李 雪，王效亮，欒 婷，張 芳，劉志蕾，張 磊

（1.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，目前心血管疾病和心臟病占到所有疾病的30%左右，預(yù)計至2020年，心血管疾病和心臟病將占到所有疾病的40%。心臟移植手術(shù)雖已取得極大的成功，但心臟移植受到捐心臟的人數(shù)少和患者自身臨床手術(shù)等多方面的限制。因此，作為心衰病人暫時性輔助循環(huán)或心臟移植病人過渡治療的人工輔助心臟具有很強的實用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

人工輔助心臟裝置主要由血泵及其控制器組成，血泵是關(guān)鍵的執(zhí)行機構(gòu)，由離心泵、軸向磁場盤式無刷直流電機集成在一起，電機的轉(zhuǎn)子同時也作為泵的葉輪。控制器是人工輔助心臟裝置的控制核心，主要完成設(shè)定轉(zhuǎn)速、控制血泵可靠運行等功能。血泵的運轉(zhuǎn)需要電子控制單元實現(xiàn)精確換相，因此準確檢測轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實時切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)是人工輔助心臟控制器能否可靠運行的關(guān)鍵。

目前常用的檢測轉(zhuǎn)子位置的各種位置傳感器均具有不便于維護、增加電機體積、環(huán)境適應(yīng)性差、引出線較多等一系列問題，不適用于血泵置入人體要求體積小，引出線少的應(yīng)用場合，因此，血泵項目中電機控制采用了無位置傳感器控制方式。

1 無位置傳感器電機控制技術(shù)分析

無位置傳感器電機控制技術(shù)是指不需要安裝機械式位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置信號，而間接通過檢測電機的電壓、電流、磁鏈等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置信息的控制方式。無位置傳感器電機控制的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在位置檢測技術(shù)和起動技術(shù)兩個方面[1-2]。

1.1 位置檢測技術(shù)

在位置檢測技術(shù)發(fā)面，很多國內(nèi)外研究人員在這方面做了大量的研究工作，提出了多種理論和方法，主要包括：磁鏈位置估計法、模型參考位置估計法、狀態(tài)觀測器法、檢測電機相電感變化的位置估計法和反電勢過零檢測法等，其中反電勢過零檢測法是最易實現(xiàn)，也是目前應(yīng)用最廣泛的位置檢測方法。

反電勢過零檢測法的工作原理如下：在無刷直流電機中，定子繞組的反電勢為梯形波，且正負交變；繞組反電勢發(fā)生過零后，延遲對應(yīng)于30°電角度的時間，即為電動機換相時刻。因此，反電勢過零檢測法只要檢測到各不導通相反電勢的過零點時刻，即可獲知轉(zhuǎn)子的若干關(guān)鍵位置，實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機的換相控制。

1.2 起動技術(shù)

無刷直流電機的繞組反電勢與電機轉(zhuǎn)速成正比，當無刷直流電機處于靜止或低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，反電勢為零或者很小，無法準確地檢測到反電勢信號，也就不能應(yīng)用“反電勢法”判斷轉(zhuǎn)子位置，因此電機無法自起動，需要尋求其他方法來解決起動問題。由于沒有轉(zhuǎn)子位置信號，無刷直流電機的起動變得非常關(guān)鍵，如果起動方法不當，可能導致電動機失步甚至反轉(zhuǎn)。

目前無位置傳感器無刷直流電機常用的幾種起動方法包括：任意位置開環(huán)起動法，特定位置開環(huán)起動法和詢問起動法等，其中任意位置開環(huán)起動法隨意性較大，可能會出現(xiàn)較嚴重的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；詢問起動法適合于具有凸極效應(yīng)的電機，限制了這種方法的應(yīng)用。特定位置開環(huán)起動法將無刷直流電機從靜止到自同步狀態(tài)之間的起動過程分為預(yù)定位—＞加速—＞切換三個階段，因此也稱為“三段式”起動法。預(yù)定位階段由控制器給電機中任意兩相繞組通電，產(chǎn)生一個合成磁場，在該磁場的作用下，轉(zhuǎn)子會向合成磁場的軸線方向旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)子磁極與該合成磁場軸線重合；外同步加速階段是按照預(yù)先設(shè)置好的換相順序?qū)β使茌喠鲗?，同時逐步提高換相頻率，并加大外施電壓，直到達到預(yù)定頻率；外同步到自同步的切換階段是指電機從外同步加速切換到根據(jù)反電勢過零點換相的自同步階段，切換要求平滑穩(wěn)定。“三段式”起動法是目前使用最廣泛的起動方法，它可以有效地控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向。

綜上，人工輔助心臟控制器采用反電動勢過零檢測法和“三段式”起動法實現(xiàn)無位置傳感器電機控制。

2 人工輔助心臟控制器設(shè)計

2.1 工作原理

人工輔助心臟控制器工作原理如圖1所示。

圖1 人工輔助心臟控制器工作原理

人工輔助心臟控制器啟動后，由起動控制決定換相時序，依次完成“預(yù)定位”—＞“外同步加速”，當達到預(yù)設(shè)切換速度時，開始切換為根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判斷換相時序的“自同步”穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子的位置信息通過轉(zhuǎn)子位置檢測電路獲取，同時控制器將用戶設(shè)定的速度與通過轉(zhuǎn)子位置檢測獲取的轉(zhuǎn)子速度進行閉環(huán)比較，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)后生成PWM信號，與換相時序信息共同控制功率放大電路實現(xiàn)對血泵的無位置傳感器電機調(diào)速控制。

2.2 控制器實現(xiàn)方案

控制器實現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 控制器實現(xiàn)方案

由圖2可知，人工輔助心臟控制器主要包括主控電路、自舉驅(qū)動電路、三相逆變橋電路、過流保護電路、輸入輸出電路、報警電路和數(shù)據(jù)記錄電路等。

主控電路的控制核心芯片選用了Micro Linear公司的ML4425智能型無刷電機控制芯片[3]，可用于為三相無刷電機提供封閉回路的換相控制信號，同時利用PWM模式對電機速度進行閉環(huán)控制，并提供電機運行必要的保護。預(yù)定位電路、加速控制電路、切換控制電路和反電動勢檢測電路是主控電路的一部分，輔助ML4425完成起動控制和轉(zhuǎn)子位置檢測功能[4]。

驅(qū)動電路采用自舉驅(qū)動方式工作。常用的電機驅(qū)動方式有獨立電源驅(qū)動和自舉驅(qū)動兩種，獨立電源驅(qū)動方式至少需要四路獨立電源才能驅(qū)動三相六路功率逆變橋，元器件數(shù)量多且體積龐大；而自舉驅(qū)動方式僅需用一路獨立電源即可實現(xiàn)三相六路功率逆變橋的驅(qū)動功能，大大減少了獨立電源的數(shù)量，因此本設(shè)計中采用了自舉驅(qū)動方式。

圖3 IRFS4310安全工作區(qū)

三相逆變橋電路的方案主要是大功率MOSFET的選型，MOSFET必須在安全工作區(qū)內(nèi)才能可靠工作。圖3所示為IRFS4310的安全工作區(qū)，圖3中ID＝0，VDS＝0，ID＝140 A與低壓側(cè)的導通電阻RDS(ON)共同圍成的區(qū)域為安全工作區(qū)。從圖中來看，殼溫25℃，結(jié)溫175℃，單脈沖的極限條件下，MOSFET IRFS4310連續(xù)開通1 ms，當電機電壓達到20 V時，安全可靠的工作電流只有約15 A。實際應(yīng)用中在最大占空比95%時，IRFS4310應(yīng)能可靠工作在10 A左右。

過流保護電路由功率電流采樣電阻和低通濾波器組成，采樣電阻將電機電流采樣為電壓值，通過低通濾波器濾除高頻干擾信號后送到控制芯片ML4425，如果電機電流超過設(shè)定值，即采樣的電壓值超過設(shè)定值，ML4425將封閉控制輸出通道來實現(xiàn)過電流保護功能[5]。

輸入輸出電路包括液晶顯示器和按鍵輸入電路，其中液晶顯示器采用OLED有機發(fā)光二極管屏，相比普通LCD液晶屏具有無需背光燈、能耗低、厚度薄、重量輕、抗震性能好、可視角度大和動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，適合于移動手持設(shè)備中應(yīng)用。

當控制器工作狀態(tài)異常，如電機電流大，電池電壓低，電機轉(zhuǎn)速異常等情況下控制器啟動報警系統(tǒng)，通過聲、光等雙重手段向用戶及其監(jiān)護者發(fā)出警報。

數(shù)據(jù)記錄電路可以實時地記錄控制器運行狀態(tài)及各種重要參數(shù)，為醫(yī)生和患者提供準確可靠的控制器運行數(shù)據(jù)。

2.3 控制參數(shù)計算

根據(jù)ML4425使用手冊，預(yù)定位電路、加速控制電路、切換控制電路、反電動勢檢測電路的控制參數(shù)，以及ML4425的PLL環(huán)參數(shù)、速度環(huán)參數(shù)等大量參數(shù)的計算十分復雜，每次調(diào)整控制參數(shù)都需要進行一輪重新計算，為了避免以上繁復的操作，設(shè)計了一款簡單的參數(shù)計算工具表，見圖4所示。

只要在上表中輸入電機運行參數(shù)，即可得出控制器相應(yīng)的控制參數(shù)值，此表使用簡單，可顯著節(jié)約時間和精力。

3 試驗研究

無刷直流電機用電子換相裝置代替了有刷直流電機的機械換相裝置，其穩(wěn)定可靠地運行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子的不同位置相應(yīng)地改變其觸發(fā)組合狀態(tài)來實現(xiàn)的，因此準確檢測轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)是無刷直流電機無位置傳感器控制的關(guān)鍵。人工輔助心臟控制器控制血泵運行的三相端電壓如圖5所示。

圖4 控制器參數(shù)計算表

圖5 人工輔助心臟控制器控制血泵運行的三相端電壓

如圖5，三相端電壓波形均衡，無異常畸變，每相波形間相差120°。任一相端電壓波形中，每周期波形包含6個突變點，每個突變點間隔60°，波形的突變點是由于換相時的電壓突變導致的，因此這些突變點正是電壓換相時刻的換相點。端電壓波形中的斜坡部分可以間接的反映出該相處于不導通相時的反電勢信號波形，而反電勢信號的過零點發(fā)生在端電壓波形中斜坡的中點，從圖5來看，血泵運行時的換相點正是反電勢過零后延遲30°，即人工輔助心臟控制器的換相點是理想換相點。圖6所示為血泵運行情況。

圖6 血泵運行情況

4 結(jié)束語

本文研究了一種應(yīng)用于人工輔助心臟項目的無位置傳感器電機控制器，其中轉(zhuǎn)子位置檢測采用了反電動勢過零檢測技術(shù)，而電機起動方式采用“三段式”起動技術(shù)。該控制器實現(xiàn)了人工輔助心臟項目要求的長時間高可靠運行，并且具有體積小巧，開發(fā)簡便等特點，試驗結(jié)果表明該控制器能夠滿足人工輔助心臟項目的使用要求。

［1］陳寶.無位置傳感器無刷直流電動機控制技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學，2005.

［2］周偉剛.一種無位置傳感器控制的汽車引擎無刷直流冷卻風機系統(tǒng)［J］.機電工程技術(shù)，2011（3）：26-28，109.

［3］樊平，馬瑞卿.基于ML4425的無刷直流電動機控制器設(shè)計［J］.微電機，2007（7）：54-56.

［4］季少武，陳晉，戴敏，等.基于ML4425的無傳感器無刷直流電機控制電路設(shè)計［J］.機械制造與自動化，2006（6）：139-142.

［5］陳敏祥，張小波.ML4425在無位置傳感器無刷直流電機控制中的應(yīng)用［J］.微特電機，2003（5）：45-46.