吉敬華， 劉文慶， 趙文祥

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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約占所有疾病的30%，嚴(yán)重的心臟衰竭已成為心血管外科的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。治療心血管疾病和心臟病最有效的方法是進(jìn)行心臟移植手術(shù)，但可供患者移植的臟源卻很少。因此，人工心臟技術(shù)亟待發(fā)展[1-2]。

電機(jī)作為人工心臟泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要裝置，其性能的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著整個(gè)心臟泵的性能。傳統(tǒng)的人工心臟泵多采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)則省去了中間的傳動(dòng)裝置，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)，有助于降低血損[3]。此外，由于直線電機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)力的方向始終與動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向在同一直線上，動(dòng)子的徑向力非常小或不存在，極大地減小了運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦損耗，延長(zhǎng)了裝置的使用壽命[4-6]。因此，直線電機(jī)作為人工心臟驅(qū)動(dòng)裝置兼有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于人工心臟的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人工心臟直線電機(jī)已有少量的研究[7]，但有關(guān)該類電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制方面的研究成果很少。本文分析了模塊化磁通切換永磁直線(Modular Flux Switching Permanent Magnet Linear, MFSPML)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁特性，建立了數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究了一種短行程直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制策略。

1 結(jié)構(gòu)與特性

圖1是本文所研究的兩相MFSPML電機(jī)[8]。該電機(jī)定子由鐵心、電樞繞組和永磁體組成。動(dòng)子僅由鐵心組成，由于動(dòng)子中沒有永磁體、電刷和繞組，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，亦減小了制作成本。另一方面，所有的永磁體和繞組在定子上，可以采用多種冷卻方式而使通過電樞繞組的電流密度稍微增大，并且可消除安裝時(shí)的不穩(wěn)定性，并維持高效率和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性，動(dòng)子上不存在不平衡徑向力，從而減少了直線軸承所承受的應(yīng)力。

圖1 MFSPML電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2為電機(jī)動(dòng)子速度為0.1m/s時(shí)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形，從圖中可看出兩相繞組反電動(dòng)勢(shì)近似為正弦波，相位相差90°，適用于永磁無刷交流電機(jī)(Brushless AC， BLAC)控制。

圖2 空載反電動(dòng)勢(shì)波形

2 控制要求與控制特征

由圖2可得出空載反電動(dòng)勢(shì)的近似表達(dá)式為

(1)

式中：Em——反電動(dòng)勢(shì)幅值。

當(dāng)電機(jī)采用Id=0控制時(shí)，繞組所通電流必須和反電動(dòng)勢(shì)保持同相位，故輸入電流可表示為

(2)

式中：Im——輸入電流幅值。

根據(jù)電磁推力的計(jì)算式，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電磁推力可表示為

(3)

式中：Pe——電磁功率；

Fe——電磁推力；

v——?jiǎng)幼舆\(yùn)動(dòng)速度。

將式(1)和式(2)帶入式(3)，得電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電磁推力為

(4)

由式(4)可看出，MFSPML電機(jī)的電磁推力是恒值。

MFSPML電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

式中：Fd——直線電機(jī)的負(fù)載阻力；

Bv——黏滯摩擦系數(shù)；

m——直線電機(jī)動(dòng)子的質(zhì)量。

人工心臟電機(jī)對(duì)控制精度的要求比較高，在實(shí)際運(yùn)行中采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能充分發(fā)揮其響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)。尤其在短行程，高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合更能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。另外，由于人的心臟跳動(dòng)頻率受外界條件的影響較大，電機(jī)的控制系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的抗負(fù)載突變的能力。針對(duì)人工心臟電機(jī)的這些控制要求，本文提出了一種直線電機(jī)的控制策略。

控制系統(tǒng)的框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要由一個(gè)速度環(huán)和一個(gè)電流滯環(huán)組成，其工作原理如下。由速度傳感器測(cè)得電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，將其與給定速度V*的偏差V*-V作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，由PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生指令電流的幅值。通常在PI調(diào)節(jié)器和指令電流之間添加一個(gè)限幅模塊，其目的是為了限制電機(jī)的起動(dòng)電流，以免起動(dòng)時(shí)因繞組過熱發(fā)生短路故障。由位置傳感器測(cè)得電機(jī)動(dòng)子的位移，從而確定指令電流的相位。利用電流傳感器測(cè)得電樞繞組中的實(shí)際電流，把指令電流i*與實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為電流滯環(huán)比較器的輸入，通過電流滯環(huán)比較器的輸出來驅(qū)動(dòng)功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由于電機(jī)要作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給定速度應(yīng)隨著電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的不同而發(fā)生變化。對(duì)于本文研究的電機(jī)而言，正向運(yùn)動(dòng)時(shí)給定速度V*=0.1m/s，反向運(yùn)動(dòng)時(shí)給定速度V*=-0.1m/s。圖4為MFSPML電機(jī)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移波形?？梢?，電機(jī)從o點(diǎn)開始起動(dòng)作正向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)的給定速度為0.1m/s；當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)時(shí)將給定速度調(diào)整為-0.1m/s，此時(shí)電機(jī)開始作減速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)時(shí)，速度減小到零，開始作反向加速運(yùn)動(dòng)；電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)到e點(diǎn)時(shí)，將給定速度調(diào)整為0.1m/s，電機(jī)開始作減速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到f點(diǎn)時(shí)，速度減小到零，開始作正向加速運(yùn)動(dòng)，從而完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過程中從點(diǎn)o—b段給定速度為0.1m/s。點(diǎn)b—e段給定速度為-0.1m/s。通過以上分析可知，a—b段和d—e段電機(jī)位移大于0.2mm,小于3.8mm，而a—b段電機(jī)的給定速度為0.1m/s，d—e段電機(jī)的給定速度為-0.1m/s。因此需要通過判斷ds/dt(s代表位移)的正負(fù)來確定各段給定速度的大小，判定流程圖如圖5所示。

圖4 直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移波形

圖5 給定速度判定流程圖

3 仿真與驗(yàn)證

圖6為MFSPML電機(jī)場(chǎng)路耦合瞬態(tài)聯(lián)合仿真模型。該仿真模型由MFSPML電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路及控制信號(hào)三部分組成。

圖7為恒負(fù)載起動(dòng)和瞬間變負(fù)載的仿真結(jié)果。從通電到5.3ms區(qū)間是恒負(fù)載起動(dòng)過程，繞組電流達(dá)到最大值，以獲得最大的加速度，減小起動(dòng)時(shí)間。在約5.3ms動(dòng)子速度基本達(dá)到給定速度，5.3～40ms區(qū)間處于恒負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)子速度基本保持不變。40ms時(shí)刻負(fù)載從15N 突變到20N，此時(shí)繞組電流和電磁推力增加，最后電磁推力與負(fù)載平衡，此過程動(dòng)子速度基本保持不變。

負(fù)載為15N，MFSPML電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?1ms時(shí)刻，動(dòng)子速度減小，當(dāng)速度減小到0時(shí)，開始反向加速，與理論分析相吻合，說明了該模型的有效性。

從以上仿真結(jié)果可看出，該直線電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，可以滿足人工心臟領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

4 結(jié) 語

本文對(duì)MFSPML電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁特性進(jìn)行了研究，建立了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了電機(jī)在負(fù)載突變和往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩種情況下的控制策略。建立了場(chǎng)路耦合仿真模型，對(duì)電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析，并將仿真結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。研究表明，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，通過本文提出的控制系統(tǒng)，能迅速調(diào)節(jié)輸入電流的大小，使電磁推力等于負(fù)載阻力，整個(gè)過程動(dòng)子的速度基本不變，可以實(shí)現(xiàn)人工心臟電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用要求，為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。

圖6 場(chǎng)路耦合瞬態(tài)聯(lián)合仿真模型

圖7 負(fù)載突變情況下的仿真波形

圖8 往復(fù)運(yùn)動(dòng)情況下的仿真波形

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