呼吸机用无位置传感器无刷直流电机控制系统设计

论文摘要

随着人们生活水平的提高，阻塞性睡眠呼吸暂停综合征在临床上越来越常见，患者多为男性肥胖者，此病发病率高，严重影响患者生活质量和寿命。呼吸机是治疗此病最有效的方法，因此，研制性能良好成本低的呼吸机具有很好的现实意义。电机控制系统是呼吸机的一个重要的组成部分。本文论述了一种以无位置传感器无刷直流电机专用驱动芯片ML4425作为主控芯片、微处理器AT91M5580辅助调速控制的无位置传感器无刷直流电机控制系统，以及一种呼吸机驱动程序的源码构件模型。本文首先介绍了无刷直流电机及其控制技术以及嵌入式构件技术的发展与现状，在比较了当前主流的无刷直流电机控制器并结合便携式呼吸机的具体要求之后，选用了专用集成电路控制器ML4425作为无刷直流电机的驱动器。然后分析了无刷直流电机的结构与工作原理，给出了常用的无刷直流电机数学模型，详细阐述了无刷直流电机的运行特性。之后，深入分析了ML4425所采用的无位置传感器无刷直流电机的控制方法-“反电势法”的原理。本控制系统硬件电路主要由线性稳压电路、ML4425外围电路、三相功率桥驱动电路和保护电路四部分组成。其中ML4425外围电路和三相功率桥驱动电路是控制系统硬件电路的核心部分，这两部分电路实现了电机的起动、转子位置判断、速度控制、电流换向控制、制动以及限流保护等功能。文中详细介绍了各电路的设计和重要元器件及其参数的选择。然后结合硬件调试过程中碰到的问题，总结了ML4425的一些调试技巧。在软件设计上，结合呼吸机对调速控制的要求，调速控制采用变速积分PID算法以达到平稳调速的目的。文中详细介绍了软件各个子程序的设计思路。为了实现后续呼吸机采用构件的方法进行开发，探讨了呼吸机的驱动构件问题，研究了一种呼吸机驱动构件模型，给出了模型的定义、逻辑模式以及三种运算，并利用该模型实现了电机驱动构件。最后，在对硬件部分和软件部分进行调试后，对控制系统进行了联机实验，通过实验波形和数据，检验了控制系统的工作性能，达到了设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及研究意义
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 呼吸机简介及要求
• 1.2 无刷直流电机及其发展现状
• 1.2.1 发展概况
• 1.2.2 无刷直流电机的特点
• 1.3 无刷直流电机控制技术现状
• 1.3.1 有位置传感器控制方式
• 1.3.2 无位置传感器控制方式
• 1.3.3 无刷直流电机控制器
• 1.4 嵌入式构件技术发展现状
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 无刷直流电机基础理论
• 2.1 无刷直流电机的基本组成
• 2.2 无刷直流电机的工作原理
• 2.2.1 无刷直流电机逆变器导通方式
• 2.2.2 无刷直流电机的运行原理
• 2.3 无刷直流电机的数学模型
• 2.4 无刷直流电机的稳态运行特性
• 2.4.1 调节特性
• 2.4.2 机械特性
• 2.5 反电势法无位置传感器控制原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 控制系统硬件设计
• 3.1 硬件系统总体结构
• 3.2 专业驱动芯片 ML4425 介绍
• 3.2.1 ML4425 功能简介
• 3.2.2 ML4425 控制原理
• 3.3 控制系统硬件电路设计
• 3.3.1 线性稳压电路设计
• 3.3.2 ML4425 外围电路设计
• 3.3.3 三相功率桥驱动电路设计
• 3.3.4 保护电路设计
• 3.4 抗干扰措施
• 3.5 ML4425 调试技巧
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 软件开发环境介绍
• 4.2 系统调速控制策略
• 4.2.1 呼吸机对调速控制要求
• 4.2.2 变速积分 PID 控制
• 4.2.3 控制系统软件总体结构
• 4.3 主程序设计
• 4.3.1 初始化子程序
• 4.3.2 变速积分 PID 调节子程序
• 4.3.3 转速计算子程序
• 4.3.4 电机平稳停机子程序
• 4.4 计数器中断程序
• 4.5 试验结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 呼吸机驱动源码构件模型
• 5.1 驱动源码构件设计原则
• 5.2 源码构件模型
• 5.2.1 模型的定义
• 5.2.2 源码构件的逻辑模式
• 5.2.3 源码构件模型的运算
• 5.3 源码构件模型在电机驱动中的应用
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录