家用呼吸机中无刷直流电机控制器的设计与实现

摘要

呼吸机作为一种能够控制或代替人体呼吸的设备，已经普遍应用于呼吸衰竭、呼吸道疾病和复苏急救等治疗中，在现代医疗领域有着十分重要的地位。在十三五发展规划中，将高性能无创呼吸机列为国家重点工程项目。现代家用便携式呼吸机采用气动电控方式，以风机转动产生的气流为气源，调节气压阀，控制通气的压力和流量，因此对电机控制理论的研究十分重要。本课题的主要内容是设计一款控制精度高、运行稳定、调节快速且故障保护功能完善的无刷直流电机控制器，应用于智能家用呼吸机项目，设计内容主要分为以下几个部分:
　　首先，根据无刷直流电机的发展历程以及国内外研究现状，综合呼吸机研制要求提出了总体设计方案。通过分析无刷直流电机的基本内部结构及其运行原理，以整体建模思想构建无刷直流电机的数学模型，对电机的工作特性进行理论分析。在此基础之上，结合模糊控制原理提出自适应整定的模糊PID控制策略，以提高电机的动态性能。
　　其次，根据功能设计需求，以STM32F103为核心完成硬件电路设计，实现霍尔信号检测、功率驱动、全桥逆变、过流保护、电压与温度监测、能耗制动及故障报警等功能。控制器以STM32F103的接口定时器捕获霍尔信号，并通过高级定时器的PWM互补输出功能驱动全桥电路逆变导通，实现电机母线换相导通。在降速调节时，能耗制动电路以电能消耗掉的方式将负载的惯性动能转化为热能，实现快速降速制动。
　　再次，在硬件平台上设计了系统的软件程序，实现换相、转速测量、速度调节、数字滤波以及通信等功能。通过接口定时器的捕获值与定时器计数频率计算出电机转速，并通过自适应模糊PID控制方式对偏差进行调节。控制器通过保护与监测电路，周期性地对系统状态进行监测，保证电机的稳定运行，也为呼吸机的安全使用提供了保障。电机母线电流的采样信号以低通滤波算法进行滤波处理，然后通过滑动窗口求取平均值的算法计算平均电流，并做过流保护。
　　最后，对设计的控制器进行控制精度、控制效率以及呼吸机整机等测试实验。实验表明控制器具有良好的调节效果，达到设计要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 无刷直流电机的发展历程

1．3 无刷直流电机控制器的研究现状

1．4 课题的主要研究内容

1．5 创新点

1．6 课题的章节安排

第2章 无刷直流电机及控制策略

2．1 无刷直流电机的内部结构

2．2 无刷直流电机的基本运行原理

2．2．1 二二导通方式

2．2．2 三三导通方式

2．2．3 磁场转矩分析

2．3 无刷直流电机数学模型

2．3．1 电压平衡方程

2．3．2 电磁转矩方程

2．3．3 电机运动方程

2．4 电机的工作特性

2．4．1 调节特性

2．4．2 机械特性

2．5 无刷直流电机控制策略

2．5．1 PID控制原理

2．5．2 模糊PID控制原理

2．6 无刷直流电机控制器的设计目标

第3章 无刷直流电机控制器硬件设计

3．1 无刷直流电机控制器的总体实现

3．2 无刷直流电机控制器的硬件设计

3．2．1 微控制器的选择及其电路设计

3．2．2 电源电路设计

3．2．3 全桥逆变电路设计

3．2．4 功率驱动电路设计

3．2．5 能耗制动电路设计

3．2．6 霍尔位置检测电路设计

3．2．7 过流保护电路设计

3．2．8 电压与温度监测电路设计

3．2．9 故障报警电路设计

3．3 硬件电路设计总结

第4章 无刷直流电机控制器软件设计

4．1 控制器软件总体设计

4．2 模糊PID程序设计

4．3 数字滤波程序设计

4．4 控制系统程序设计

4．4．1 系统初始化

4．4．2 测速程序

4．4．3 换相程序

4．4．4 速度调节程序

4．4．5 故障保护程序

4．4．6 通信程序设计

第5章 实验与数据分析

5．1 实验测试

5．1．1 启动参数测试

5．1．2 控制精度测试

5．1．3 控制效率测试

5．1．4 呼吸机整机测试

5．2 实验分析

5．3 抗干扰设计

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢