NXP電機(jī)控制方案在呼吸機(jī)中的應(yīng)用【內(nèi)附技術(shù)文檔下載】

新型冠狀肺炎病毒正在全球肆虐，除了口罩和防護(hù)服緊缺，作為針對(duì)重癥患者不可或缺的治療設(shè)備——呼吸機(jī)，也被各國(guó)視為重點(diǎn)采購(gòu)的醫(yī)療設(shè)備，今天我們就來(lái)介紹一個(gè)恩智浦針對(duì)持續(xù)氣道正壓型呼吸機(jī) CPAP（Continuous Positive Airway Pressure）推出的高速無(wú)刷直流電機(jī)控制方案。本文作者為恩智浦 MCU 技術(shù)團(tuán)隊(duì)的李珂、丁文雙、毛佩瑤。

1.CPAP 呼吸機(jī)對(duì)電機(jī)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(jī)器稱為 CPAP 呼吸機(jī)。

為了給氧氣加壓，通常需要用到一個(gè)體積小，轉(zhuǎn)速高的電機(jī)。無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)因其高可靠性、高效率、低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于各類呼吸機(jī)。

但是呼吸機(jī)是醫(yī)療設(shè)備，對(duì)電機(jī)控制有較高的性能要求，主要包括以下幾方面：

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2.CPAP 呼吸機(jī)中的 BLDC 電機(jī)系統(tǒng)

恩智浦推出的 CPAP 呼吸機(jī)電機(jī)控制，使用了一個(gè)具有壓力和電流閉環(huán)的 BLDC 驅(qū)動(dòng)器，采用基于三相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的無(wú)速度傳感器技術(shù)，其框圖如下圖所示。
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圖 1 :CPAP 呼吸機(jī) BLDC 電機(jī)系統(tǒng)控制框圖

框圖中的 PWM 模塊的故障保護(hù)，自動(dòng)死區(qū)插入，互補(bǔ)輸出等功能簡(jiǎn)化了 PWM 計(jì)算，保證了系統(tǒng)的可靠性。

Trigger Delay 模塊（由 PDB 外設(shè)或外部計(jì)時(shí)器觸發(fā)）為反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)提供了精確的時(shí)序，保證了高速下?lián)Q相點(diǎn)計(jì)算的精度。

此無(wú)速度傳感器方案必須在運(yùn)行期間采樣直流母線電壓、直流母線電流、非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)電壓，然后根據(jù)這些采樣值計(jì)算出具體換相時(shí)間和周期。

精確的換相時(shí)間點(diǎn)和系統(tǒng)性能密切相關(guān)，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，一個(gè)換相周期內(nèi)可能僅能測(cè)量幾個(gè)反電動(dòng)勢(shì)樣本，這將嚴(yán)重影響高速下的穩(wěn)定運(yùn)行，可以通過(guò)以下方法，提高反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的精度：

在一個(gè) PWM 周期內(nèi)對(duì)非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)電壓進(jìn)行多次采樣

提高 PWM 頻率以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)換相周期內(nèi)得到更多的采樣樣本

軟件過(guò)零點(diǎn)近似

使用模擬比較器獲得反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)

3.NXP 電機(jī)控制芯片選型參考

恩智浦針對(duì)不同的電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域推出了各個(gè)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(gè)系列的特色以及適合于呼吸機(jī)電機(jī)控制的芯片型號(hào)（標(biāo)紅的芯片為綜合考慮性能和價(jià)格而推薦用于呼吸機(jī)的型號(hào)）。

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4.NXP 呼吸機(jī)用 BLDC 控制案例

KE 系列是恩智浦半導(dǎo)體提供的具有高擴(kuò)展性的 Arm Cortex M0+微控制器組合，這個(gè)系列擁有強(qiáng)大的外設(shè)，其中包含模擬、通信、定時(shí)器等，同時(shí)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(mén)級(jí)的 32 位解決方案。該系列特別增強(qiáng)了 ESD/EMC 性能，廣泛適用于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下對(duì)成本、可靠性有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

KE02 作為 KE 系列中的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品，具有較高的性價(jià)比。在以下的電機(jī)控制方案中，我們以 KE02 作為具體實(shí)現(xiàn)，下圖展示了基于 KE02 的無(wú)傳感器 BLDC 控制方案框圖：
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圖 2，基于 KE02 的呼吸機(jī) BLDC 系統(tǒng)控制框圖

其中 ADC 模塊通過(guò) FTM init trigger 與 PWM 進(jìn)行同步，采集直流母線電壓和非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)來(lái)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，然后使用內(nèi)部定時(shí)器 FTM0 延時(shí) 30°電角度后進(jìn)行換相操作。

由過(guò)零點(diǎn)或者換相時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，以實(shí)際轉(zhuǎn)速和采集到的母線電流作為反饋，分別構(gòu)造了轉(zhuǎn)速控制環(huán)和電流控制環(huán)調(diào)節(jié)器，其中轉(zhuǎn)速控制環(huán)輸出為實(shí)際調(diào)速占空比，電流控制環(huán)輸出為轉(zhuǎn)速控制環(huán)輸出的限幅值。

下載本方案的官方文檔

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