cpap呼吸机工作原理（cpap呼吸机模式原理）

新型冠状病毒正在全球肆虐。除了口罩、防护服紧缺之外，——呼吸机作为重症患者必不可少的治疗设备，也被各国视为重点采购的医疗设备。今天我们要介绍的是NXP针对CPAP（持续正压通气）推出的连续高速无刷直流电机控制解决方案。本文作者为NXP MCU技术团队的李可、丁文双、毛培耀。

1. CPAP呼吸机需要电机控制。面罩用于将持续的正压气流输送到气道中。使用这种方法提供氧气的机器称为CPAP 呼吸机。

为了对氧气加压，通常需要小型高速电机。无刷直流（BLDC）电机因其高可靠性、高效率和低维护成本而广泛应用于各类呼吸机。

但呼吸机属于医疗设备，对电机控制的性能要求较高，主要包括以下几个方面：

2. CPAP呼吸机中的BLDC电机系统

NXP推出的CPAP呼吸机电机控制采用压力和电流闭环的BLDC驱动器，采用基于三相电动势检测的无速度传感器技术。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。

触发延迟模块（由PDB外设或外部定时器触发）为反电动势检测提供精确定时，保证高速下换相点计算的准确性。

这种无速度传感器解决方案必须在运行过程中对直流母线电压、直流母线电流和不导通反电动势电压进行采样，然后根据这些采样值计算出具体的换相时间和周期。

精确的换相时间点与系统性能密切相关。当电机高速运行时，一个换向周期内可能只能测量到少量的反电动势样本，这将严重影响高速下的稳定运行。可以采用以下方法来提高反电动势。电动势过零检测精度：

在一个PWM 周期内多次采样非导通反电动势电压

提高PWM 频率以在一个换向周期内获得更多样本

软件过零近似

使用模拟比较器获得反电动势零交叉点

3.NXP电机控制芯片选型参考

NXP针对不同的电机控制应用领域推出了各系列MCU，主要包括KE、KV、DSC、S08SU、i.MX RT等系列产品。

下表列出了各系列的特点以及适合呼吸机电机控制的芯片型号（红色标记的芯片为综合考虑性能和价格的呼吸机型号推荐）。

4. NXP呼吸机BLDC控制案例

KE 系列是NXP Semiconductors 提供的高度可扩展的Arm Cortex M0+ 微控制器组合。该系列具有强大的外设，包括模拟、通信、定时器等，以及多种闪存和引脚。

该系列为入门级32 位解决方案提供低功耗、高耐用性和节能的MCU。该系列特别增强了ESD/EMC性能，广泛应用于强电磁干扰环境下对成本和可靠性要求较高的应用。

KE02作为KE系列的入门级产品，具有较高的性价比。在下面的电机控制方案中，我们采用KE02作为具体实现。下图为基于KE02的无传感器BLDC控制方案框图：

图2、基于KE02的通风机BLDC系统控制框图

ADC模块通过FTM init触发器与PWM同步，采集直流母线电压和非导通反电动势来检测过零点，然后利用内部定时器FTM0将电角度延迟30后再执行换向操作。

根据过零点或换向点之间的时间间隔，计算出当前电机的实际转速。以实际速度和采集的母线电流作为反馈，分别构建速度控制环和电流控制环调节器。速度控制环的输出为实际调速占空比，电流控制环的输出为速度控制环输出的限制值。

编辑：hfy