李 雪,王效亮,欒 婷,張 芳,劉志蕾,張 磊
(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076;2.北京航空航天大學(xué),北京 100191)
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(jì)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(shí)性輔助循環(huán)或心臟移植病人過(guò)渡治療的人工輔助心臟具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(jī)構(gòu),由離心泵、軸向磁場(chǎng)盤式無(wú)刷直流電機(jī)集成在一起,電機(jī)的轉(zhuǎn)子同時(shí)也作為泵的葉輪??刂破魇侨斯ぽo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(yùn)行等功能。血泵的運(yùn)轉(zhuǎn)需要電子控制單元實(shí)現(xiàn)精確換相,因此準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)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(yùn)行的關(guān)鍵。
目前常用的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的各種位置傳感器均具有不便于維護(hù)、增加電機(jī)體積、環(huán)境適應(yīng)性差、引出線較多等一系列問(wèn)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(chǎng)合,因此,血泵項(xiàng)目中電機(jī)控制采用了無(wú)位置傳感器控制方式。
無(wú)位置傳感器電機(jī)控制技術(shù)是指不需要安裝機(jī)械式位置傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào),而間接通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電壓、電流、磁鏈等物理量來(lái)得到轉(zhuǎn)子位置信息的控制方式。無(wú)位置傳感器電機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在位置檢測(cè)技術(shù)和起動(dòng)技術(shù)兩個(gè)方面[1-2]。
在位置檢測(cè)技術(shù)發(fā)面,很多國(guó)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(jì)法、模型參考位置估計(jì)法、狀態(tài)觀測(cè)器法、檢測(cè)電機(jī)相電感變化的位置估計(jì)法和反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法等,其中反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法是最易實(shí)現(xiàn),也是目前應(yīng)用最廣泛的位置檢測(cè)方法。
反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的工作原理如下:在無(wú)刷直流電機(jī)中,定子繞組的反電勢(shì)為梯形波,且正負(fù)交變;繞組反電勢(shì)發(fā)生過(guò)零后,延遲對(duì)應(yīng)于30°電角度的時(shí)間,即為電動(dòng)機(jī)換相時(shí)刻。因此,反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法只要檢測(cè)到各不導(dǎo)通相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻,即可獲知轉(zhuǎn)子的若干關(guān)鍵位置,實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的換相控制。
無(wú)刷直流電機(jī)的繞組反電勢(shì)與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)處于靜止或低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),反電勢(shì)為零或者很小,無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)到反電勢(shì)信號(hào),也就不能應(yīng)用“反電勢(shì)法”判斷轉(zhuǎn)子位置,因此電機(jī)無(wú)法自起動(dòng),需要尋求其他方法來(lái)解決起動(dòng)問(wèn)題。由于沒(méi)有轉(zhuǎn)子位置信號(hào),無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)變得非常關(guān)鍵,如果起動(dòng)方法不當(dāng),可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失步甚至反轉(zhuǎn)。
目前無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)常用的幾種起動(dòng)方法包括:任意位置開環(huán)起動(dòng)法,特定位置開環(huán)起動(dòng)法和詢問(wèn)起動(dòng)法等,其中任意位置開環(huán)起動(dòng)法隨意性較大,可能會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象;詢問(wèn)起動(dòng)法適合于具有凸極效應(yīng)的電機(jī),限制了這種方法的應(yīng)用。特定位置開環(huán)起動(dòng)法將無(wú)刷直流電機(jī)從靜止到自同步狀態(tài)之間的起動(dòng)過(guò)程分為預(yù)定位—>加速—>切換三個(gè)階段,因此也稱為“三段式”起動(dòng)法。預(yù)定位階段由控制器給電機(jī)中任意兩相繞組通電,產(chǎn)生一個(gè)合成磁場(chǎng),在該磁場(chǎng)的作用下,轉(zhuǎn)子會(huì)向合成磁場(chǎng)的軸線方向旋轉(zhuǎn),直到轉(zhuǎn)子磁極與該合成磁場(chǎng)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?dǎo)通,同時(shí)逐步提高換相頻率,并加大外施電壓,直到達(dá)到預(yù)定頻率;外同步到自同步的切換階段是指電機(jī)從外同步加速切換到根據(jù)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)換相的自同步階段,切換要求平滑穩(wěn)定。“三段式”起動(dòng)法是目前使用最廣泛的起動(dòng)方法,它可以有效地控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。
綜上,人工輔助心臟控制器采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法和“三段式”起動(dòng)法實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器電機(jī)控制。
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(dòng)后,由起動(dòng)控制決定換相時(shí)序,依次完成“預(yù)定位”—>“外同步加速”,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)切換速度時(shí),開始切換為根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判斷換相時(shí)序的“自同步”穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)轉(zhuǎn)子的位置信息通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路獲取,同時(shí)控制器將用戶設(shè)定的速度與通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)獲取的轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行閉環(huán)比較,通過(guò)速度環(huán)調(diào)節(jié)后生成PWM信號(hào),與換相時(shí)序信息共同控制功率放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)血泵的無(wú)位置傳感器電機(jī)調(diào)速控制。
控制器實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。
圖2 控制器實(shí)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(dòng)電路、三相逆變橋電路、過(guò)流保護(hù)電路、輸入輸出電路、報(bào)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(wú)刷電機(jī)控制芯片[3],可用于為三相無(wú)刷電機(jī)提供封閉回路的換相控制信號(hào),同時(shí)利用PWM模式對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行閉環(huán)控制,并提供電機(jī)運(yùn)行必要的保護(hù)。預(yù)定位電路、加速控制電路、切換控制電路和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路是主控電路的一部分,輔助ML4425完成起動(dòng)控制和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)功能[4]。
驅(qū)動(dòng)電路采用自舉驅(qū)動(dòng)方式工作。常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有獨(dú)立電源驅(qū)動(dòng)和自舉驅(qū)動(dòng)兩種,獨(dú)立電源驅(qū)動(dòng)方式至少需要四路獨(dú)立電源才能驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式僅需用一路獨(dú)立電源即可實(shí)現(xiàn)三相六路功率逆變橋的驅(qū)動(dòng)功能,大大減少了獨(dú)立電源的數(shù)量,因此本設(shè)計(jì)中采用了自舉驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通電阻RDS(ON)共同圍成的區(qū)域?yàn)榘踩ぷ鲄^(qū)。從圖中來(lái)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(dāng)電機(jī)電壓達(dá)到20 V時(shí),安全可靠的工作電流只有約15 A。實(shí)際應(yīng)用中在最大占空比95%時(shí),IRFS4310應(yīng)能可靠工作在10 A左右。
過(guò)流保護(hù)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(jī)電流采樣為電壓值,通過(guò)低通濾波器濾除高頻干擾信號(hào)后送到控制芯片ML4425,如果電機(jī)電流超過(guò)設(shè)定值,即采樣的電壓值超過(guò)設(shè)定值,ML4425將封閉控制輸出通道來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)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(jī)發(fā)光二極管屏,相比普通LCD液晶屏具有無(wú)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),適合于移動(dòng)手持設(shè)備中應(yīng)用。
當(dāng)控制器工作狀態(tài)異常,如電機(jī)電流大,電池電壓低,電機(jī)轉(zhuǎn)速異常等情況下控制器啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),通過(guò)聲、光等雙重手段向用戶及其監(jiān)護(hù)者發(fā)出警報(bào)。
數(shù)據(jù)記錄電路可以實(shí)時(shí)地記錄控制器運(yùn)行狀態(tài)及各種重要參數(shù),為醫(yī)生和患者提供準(zhǔn)確可靠的控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)。
根據(jù)ML4425使用手冊(cè),預(yù)定位電路、加速控制電路、切換控制電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)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(jì)算十分復(fù)雜,每次調(diào)整控制參數(shù)都需要進(jìn)行一輪重新計(jì)算,為了避免以上繁復(fù)的操作,設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單的參數(shù)計(jì)算工具表,見(jiàn)圖4所示。
只要在上表中輸入電機(jī)運(yùn)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(jiǎn)單,可顯著節(jié)約時(shí)間和精力。
無(wú)刷直流電機(jī)用電子換相裝置代替了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置,其穩(wěn)定可靠地運(yùn)行是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)是無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)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(yùn)行的三相端電壓如圖5所示。
圖4 控制器參數(shù)計(jì)算表
圖5 人工輔助心臟控制器控制血泵運(yùn)行的三相端電壓
如圖5,三相端電壓波形均衡,無(wú)異?;儯肯嗖ㄐ伍g相差120°。任一相端電壓波形中,每周期波形包含6個(gè)突變點(diǎn),每個(gè)突變點(diǎn)間隔60°,波形的突變點(diǎn)是由于換相時(shí)的電壓突變導(dǎo)致的,因此這些突變點(diǎn)正是電壓換相時(shí)刻的換相點(diǎn)。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(dǎo)通相時(shí)的反電勢(shì)信號(hào)波形,而反電勢(shì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在端電壓波形中斜坡的中點(diǎn),從圖5來(lái)看,血泵運(yùn)行時(shí)的換相點(diǎn)正是反電勢(shì)過(guò)零后延遲30°,即人工輔助心臟控制器的換相點(diǎn)是理想換相點(diǎn)。圖6所示為血泵運(yùn)行情況。
圖6 血泵運(yùn)行情況
本文研究了一種應(yīng)用于人工輔助心臟項(xiàng)目的無(wú)位置傳感器電機(jī)控制器,其中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)技術(shù),而電機(jī)起動(dòng)方式采用“三段式”起動(dòng)技術(shù)。該控制器實(shí)現(xiàn)了人工輔助心臟項(xiàng)目要求的長(zhǎng)時(shí)間高可靠運(yùn)行,并且具有體積小巧,開發(fā)簡(jiǎn)便等特點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果表明該控制器能夠滿足人工輔助心臟項(xiàng)目的使用要求。
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