巫偉強(qiáng)，譚建平，王帥，喻哲欽，肖智勇

中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083

前言

心力衰竭是全球死亡率和發(fā)病率最高的心血管疾病，目前全球有超過兩千萬的心力衰竭患者，其中我國患者就超過八百萬，其病癥的主要特征為心臟不能產(chǎn)生足夠的血液輸出量，目前由于我國人口老齡化，其發(fā)病率也在迅速上升［1］。心臟移植是治療這種疾病的主要治療方法［2］，由于供體器官供應(yīng)有限以及患心力衰竭的患者數(shù)量不斷增加，可植入血泵成為治療心力衰竭疾病的最佳方案［3］。在過去的十年里，近兩萬名患者通過植入血泵進(jìn)行治療，并獲取了一定的存活率［4］。血泵是滿足人體血液循環(huán)流體力學(xué)性能和血液生理性能指標(biāo)的特殊流體機(jī)械。血泵驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電能到血泵旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，穩(wěn)定高效且滿足生理需求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是血泵運(yùn)行的基礎(chǔ)［5］。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素，包括能量損失、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)子間隙等［6-7］。連續(xù)流量血泵需要保證輸出足夠的流量，由臨床醫(yī)生或設(shè)備制造商的技術(shù)人員手動(dòng)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，以便將泵輸出與病人自身的生理學(xué)和活動(dòng)水平相匹配，如Jarvik2000［8］。本設(shè)計(jì)以STM32F103為主控芯片的軸流式血泵驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸流式血泵的速度閉環(huán)控制。

1 總體設(shè)計(jì)方案

軸流式血泵驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要求體積小、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，需實(shí)現(xiàn)的功能包括：驅(qū)動(dòng)軸流式血泵葉輪旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)無位置傳感速度閉環(huán)控制，以及流量、電壓和電流監(jiān)測和無線人機(jī)交互［9］。為實(shí)現(xiàn)以上功能，硬件電路設(shè)計(jì)包括全橋驅(qū)動(dòng)電路、葉輪轉(zhuǎn)子位置檢測電路、電壓采集電路、電流采集電路、流量傳感器采集電路以及無線通訊接口電路。軟件程序包括無位置傳感器啟動(dòng)算法、速度閉環(huán)控制算法和無線通信控制算法。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 全橋驅(qū)動(dòng)電路

血泵由固定在泵體內(nèi)帶有永磁體的葉輪轉(zhuǎn)子和泵體外部的線圈組成。如圖2所示，線圈采用星形連接，驅(qū)動(dòng)換相電路采用六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路，通過切換不同的開關(guān)順序?qū)崿F(xiàn)換相。采用全橋驅(qū)動(dòng)電路，MOS管控制驅(qū)動(dòng)線圈三相繞組的導(dǎo)通與關(guān)斷。采用兩兩導(dǎo)通的方式，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)子的位置決定導(dǎo)通的順序，形成步進(jìn)角為60°的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過脈寬調(diào)制對(duì)軸流式血泵進(jìn)行調(diào)速控制。

圖2 全橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Full-bridge drive circuit

2.2 葉輪轉(zhuǎn)子位置檢測電路

葉輪轉(zhuǎn)子位置檢測是實(shí)現(xiàn)泵正常換向運(yùn)行以及速度閉環(huán)控制的前提，由于軸流式血泵需要植入人體內(nèi)，額外的傳感器使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積增大，安裝比較困難，因此血泵中采用無位置傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。反電勢(shì)法過零檢測法是實(shí)現(xiàn)無傳感器位置檢測的一種有效方法［10］。反電勢(shì)法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確檢測反電勢(shì)過零點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用端電壓過零檢測電路獲取反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和速度檢測［11］。

2.3 流量、電壓和電流檢測電路

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要監(jiān)測驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率消耗，可植入軸流式血泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流電源供電，電壓約為12 V，主控芯片AD采樣電壓為3.3 V，電壓采集采用電阻分壓方法，電流測量采用分流電阻法。流量傳感器輸出電壓信號(hào)，通過電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)流量傳感器信號(hào)的采集。

2.4 無線通訊電路

泵運(yùn)行過程中需對(duì)泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速、流量、功率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，且能夠根據(jù)病人的狀態(tài)對(duì)泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置［12］。本設(shè)計(jì)采用無線藍(lán)牙方式進(jìn)行無線通訊，實(shí)現(xiàn)泵的狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，避免導(dǎo)線引起感染的風(fēng)險(xiǎn)。使用的藍(lán)牙芯片為CSR公司的BC417143，通過UART接口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)與筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦的通信。上位機(jī)通過無線藍(lán)牙接口發(fā)送命令來控制血泵啟停，改變轉(zhuǎn)速。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 啟動(dòng)算法

轉(zhuǎn)子初始位置的確定是軸流式血泵啟動(dòng)的關(guān)鍵，影響系統(tǒng)最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最小啟動(dòng)時(shí)間［13-14］，軸流式血泵驅(qū)動(dòng)線圈與血泵葉輪之間氣隙大，反電動(dòng)勢(shì)小，使用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測時(shí)容易啟動(dòng)失敗。啟動(dòng)流程如圖3所示，啟動(dòng)時(shí)先導(dǎo)通特定繞組，使轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下旋轉(zhuǎn)并固定在確定的位置［15-16］，然后進(jìn)行依次導(dǎo)通繞組進(jìn)行換相，并逐步提高PWM，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測到N次過零點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)能夠正確檢測到過零點(diǎn)，切換到反電動(dòng)勢(shì)同步換相運(yùn)行。

3.2 速度閉環(huán)算法

血泵正常工作下需要實(shí)現(xiàn)5 L/min的流量輸出，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約8 000 rpm，血泵的流量輸出應(yīng)與人體需求相適應(yīng)［17］，需要在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)病人不同的生理狀態(tài)［18-19］。以過零檢測方法獲得的泵轉(zhuǎn)速作為閉環(huán)反饋量，設(shè)計(jì)PI控制器實(shí)現(xiàn)泵的速度閉環(huán)控制。

圖3 啟動(dòng)算法流程圖Fig.3 Startup process

4 實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)軸流式血泵驅(qū)動(dòng)控制硬件電路，并進(jìn)行電路板的焊接與調(diào)試，將軸流式血泵接入模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括軸流式血泵、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、進(jìn)出口壓力計(jì)、流量傳感器、阻尼閥、排氣閥、儲(chǔ)液箱和管道等部分。實(shí)驗(yàn)流體采用1：3甘油水溶液，常溫條件下，密度為1 090 kg/m3，粘度為 3.1 mPa·s，與血液的水力性能接近［20］。通過上位機(jī)無線藍(lán)牙連接驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過上位機(jī)給定轉(zhuǎn)速命令改變泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，并記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental system

軸流式血泵啟動(dòng)后進(jìn)入同步換向運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速約為1 000 rpm，泵正常工作為8 000 rpm左右。當(dāng)啟動(dòng)成功，進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)后，設(shè)定泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速為8 000 rpm，記錄血泵加速時(shí)間。

圖5為泵加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，泵在0.5 s上升到最高轉(zhuǎn)速9 030 rpm，超調(diào)量為12.8%，1.5 s時(shí)穩(wěn)定在8 000 rpm，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%。速度閉環(huán)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小，泵閉環(huán)控制效果好。當(dāng)泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在8 000 rpm時(shí)，血泵進(jìn)出口壓力差為13.19 kPa，提供的流量為4.934 L/min，滿足人體血液循環(huán)所需的壓差和流量。

圖5 泵加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of pump acceleration experiment

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)軸流式血泵的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路，軟件算法實(shí)現(xiàn)軸流式血泵無位置傳感的啟動(dòng)及速度閉環(huán)控制，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)泵運(yùn)行過程的電壓、電流及流量進(jìn)行監(jiān)控和運(yùn)行過程中根據(jù)病人生理情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速。通過實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)速度閉環(huán)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小，滿足人體血液循環(huán)的水力性能要求。