无创呼吸机风机驱动电路系统设计

焦杨，邓科，陈执昌，吴晨曦，袁越阳

湖南城市学院 机电工程学院，益阳市，413000

0 引言

呼吸机作为重要的呼吸支持设备之一，受到广大医务人员和呼吸疾病患者的关注，特别是2020年的新型冠状病毒肺炎（novel coronavirus-2019,COVID-19）的全球性爆发，呼吸机在抗击疫情、治疗感染者方面发挥了重要的作用[1-2]。而在诸多呼吸疾病患者的呼吸支持中，如俗称“鼾症”的阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apneahypopnoea syndrome,OSAHS）、呼吸衰竭、急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmoriary disease,COPD）等慢性呼吸疾病[3-6]，无创气道正压通气是该类患者首选呼吸支持模式。

无创气道正压通气模式作为目前最为广泛应用的通气模式之一[7-9]，其基本原理是提供一个高于大气压的压力给呼吸道，使呼吸道在该压力的支撑下完全打开，保证呼吸气流畅通出入于肺部。为此，一个稳定、可控风机驱动系统为呼吸机提供气流气压是呼吸机系统最为关键的组成部分。笔者着重于研究设计一款用于无刷直流涡轮风机驱动系统的硬件电路，以满足无创气道正压呼吸机对稳定、可控的气流源的需求。

1 硬件电路设计

针对无刷直流涡轮风机（仓兴达，7054ZWF-2ZP-250A-24.0），硬件电路主要包括无刷直流电机控制专用集成电路MC33035[10]、闭环速度测控集成电路MC33039[11]、3个半桥式MOSFET栅极驱动器IR2013S以及其它外围电路。MC33035和MC33039联合组成闭环速度控制系统。涡轮风机线圈U、V、W电流驱动器采用6个N沟道MOS管NTDV20N06L组成三相桥式驱动器。涡轮风机的控制信号经IR2013S传送到三相桥式驱动器的栅极，并具有将涡轮风机的大电流信号与MC33035控制器隔离的作用。12 V直流电源主要为MC33035、IR2013S提供工作电压。24 V直流电源主要为风机提供工作电压。MC33035内部整流并经第8脚输出6.25 V参考电压，并直接作为MC33039和风机霍尔传感器的工作电源。系统电路，如图1所示。

图1 涡轮风机系统电路Fig.1 The circuit of turble blower system

三相无刷涡轮风机输出的相位信号A、B、C分别输入到MC33039的1脚（QA）、2脚（QB）、3脚（QC）和MC33035的4脚（SA）、5脚（SB）、6脚（SC）。MC33039第6脚Rt/Ct外接R1、C2组成定时单稳态电路。在该单稳态电路作用下，MC33039第5脚Fout输出的脉频信号与涡轮风机的相位信号QA、QB、QC、/QA的逻辑状态关系，如图2所示。第5脚Fout每输出一个脉冲信号表示风机转动角度60o。脉频信号Fout经电阻R2由电容C5积分产生与涡轮风机转速成正比的电压，并输入到MC33035的第12脚，作为MC33035内部差动放大器的反向输入EAII。流经三相无刷涡轮风机的电流经电阻R11转换为电压并经电阻R12和R13分压后反馈给MC33035的第9脚CSNI。当CSNI输入的电压超过100 mV后，发出风机过流错误（D4指示灯点亮）。流经风机的最大电流Imax由式（1）计算约为2 A，满足风机的最大负载电流的要求，防止过流烧坏风机等引起电路安全事故发生。

图2 信号Fout、Rt/Ct与信号QA、QB、QC逻辑关系图Fig.2 The logical diagram of signal Fout,Rt/Ct and signal QA,QB,QC

MC33035的第2脚（AT）、1脚（BT）、24脚（CT）作为顶端驱动输出，分别接到U3、U4、U5的高端输入端H-IN。第21脚（AB）、20脚（BB）、19脚（CB）作为底端驱动输出，分别接到U3、U4、U5的低端输入端L-IN。鉴于正压呼吸机输出气流总是正向输出，因而设计第3脚Fwd/Rev通过电阻R3接到参考电压。第4脚（SA）、5脚（SB）、6脚（SC）直接感应风机相位信号。第7（OE）脚是MC33035输出使能端，由输入信号ENABLE通过三极管Q1反向来加以控制。第9脚电流检测同向输入端的输入源于电阻R12和R13构成的分压信号，由MC33035来监测风机的工作电流。第10脚为R6和C4构成RC震荡器的震荡信号输入。涡轮转速控制信号CTL经运算器U6B组成的放大电路放大后，从R7输入到第11脚内部差动放大器的同向输入端EANI。第12脚为MC33035内部差动放大器的反向输入EAII。第13脚为涡轮风机闭环控制补偿信号输入。第14脚出错输出端Fault out接指示灯LED阴极。第15脚CSII电流检测反向输入端接地，为MC33035内部10 mV门限电压提供参考地。第17脚接电源12 V。第18脚VC通过电阻R9接到12V电压为底部驱动输出AB、BB、CB提供电压。第22脚60/120直接接地，设定风机霍尔传感器电气相位为60°输入角。刹车信号BREAK通过三极管Q2反向输入到第23脚。

所采用无刷直流涡轮风机最高转速可达30 000 转/min，MC33039第5脚Fout输出的脉冲频率最高为6 kHz。设定电阻R1为150 kΩ，电容C2为750 pF，此时组成的单稳态电路对电容C2充电、放电时间分别约为260 μs、80 μs。设定R6为5.1 kΩ，C4为0.01 μF，此时MC33035内部震荡器的震荡频率为25 kHz。

由于控制器（如STM32F105XXX）输出的模拟信号通常都在0～3.3 V范围之内，为了满足MC33035第11脚输入电压范围0～6.25 V，设计了由运算放大器U6B组成的信号放大电路。该放大电路对信号放大能力如式(2)所示，将图1所示电路中电阻R22=6.8 kΩ和R21=7.6 kΩ代入式中得信号放大倍数Gain=1.89。当放大器输入信号CTL为3.3 V时，其经R7限流后输出给MC33035第11脚的电压接近6.25 V。

半桥式驱动器IR2013S 和MOS 管NTDV20N06L构成风机直接驱动电路。IR2013S的第7（H-OUT）、5（L-OUT）输出脚状态分别受控于第2（H-IN）、3（L-IN）输入信号。U3、U4、U5的高端输出H-OUT和低端输出L-OUT分别通过一个47 Ω的限流电阻接到MOS管Q3和Q6、Q4和Q7、Q5和Q8的栅极。Q3、Q4、Q5的漏极分别接到Q6、Q7、Q8的源极，并分别接到U3、U4、U5的第6脚VS。

2 实验与分析

2.1 实验平台

将所设计的风机驱动模块电路嵌入呼吸机系统电路中，建立呼吸机风机的测试平台。测试平台由气流测试仪（RIGEL，英国，VenTest800）、主动模拟肺（ASL5000）、示波器（RIGOL）、呼吸机系统电路板、风机（仓兴达，7054ZWF-2ZP-250A-24.0）、呼吸管路、安装有数据分析软件的个人电脑组成。呼吸机系统电路的控制芯片采用STM32F105VCT6，利用其内部数模转换（DAC）并从PA4脚输出模拟信号的功能，直接将风机转速控制信号CTL经U6B放大器后输入到MC33035的第11脚EANI，并通过ENABLE使能MC33035输出和通过BREAK信号对涡轮风机进行刹车控制。

2.2 实验结果与分析

2.2.1 输入控制电压对应输出流量

在分别外接#1气阻、#2气阻、#3气阻和#4气阻的情况下，风机输出流量与输入控制电压的关系曲线，如图3所示。在输入控制信号DAC的电压小于0.3 V时，风机输出气流为0，表明此时风机的启动输入电压为0.3 V。当控制信号DAC大于2.2 V后，风机输出流量保持在220 L/min，表明此时风机达到最大转速。当输入控制信号DAC处于0.3 V～2.2 V之间时，输出流量与输入的控制电压呈线性变化关系。这种线性关系存在，将有利于对涡轮风机输出气流的控制。

图3 风机输出气流与控制电压的关系曲线Fig.3 The diagram of output flow and input control voltage

根据图4测试结果，输入控制电压CTL的范围在0.3～2.2V之间，经R7输送到MC33035第11脚的电压范围在0.57～4.17 V之间，风机输出流量范围在0～220 L/min之间。尽管提高输入控制电压CTL至3.3 V，MC33035第11脚的电压相应也达到6.25 V，但风机输出流量仍为220 L/min。

2.2.2 刹车气流响应时间

为了测试控制电路对风机的刹车能力，在输出最大气流220 L/min的状态下，先后令刹车输入信号BREAK为高电平和低电平（BREAK=1和0），来测试气流从最大降至最低和从最低升至最高所需时间。其中：刹车后，气流从最大降至0所需时间为560 ms，降至到最大值的10%和30%时所需时间分别约为250 ms和180 ms；解刹后，气流从0升至最大所需时间为632 ms，升至到最大值的90%和70%时所需时间分别约为300 ms和80 ms。

根据测试结果，为了提高正压呼吸机的响应度，将在软件控制方面需要避免控制风机输出气流从0启动升至最大输出，或从最大输出降到0。譬如，通过刹车控制风机输出的气流在最大值的10%～90%之间，将能提高呼吸机的响应灵敏度。

3 总结与展望

设计了基于MC33035 和MC33039的无创呼吸机三相无刷涡轮风机的驱动电路，并基于所设计电路进行了输入-输出的控制实验。实现了对气流的线性控制，并通过0～3.3 V控制电压输入控制风机从最小气流到最大气流的输出。并通过实验，建议在软件设计控制气流输出时，保证风机输出气流在最大值的10%～90%之间。

所设计风机驱动电路用于无创呼吸机，将在如下几个方面具有较好的展望：其所实现的线性气流控制将有利于简化通气控制算法，有利于提高控制灵敏度和呼吸机的人机同步性等性能；直接将MCU自带的模数转换（DAC）输出用于风机控制电压，并将该电压线性放大，能拓宽对风机的控制范围，提高对风机的控制精度，并使风机的输出气流范围最大化。