家用呼吸机中无刷直流电机控制器的设计与实现

发布时间：2017-11-29 06:14

  本文关键词：家用呼吸机中无刷直流电机控制器的设计与实现

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【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。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789;TM33

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本文编号：1236473