CPAP呼吸機電機控制的高速無刷直流電機控制方案

新型冠狀肺炎病毒正在全球肆虐，除了口罩和防護服緊缺，作為針對重癥患者不可或缺的治療設備——呼吸機，也被各國視為重點采購的醫(yī)療設備，今天我們就來介紹一個恩智浦針對持續(xù)氣道正壓型呼吸機 CPAP（Continuous Positive Airway Pressure）推出的高速無刷直流電機控制方案。本文作者為恩智浦 MCU 技術團隊的李珂、丁文雙、毛佩瑤。

1.CPAP 呼吸機對電機控制的需求用面罩將持續(xù)的正壓氣流送入氣道，使用此種方式給氧的機器稱為 CPAP 呼吸機。

為了給氧氣加壓，通常需要用到一個體積小，轉速高的電機。無刷直流（BLDC）電機因其高可靠性、高效率、低維護成本等優(yōu)點而廣泛用于各類呼吸機。

但是呼吸機是醫(yī)療設備，對電機控制有較高的性能要求，主要包括以下幾方面：

2.CPAP 呼吸機中的 BLDC 電機系統(tǒng)

恩智浦推出的 CPAP 呼吸機電機控制，使用了一個具有壓力和電流閉環(huán)的 BLDC 驅動器，采用基于三相反電動勢檢測的無速度傳感器技術，其框圖如下圖所示。

圖 1 :CPAP 呼吸機 BLDC 電機系統(tǒng)控制框圖

框圖中的 PWM 模塊的故障保護，自動死區(qū)插入，互補輸出等功能簡化了 PWM 計算，保證了系統(tǒng)的可靠性。

Trigger Delay 模塊（由 PDB 外設或外部計時器觸發(fā)）為反電動勢檢測提供了精確的時序，保證了高速下?lián)Q相點計算的精度。

此無速度傳感器方案必須在運行期間采樣直流母線電壓、直流母線電流、非導通相反電動勢電壓，然后根據(jù)這些采樣值計算出具體換相時間和周期。

精確的換相時間點和系統(tǒng)性能密切相關，在電機高速運行時，一個換相周期內可能僅能測量幾個反電動勢樣本，這將嚴重影響高速下的穩(wěn)定運行，可以通過以下方法，提高反電動勢過零點檢測的精度：

在一個 PWM 周期內對非導通相反電動勢電壓進行多次采樣

提高 PWM 頻率以實現(xiàn)在一個換相周期內得到更多的采樣樣本

軟件過零點近似

使用模擬比較器獲得反電動勢過零點

3.NXP 電機控制芯片選型參考

恩智浦針對不同的電機控制應用領域推出了各個系列的 MCU，主要包括 KE、KV、DSC、S08SU、i.MX RT 等系列的產(chǎn)品。

下表列舉出了各個系列的特色以及適合于呼吸機電機控制的芯片型號（標紅的芯片為綜合考慮性能和價格而推薦用于呼吸機的型號）。

4.NXP 呼吸機用 BLDC 控制案例

KE 系列是恩智浦半導體提供的具有高擴展性的 Arm Cortex M0+微控制器組合，這個系列擁有強大的外設，其中包含模擬、通信、定時器等，同時也具有多種規(guī)格的閃存和引腳。

該系列提供了低功耗、高耐用性和高能效的 MCU，適用于入門級的 32 位解決方案。該系列特別增強了 ESD/EMC 性能，廣泛適用于強電磁干擾環(huán)境下對成本、可靠性有較高要求的應用場合。

KE02 作為 KE 系列中的入門級產(chǎn)品，具有較高的性價比。在以下的電機控制方案中，我們以 KE02 作為具體實現(xiàn)，下圖展示了基于 KE02 的無傳感器 BLDC 控制方案框圖：

圖 2，基于 KE02 的呼吸機 BLDC 系統(tǒng)控制框圖

其中 ADC 模塊通過 FTM init trigger 與 PWM 進行同步，采集直流母線電壓和非導通相反電動勢來檢測過零點，然后使用內部定時器 FTM0 延時 30°電角度后進行換相操作。

由過零點或者換相時刻點之間的時間間隔，計算出當前電機實際轉速，以實際轉速和采集到的母線電流作為反饋，分別構造了轉速控制環(huán)和電流控制環(huán)調節(jié)器，其中轉速控制環(huán)輸出為實際調速占空比，電流控制環(huán)輸出為轉速控制環(huán)輸出的限幅值。

編輯：hfy