呼吸机用永磁同步电机控制系统设计

发布时间：2020-07-21 22:45

【摘要】：呼吸机是在临床上使用的一种医疗急救设备,可取代、支配或改善人的呼吸功能,为病人在呼吸功能不全和呼吸功能衰竭等方面,供给恢复治疗和呼吸支持,在呼吸系统疾病等治疗中得到了广泛应用,意义重大。伴随呼吸机研究技术的发展,越来越多前沿的设计方法应用在呼吸机中,呼吸机的功能越来越强大。但同时也出现了很多问题,控制系统传感器过于繁琐,各种通气策略参数设定复杂,一台相对前沿的呼吸机价格高达上百万,加重了医院经费方面的压力,而且呼吸机的使用比较紧张时,不能为病人提供即时的呼吸治疗。我国的呼吸机自主研发起步比较晚,国内工业产业链条规模小,基础工业薄弱,国外大品牌在全球市场进行了独占经营,特别是对于需要长期进行住院治疗的患者,给他们的工作和生活带来了诸多不便。于是设计了一种低成本高、控制精度、携带方便的便携式呼吸机设计方法。设计内容主要分为以下几个部分:首先,对呼吸机控制系统结构框图和原理框图进行研究设计,详述了永磁同步电机矢量控制调速控制的基本原理。介绍PMSM的历史背景,结构,数学模型及坐标变换的基本原理,矢量控制技术的基本原理;重点分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理和方法。在软件控制上提出了改进的MTPA控制方法~([67])。然后,对呼吸机用永磁同步电机矢量无位置传感器矢量控制系统中龙伯格观测器系统的原理进行了分析和介绍。其次,主要对永磁同步电机矢量控制调速系统进行了仿真。使用Simulink仿真平台,得到了较好仿真结果,验证调速系统原理和方法的可行性。最后,介绍了呼吸机用永磁同步电机矢量控制调速系统的硬件和软件设计方法,在控制器上采用了ARM-cortex系列单片机,设计了一个以STM32F407R8T6为主控芯片的调速系统,采样模块化的设计方法,并对各模块的硬件电路的设计方法进行了分析,详述了各个功能部分的软件的结构和流程,并对关键的技术详细的阐述。对呼吸机中控制器的参数要求进行实验验证,并对实验结果进行分析。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：

1.4 本课题的研究内容本课题以便携式呼吸机为研究背景，采用永磁同步电机作为研究对象，以转子磁场定向矢量控制及 PID 闭环控制为主要控制策略，对永磁同步电机进行控制。 主要工作如下：(1)呼吸机系统结构框图

本课题以便携式呼吸机为研究背景，采用永磁同步电机作为研究对象，以转子磁场定向矢量控制及 PID 闭环控制为主要控制策略，对永磁同步电机进行控制。 主要工作如下：(1)呼吸机系统结构框图图 1-1 永磁同步电机结构示意图Figure 1-1 schematic diagram of permanent magnet synchronous motor呼吸机控制原理框图

（PMSM）[3]。永磁同步电机转子磁钢的形状在设计时会有不同的类型，不同类型的磁钢使转子里磁场的分布会存在差别，磁场的分别分为梯形波和正弦波两种类型。当转子在旋转的时候，会在定子上产生不一样的反电动势波形，主要分为梯形波和正弦波两种。在某些专业术语中，人们一般称作定子上反电动势波形为正弦波的电机为永磁同步电机，称定子上反电动势波形为梯形波的电机为无刷直流电机。如下图 2-1 所示，（a）图称为表贴式永磁同步电机，（b）图称为嵌入式永磁同步电机，（c）图称为内置式永磁同步电机。（a）图又称为各向同性永磁同步电机或隐极式永磁同步电机，（b）和(c) 图又称为各向异性永磁同步电机或凸极式永磁同步电机。主要划分的依据是不同类型的电机转子在结构上会不一样。这样永磁铁在转子上的位置会不一样。于是把永磁铁在转子表面的电机称为表贴式永磁同步电机，把永磁铁嵌在转子上的电机称为嵌入式永磁同步电机，把永磁铁在转子里面的电机称为内置式永磁同步电机。(a)图中转子上的直轴电感 Ld与交轴电感 Lq差别不大，(b)图和(c)图 Ld与交轴电感 Lq大小不一样。其中（b）图中的电机 Ld<Lq; （c）图中的电机 Ld>Lq。本文研究的主要是表贴式永磁同步电机[2]。

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本文编号：2764926