睡眠呼吸機； 無刷直流電機； K60單片機； 雙閉環(huán)控制

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥(Obstructive Sleep Apnea Syndrome)簡稱OSAS，是一種常見且日益受到關注的睡眠呼吸障礙疾病.隨著人們對OSAS的不斷深入研究，發(fā)現它是具有潛在危險的常見疾患，會誘發(fā)全身性的嚴重疾病，如冠心病、高血壓、糖尿病等.最為常見、安全有效的治療就是通過稱為持續(xù)氣道正壓(CPAP)的氣道來推送空氣，為呼吸道系統提供恒定的正壓，以防止肌肉阻塞氣道.所以研制性能良好、低成本的睡眠呼吸機具有很好的現實意義[1].

由于是睡眠中配戴的家用醫(yī)療產品，體積小、轉速高、低維護成本的無刷直流電機便成為提供恒定氣流壓力的首選.考慮到產品的靈活性和實用性，本文提出一種基于微處理器控制直流無刷直流電機的系統解決方案.解決了傳統無刷直流電機(BLDC：Brushless DC motor)專用控制集成芯片的局限性，因為睡眠呼吸機的速度控制精度要求不是很高，適合的MCU能滿足其控制要求，相對DSP減少了控制成本，真正實現了性能良好、低成本的睡眠呼吸機的研發(fā)意義.

1 電機控制系統總體方案設計

呼吸機系統是由氣路系統和電機控制系統兩大部分組成.本文主要對電機控制系統部分進行設計.當前無刷直流電機的控制方法主要有：專用集成電路(ASIC)控制器、微處理器(MCU)和數字信號處理器(DSP).經仔細研究分析，考慮到控制系統的靈活性和產品成本等諸多因素，本設計最終選擇適合的Kinetis K60 微處理器控制方法.

圖1所示為有位置傳感器的無刷直流電機雙閉環(huán)調速控制系統框圖.該控制系統采用PWM(脈寬調制)方式即通過改變PWM波的占空比來調節(jié)直流電壓大小從而實現對無刷直流電機轉速的控制.K60輸出的3對互補PWM經驅動芯片由6個功率場效應管(MOSFET)組成的三相全橋驅動電路對電機進行控制.位置參數由BLDC上的霍爾傳感器給出，經捕捉和邏輯處理后用于換相控制.電機實際轉速也是通過換相時間計算得到，再和給定轉速信號進行比較，偏差經速度PI調節(jié)后產生電流參考量，再與電流反饋量進行比較，偏差經電流PID調節(jié)后形成PWM占空比控制量，從而改變電機的相電壓和相電流，實現對無刷直流電機的速度、電流雙閉環(huán)控制[2].其中反饋電流通過測量電流采樣電阻上的壓降經K60內部A/D采樣獲得.

圖1 無刷直流電機雙閉環(huán)調速控制系統框圖

Fig.1 Brushless DC motor double closed loop speed control system block diagram

2 系統硬件設計

硬件部分主要由K60微處理器控制電路、IR2130驅動電路、三相全橋逆變電路、外部RAM擴展電路和液晶顯示電路等幾部分組成，系統硬件電路如圖2所示.

圖2 系統硬件電路框圖

Fig.2 The system hardware circuit diagram

2.1 器件選擇

睡眠呼吸機的電機控制有非常復雜的要求，首要的需求就是MCU處理能力，基于ARM Cortex-M4內核的Kinetis K60 MCU 內部有Flex Timer(FTM)和快速精確的ADC等模塊，完全能滿足BLDC控制時成對PWM的輸出、霍爾信號的捕捉和電流反饋信號采集等要求.驅動電路部分選擇IR公司生產的IR2130高性能三相橋式驅動器來驅動三相全橋電路，不僅能同時輸出6路驅動信號，還有完善的保護功能設計，使整個系統更為簡單可靠.

2.2 IR2130驅動電路

在無刷直流電機的控制中驅動電路是硬件設計所要解決的關鍵.圖3是IR2130外圍驅動電路，由K60微處理器產生的6路PWM脈沖信號作為IR2130的6路輸入，分別接至HIN1、HIN2、HIN3和LIN1、LIN2、LIN3引腳，經IR2130功率放大后通過HO1、HO2、HO3高壓側引腳和LO1、LO2、LO3低壓側引腳再經限流電阻分別接至T1、T2、T3、T4、T5、T6六個MOSFET的柵極來控制功率管的通斷[2].值得注意的一點，由于全橋電路中同一橋臂上下兩個功率管不能同時導通，所以用來控制同一橋臂上下兩個功率管的PWM信號應為完全互補的PWM輸出，K60的FTM模塊就專門為電機控制等電子電力技術行業(yè)量身打造了互補模式PWM輸出的功能.本設計選擇FTM0_CH0～FTM0_CH5 六個通道來提供3對互補的PWM，互補模式下，通道2n和通道2n+1輸出互補波形，所以接入IR2130輸入端的K60引腳分別是FTM0_CH0、FTM0_CH2、FTM0_CH4、FTM0_CH1、FTM0_CH3、FTM0_CH5.

IR2130具有完善的保護功能設計，對其外圍電路器件的選擇也有很多要求，針對呼吸機用無刷直流電機控制時的設計要點如下：

(1) IR2130為反向負邏輯控制，即IR2130的6路輸入信號任何一個為低電平時，其相應的輸出為高電平，在軟件控制PWM占空比時會注意到.

(2) 柵極限流電阻可采用十幾到幾十歐，通常在MOSFET柵極串一個51 Ω，額定功率為0.25 W的電阻.

(3) 自舉電容的容量取決于被驅動功率器件的開關頻率，占空比及充電回路電阻，這里取值0.1 μF即可.

(4)R3、R4、R5組成了過流檢測電路，其中R5是過流取樣電阻，相當于廉價的電流傳感器，選用了0.1 Ω、3 W的精密水泥電阻，可保證散熱效果和精度.而R3和R4則作為分壓電阻，根據系統設計對VS0和ITRIP引腳的要求進行分壓，使過流發(fā)生時ITRIP引腳的輸入電壓大于0.5 V，從而使IR2130內部的故障處理邏輯能夠迅速封鎖6個功率管的輸入信號，同時FAULT引腳輸出低電平，完成過流保護功能.

(5)R6、R7則與 CA-、VSO、CAO引腳內部相連的運算放大器共同構成采樣信號放大電路，將采樣電壓信號放大到單片機輸入信號范圍值0～3.3 V之間.

圖3 IR2130驅動電路

Fig.3 IR2130 drive circuit

3 雙閉環(huán)控制算法設計

采用速度和電流雙閉環(huán)控制方法完成對電機的穩(wěn)定控制.速度環(huán)作為外環(huán)和主調節(jié)器，主要起穩(wěn)定轉速和抗負載擾動作用；電流環(huán)作為內環(huán)和輔助調節(jié)器，主要起穩(wěn)定電流和抗電網電壓波動等作用[3].

3.1 速度環(huán)

整個速度環(huán)共有3個霍爾傳感器，如圖4所示，分別為HA、HB、HC.每一個霍爾傳感器都會產生180°脈寬的輸出信號，3個霍爾傳感器的輸出信號差120°，電機轉一圈即360°正好對應6個上升或下降沿，即6個換相時刻.電機實際轉速通過進入捕獲中斷程序后，相鄰2次換相時間間隔算出.

(1)

其中：系統時鐘為100 MHz；S為計數器分頻；Tcount為計數器值；P為電機極對數.本設計中呼吸機使用的是微渦輪風機，極對數為1，額定電壓為24 V，最高轉速為60 000 r/min，低速模式時速度為3 000 r/min，相當于最高轉速的5 %，就相當于每0.000 167～0.003 3 s換相一次.

圖4 霍爾位置信號波形

Fig.4 Holzer position signal waveform

3.2 電流環(huán)

在驅動電路設計中提到，由于IR2130完善的功能，其內部自帶了運放電路，無需電流采集模塊，直接通過CAO引腳與單片機的AD接口相連，即可完成相電壓信號采集，再除以采樣電阻，最后得到的就是相電流.

電流采樣在每一個PWM周期都進行一次，但采樣時刻要選擇好.本設計采用單極性PWM控制，采樣電流時刻最好是在PWM周期的“開”期間(功率管導通)的中部，并進行AD轉換，避免在功率器件關斷時采樣電流，從而大大提高電流采樣精度.

3.3 PID算法處理模塊

由于K60芯片的高速處理能力，速度PI調節(jié)和電流PID調節(jié)在AD中斷模塊中完全可以完成.速度PI調節(jié)周期為100 ms，PI調節(jié)使用增量式數字PI算法，算法如下所示[4].

Es(k)=nref-nf

(2)

ΔEs(k)=Es(k)-Es(k-1)

(3)

us(k)=us(k-1)+KSiES(k)+KSPΔES(k)

(4)其中：nf為轉速測量值；nref為轉速給定值；Es(k)為速度誤差；us(k)為速度調節(jié)器的輸出；KSP為速度環(huán)比例增益系數；KSi為速度積分增益系數.

速度調節(jié)器的輸出為電流調節(jié)器的給定電流(為保證流過電機的電流不超過最大電流，需要對速度調節(jié)器的輸出進行限幅處理).速度PI完成后執(zhí)行電流采樣和電流PID調節(jié)，采用增量式數字PID控制算法，電流環(huán)調節(jié)與PWM同周期.算法如下所示[4].

Ei(k)=iref-if

(5)

ui(k)=ui(k-1)+KipEi(k)-KiiE(k-1)+KidEi(k-2)

(6)

其中：if為電流測量值；iref為電流給定值；Ei(k)為電流誤差；ui(k)為電流調節(jié)器的輸出；Kip為電流環(huán)比例增益系數；Kii為電流環(huán)積分增益系數；Kid為電流環(huán)微分增益系數.

經過電流PID調節(jié)后產生了一定占空比的PWM波.電流調節(jié)器的輸出也需要經過限幅處理，電流環(huán)調整完之后，再調用PWM輸出模塊，輸出新的PWM，實現對無刷直流電機的轉速控制及限流保護[2].

4 軟件系統設計

基于K60的有位置傳感器無刷直流電機控制系統軟件主程序流程圖如圖5所示.首先為初始化模塊，它既包括軟件中的變量初始化，還包括系統時鐘、I/O端口狀態(tài)、看門狗、系統中斷等硬件系統的初始化，過程中為防止意外的中斷請求，應該先關閉所有中斷，待初始化完成之后再打開[3].然后設置定時器，利用定時器產生所需的采樣周期.接著進入循環(huán)等待，如果接收到定時中斷信號，程序則轉入定時中斷程序[3].

圖5 主程序流程

Fig.5 The main program flow chart

定時中斷子程序流程如圖6所示.進入中斷程序后，首先進行保護現場，然后利用K60 FTM模塊的捕獲功能，捕獲霍爾位置傳感器的轉子位置信息，求出轉速.接著計算AD模塊的采樣電流值，就可以確定換相時間、采用速度PI和電流PID雙閉環(huán)算法調整PWM控制信號和開關管導通的順序.執(zhí)行完所有任務后即可恢復現場，退出中斷服務子程序[3].

圖6 中斷子程序流程

Fig.6 Interrupt subprogram flow

5 實驗驗證與結論

本文設計了一個由基于ARM Cortex-M4內核的Kinetis K60高速單片機控制的直流無刷電機控制系統，其中被控電機為睡眠呼吸機中使用的微渦輪風機，極對數為1，額定電壓為24 V，額定功率為32 W，最大轉速為60 000 r/min.實驗將通過霍爾傳感器的輸出信號經串口發(fā)送到計算機，并利用LabView編寫的程序采集信號頻率并存儲，最后在MATLAB上繪制出轉速曲線圖.為適應不同病人的需求，保證病人佩戴面罩的氣壓可在0.4～2.0 kPa[5]的范圍內調節(jié)，要求轉速在30 000～50 000 r/min之間.圖7為轉速30 000 r/min和轉速50 000 r/min時的速度曲線.

從圖7可以看出：電機啟動時基本保持以最大轉矩加速到達指定轉速的時間比較短，并且轉速超調量較小，速度曲線比較理想.在給定轉速為30 000 r/min和50 000 r/min時達到穩(wěn)態(tài)的時間分別為0.48 s和0.57 s，穩(wěn)態(tài)運行誤差和調速誤差≤5 %，達到了啟動性能要求.

圖7n=30 000 r/min及n=50 000 r/min時的速度曲線

Fig.7 Velocity curves ofn=30 000 r/min andn=50 000 r/min

上述速度曲線的獲得驗證了本文提出的基于K60控制直流無刷直流電機的方案可行，既解決了傳統BLDC專用控制集成芯片的局限性又降低了DSP控制的成本，真正實現了性能良好、低成本的睡眠呼吸機的研發(fā)意義.

[1] 飛思卡爾Freescale公司.呼吸機的無刷直流電機控制[J].Beyond Bits電機控制?？?，2014(8):49-50.

[2] 王晨陽.基于DSP的呼吸機用無刷直流電機控制系統的研究[D].長沙:國防科技大學，2007:30-56.

[3] 夏長亮.無刷直流電機控制系統[M].北京:科學出版社，2009:59-216.

[4] 程武山.智能控制理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2006:30-150.

[5] 張少鋒，高艷霞，徐妍萍，等.用于便攜式呼吸機的無位置傳感器無刷直流電機控制系統[J].電氣傳動自動化，2009，31(4):23-28.

Brushless DC Motor Control System Based on Sleep Respirator

LIU Xiao-mei， LI Ou， WEI Li-feng

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

Aiming for the treatment of sleep apnea syndrome(OSAS) sleep respirator，the system scheme of controlling Brushless DC motor based on the K60 high speed SCM.is put forward.The brushless DC motor is control led by IR2130 drive three-phase full bridge circuit，The parts of the software design process and the double closed-loop control method are described.The experimental results show that The rotate speed of the motor can be controlled steadily，Which verifies the feasibility and the real-time performance of the system.

sleep breathing machine; brushless DC motor; K60 microprocessor; dual closed loop control

2014-10-18

劉曉梅(1964-)，女，遼寧錦州人，副教授，主要從事智能測控技術與裝置，無線傳感器網絡的研究.

2095-2198(2016)04-0372-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.017

TM33

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