CPAP呼吸机电机控制的高速无刷直流电机控制方案

新型冠状肺炎病毒正在全球肆虐，除了口罩和防护服紧缺，作为针对重症患者不可或缺的治疗设备——呼吸机，也被各国视为重点采购的医疗设备，今天我们就来介绍一个恩智浦针对持续气道正压型呼吸机 CPAP（Continuous Positive Airway Pressure）推出的高速无刷直流电机控制方案。本文作者为恩智浦 MCU 技术团队的李珂、丁文双、毛佩瑶。

1.CPAP 呼吸机对电机控制的需求用面罩将持续的正压气流送入气道，使用此种方式给氧的机器称为 CPAP 呼吸机。

为了给氧气加压，通常需要用到一个体积小，转速高的电机。无刷直流（BLDC）电机因其高可靠性、高效率、低维护成本等优点而广泛用于各类呼吸机。

但是呼吸机是医疗设备，对电机控制有较高的性能要求，主要包括以下几方面：

2.CPAP 呼吸机中的 BLDC 电机系统

恩智浦推出的 CPAP 呼吸机电机控制，使用了一个具有压力和电流闭环的 BLDC 驱动器，采用基于三相反电动势检测的无速度传感器技术，其框图如下图所示。

图 1 :CPAP 呼吸机 BLDC 电机系统控制框图

框图中的 PWM 模块的故障保护，自动死区插入，互补输出等功能简化了 PWM 计算，保证了系统的可靠性。

Trigger Delay 模块（由 PDB 外设或外部计时器触发）为反电动势检测提供了精确的时序，保证了高速下换相点计算的精度。

此无速度传感器方案必须在运行期间采样直流母线电压、直流母线电流、非导通相反电动势电压，然后根据这些采样值计算出具体换相时间和周期。

精确的换相时间点和系统性能密切相关，在电机高速运行时，一个换相周期内可能仅能测量几个反电动势样本，这将严重影响高速下的稳定运行，可以通过以下方法，提高反电动势过零点检测的精度：

在一个 PWM 周期内对非导通相反电动势电压进行多次采样

提高 PWM 频率以实现在一个换相周期内得到更多的采样样本

软件过零点近似

使用模拟比较器获得反电动势过零点

3.NXP 电机控制芯片选型参考

恩智浦针对不同的电机控制应用领域推出了各个系列的 MCU，主要包括 KE、KV、DSC、S08SU、i.MX RT 等系列的产品。

下表列举出了各个系列的特色以及适合于呼吸机电机控制的芯片型号（标红的芯片为综合考虑性能和价格而推荐用于呼吸机的型号）。

4.NXP 呼吸机用 BLDC 控制案例

KE 系列是恩智浦半导体提供的具有高扩展性的 Arm Cortex M0+微控制器组合，这个系列拥有强大的外设，其中包含模拟、通信、定时器等，同时也具有多种规格的闪存和引脚。

该系列提供了低功耗、高耐用性和高能效的 MCU，适用于入门级的 32 位解决方案。该系列特别增强了 ESD/EMC 性能，广泛适用于强电磁干扰环境下对成本、可靠性有较高要求的应用场合。

KE02 作为 KE 系列中的入门级产品，具有较高的性价比。在以下的电机控制方案中，我们以 KE02 作为具体实现，下图展示了基于 KE02 的无传感器 BLDC 控制方案框图：

图 2，基于 KE02 的呼吸机 BLDC 系统控制框图

其中 ADC 模块通过 FTM init trigger 与 PWM 进行同步，采集直流母线电压和非导通相反电动势来检测过零点，然后使用内部定时器 FTM0 延时 30°电角度后进行换相操作。

由过零点或者换相时刻点之间的时间间隔，计算出当前电机实际转速，以实际转速和采集到的母线电流作为反馈，分别构造了转速控制环和电流控制环调节器，其中转速控制环输出为实际调速占空比，电流控制环输出为转速控制环输出的限幅值。

编辑：hfy