蘇曉蓮，蔣山 江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，鎮(zhèn)江市，000 博眾精工科技股份有限公司，蘇州市，5000

0 引言

近年來，隨著我國人口老齡化加劇以及人們生活習(xí)慣的改變，心血管疾病發(fā)病率劇增。而心力衰竭是各種心血管疾病發(fā)展到晚期的一種臨床綜合征，是心血管疾病致死的頭號(hào)殺手?；颊咴谛呐K供體不足的情況下，可通過移植人工心臟，以暫時(shí)或者永久的代替心臟功能，維持機(jī)體的需要。

人工心臟的組成主要包括三部分：人體插管、流體動(dòng)力裝置和系統(tǒng)控制部分。流體動(dòng)力裝置，即人工血泵，決定著人工心臟泵血能力的強(qiáng)弱，因此最為重要。人工血泵有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)以及磁液混動(dòng)四種形式，其中電動(dòng)和磁液混動(dòng)型血泵多由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，性能最佳，是當(dāng)前人工血泵發(fā)展的主線。因此本文就人工血泵用永磁電機(jī)及其控制展開闡述，詳細(xì)介紹血泵用永磁電機(jī)及其控制方法的研究現(xiàn)狀。

1 血泵用永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀

常用的血泵電機(jī)主要有永磁無刷直流電機(jī)（Permanent Magnet Brushless DC Motor，PMBLDCM）、永磁直線電機(jī)（Permanent Magnet Linear Motor，PMLM）和無軸承電機(jī)（Beardless Motor，BM）。三類電機(jī)應(yīng)用于人工血泵的技術(shù)難點(diǎn)各有不同，本節(jié)將據(jù)此展開論述。

1.1 永磁無刷直流電機(jī)（PMBLDCM）

1.1.1 電機(jī)運(yùn)行平順性研究

就電機(jī)本體結(jié)構(gòu)而言，繞組分布不滿足正弦規(guī)律、磁路飽和、永磁體結(jié)構(gòu)形式不合理以及齒槽效應(yīng)等因素均會(huì)導(dǎo)致電樞磁鏈不正弦，從而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。常用的解決辦法包括分?jǐn)?shù)槽繞組法[1]、電機(jī)齒部開槽法[2]、Halbach永磁陣列[3]以及無鐵芯結(jié)構(gòu)[4-5]等方案。

1.1.2 電機(jī)溫升研究

當(dāng)血液溫度高于43oC時(shí)，紅細(xì)胞開始出現(xiàn)功能性受損，溶血的概率大大增加，因此降低電機(jī)溫升是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容[6]。電機(jī)發(fā)熱源主要有線圈銅耗、鐵芯損耗和永磁體渦流損耗，其中線圈銅耗和鐵芯損耗占比90%以上，設(shè)法控制銅耗和鐵耗是解決人工血泵溫升問題的關(guān)鍵[7]。由銅耗和鐵耗的計(jì)算公式可知[8]，降低銅耗的方法是盡可能降低電阻或減小電流，而降低鐵耗的措施則是降低磁密高次諧波。具體措施有[9]：①選用低阻銅線或增加繞線截面積；②繞線整齊，減少線圈總長度；③控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，為防止銅耗產(chǎn)熱集中導(dǎo)致泵殼溫度分布不均勻，應(yīng)選用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的泵殼材料[10]。

1.1.3 避免機(jī)械摩擦導(dǎo)致溶血的措施

PMBLDCM體積小，易放置于血泵內(nèi)，因此可采用泵機(jī)一體式結(jié)構(gòu)，即電機(jī)定子部分集成于泵殼，電機(jī)轉(zhuǎn)子位于泵腔。為避免軸承磨損造成溶血，可使電機(jī)轉(zhuǎn)子通過被動(dòng)或主動(dòng)懸浮控制懸浮起來[11-12]。以文獻(xiàn)[4]中的人工血泵為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)置于血泵泵腔內(nèi)部以驅(qū)動(dòng)葉片，在徑向和軸向的方向上采用磁軸承主動(dòng)懸浮。定轉(zhuǎn)子無接觸，降低了血栓和溶血的風(fēng)險(xiǎn)，而整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分用鈦合金包裹，具有良好的生物相容性。

圖1 磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of maglev artificial heart pump

1.2 永磁直線電機(jī)（PMLM）

PMLM因其直線運(yùn)動(dòng)方式，更適合應(yīng)用于搏動(dòng)式人工血泵。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，PMLM應(yīng)用人工血泵時(shí)，關(guān)鍵要提供大推力。本節(jié)將介紹幾款結(jié)構(gòu)新穎的血泵用PMLM，并詳述大推力產(chǎn)生方案。

1.2.1 雙定子結(jié)構(gòu)

2015年，YAMAGUCHI等[13]研發(fā)了一款脈動(dòng)式PMLM。為提高推力-體積比，采用雙定子結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于把兩臺(tái)單定子電機(jī)合二為一，共用一個(gè)動(dòng)子，因此產(chǎn)生的推力理論上為單定子PMLM的兩倍（考慮到磁飽和的影響，雙定子PMLM實(shí)際最大推力小于理論值）。此外，研究表明：增加電機(jī)軸向長度，可在犧牲部分輕量化特征的基礎(chǔ)上大幅提高電機(jī)推力。最終測試結(jié)果顯示在80 mm/s的速度下可提供77 N推力。

1.2.2 游標(biāo)結(jié)構(gòu)

劉正蒙等[14]設(shè)計(jì)了一款具有低速大推力特性的雙定子游標(biāo)PMLM。所謂“游標(biāo)電機(jī)”，是一種基于磁場調(diào)制效應(yīng)的特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)。電樞磁鏈經(jīng)過調(diào)制極的調(diào)制后，在氣隙處形成高次諧波，這些高次諧波和多極永磁體作用，產(chǎn)生比傳統(tǒng)PMLM更大的推力[15]。實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)在額定工況（3 A）下可產(chǎn)生70 N的推力。

1.2.3 磁力絲杠

磁力絲杠電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示[16]。外圈是傳統(tǒng)的表貼式永磁電機(jī)，內(nèi)圈則是磁性絲杠。磁性絲杠的內(nèi)、外圓筒鑲嵌螺旋永磁體，分別相當(dāng)于螺栓和螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓便將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。磁性絲杠永磁體排布方式采用Halbach結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)氣隙磁密，提供大轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電機(jī)最大推力達(dá)130 N。

圖2 磁力絲杠電機(jī)Fig.2 Magnetic lead screw motor

1.2.4 雙層繞組

文獻(xiàn)[17]介紹一種搏動(dòng)式電磁直驅(qū)泵。借鑒了通電螺線管的工作原理，在線圈中通入直流電流使得螺線管內(nèi)部形成勻強(qiáng)磁場，和螺線管內(nèi)部的永磁體產(chǎn)生作用力，推動(dòng)永磁體作直線運(yùn)動(dòng)。鑒于單層線圈不足以產(chǎn)生足夠的推力，提出增加輔助線圈的方法，即采用雙層繞組。實(shí)驗(yàn)顯示，雙層螺線管產(chǎn)生的推力比單層螺線管高出約70%。

1.3 無軸承電機(jī)（BM）

用于血泵的BM根據(jù)懸浮方式可分為磁懸浮、液懸浮和磁液混合懸浮三種。

1.3.1 磁懸浮

磁懸浮電機(jī)根據(jù)懸浮力產(chǎn)生方式分為電主動(dòng)懸浮、永磁被動(dòng)懸浮和混合磁力懸浮[18]。電主動(dòng)懸浮通過通電線圈產(chǎn)生懸浮力，屬于可控懸浮，缺點(diǎn)是電氣元件復(fù)雜；永磁被動(dòng)懸浮通過永磁體間的相互作用力實(shí)現(xiàn)懸浮，結(jié)構(gòu)簡單，但不可控；混合磁力懸浮結(jié)合二者的特點(diǎn)，有助于精簡機(jī)構(gòu)、提升性能，在磁懸浮人工血泵中應(yīng)用最廣。

KURITA等[19]設(shè)計(jì)了一款雙邊定子型磁懸浮電機(jī)，屬于混合磁力懸浮電機(jī)。電機(jī)定子位于兩側(cè)，中間為懸浮轉(zhuǎn)軸。每側(cè)定子上均安裝永磁體和繞組線圈，一側(cè)用于控制軸向位移和旋轉(zhuǎn)，另一側(cè)用于控制轉(zhuǎn)軸的傾斜。該電機(jī)的特點(diǎn)在于，驅(qū)動(dòng)力和懸浮力均在軸向上產(chǎn)生，徑向上無電磁器件。

2018年，楊石平等[20]采取了與上述雙邊定子型磁懸浮電機(jī)不同的懸浮方案，即采用軸向永磁軸承和徑向電磁軸承結(jié)合的方案，通過永磁磁環(huán)控制軸向位移。研究表明，同軸永磁環(huán)之間的電磁作用力在一定范圍內(nèi)與距離成正比，因此根據(jù)懸浮動(dòng)子的最大移動(dòng)距離確定所需提供的最大電磁作用力即可，很大程度上簡化了控制方案，也降低了成本。

1.3.2 液懸浮

液力懸浮血泵，其原理是利用運(yùn)動(dòng)流體在漸縮結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的動(dòng)壓實(shí)現(xiàn)血泵的被動(dòng)懸浮，依靠轉(zhuǎn)子或側(cè)壁的線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力[21]。液力懸浮式人工心臟的技術(shù)核心在于懸浮機(jī)構(gòu)和螺旋葉片的設(shè)計(jì)，對電機(jī)并無特別要求。目前比較成熟的產(chǎn)品包括Ventrassist、TinyPump以及HVAD等。

1.3.3 磁液混合懸浮

磁液混合懸浮，顧名思義，同時(shí)利用電磁懸浮和液力懸浮，二者配合達(dá)到穩(wěn)定的懸浮效果。磁力和液力既可以分別控制兩個(gè)方向（軸向、徑向）上的懸浮，也可以協(xié)作用于控制一個(gè)方向上的懸浮。

OKAMOTO等[22]采用第一種方法設(shè)計(jì)了一款磁液混合式懸浮心臟泵。通過永磁體斥力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位移的被動(dòng)控制，而傾斜和橫向位移則依靠液力被動(dòng)控制。王偉等[23]則采用第二種磁液混合方式，液力和磁力同時(shí)作用于葉輪，以保持葉輪在軸向方向上的穩(wěn)定懸浮。

2 人工心臟用永磁電機(jī)的控制

已成功應(yīng)用的人工血泵控制算法包括傳統(tǒng)的PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、模糊PID控制、自適應(yīng)魯棒控制、無位置傳感器控制等。上述算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

2.1 PID控制

PID算法是最基本的控制算法，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)控制效果。其應(yīng)用成熟、穩(wěn)定性好，已廣泛應(yīng)用于人工心臟泵的控制[24-25]。PID控制的通用性和有效性毋庸置疑，但是在尋找最優(yōu)PID參數(shù)的時(shí)候往往需要大量的調(diào)試，較為繁瑣。為此，專家學(xué)者著手研究參數(shù)自整定算法，使得PID算法的應(yīng)用更進(jìn)一步。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自學(xué)習(xí)功能的智能算法，主要用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)的控制。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來，以被控量之目標(biāo)值與反饋值的差值作為輸入，以PID參數(shù)作為輸出，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

WU等[26]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制應(yīng)用到人工心臟泵的速度控制。與傳統(tǒng)PID控制相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間更短、跟蹤性能更好且魯棒性更強(qiáng)。盡管如此，一個(gè)成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力進(jìn)行大量的訓(xùn)練，因此在使用上并非十分便捷，很大程度上限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[27]。

2.3 模糊PID控制

模糊PID控制是一種模糊化的非線性智能控制算法，不需要對受控對象進(jìn)行精確數(shù)學(xué)建模，乃是根據(jù)人類經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模型的核心在于模糊推理模塊和解模糊模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)對人類思維的模擬推理。劉佩璋[28]針對一款微型軸流血泵運(yùn)用模糊PID控制，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)實(shí)時(shí)自整定。與傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行對比，模糊PID控制器的輸出響應(yīng)超調(diào)量更小，而且在加入外界擾動(dòng)的情況下具有較強(qiáng)的魯棒性。

2.4 自適應(yīng)魯棒控制

人工血泵系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)耦合的的非線性系統(tǒng)，而且血泵安裝在病人體內(nèi)，會(huì)因人體活動(dòng)引入擾動(dòng)，因此要求控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性。非線性自適應(yīng)控制可克服系統(tǒng)不確定性，但對于外界干擾較為敏感。而魯棒控制在抑制干擾和補(bǔ)償未建模動(dòng)態(tài)時(shí)具有良好的性能，二者結(jié)合可形成優(yōu)勢互補(bǔ)。文獻(xiàn)[29]將H∞魯棒控制與自適應(yīng)控制結(jié)合起來用于人工血泵的控制，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨著人體不同心跳速率下的血壓要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，證實(shí)控制系統(tǒng)具有很好的自適應(yīng)性和抗干擾性。

2.5 無位置傳感器控制

無位置傳感器控制通過采集電機(jī)繞組的電壓和電流并進(jìn)行一系列推導(dǎo)估算出轉(zhuǎn)子的位置信息。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，感應(yīng)反電勢幅值小，難以檢測，需要采取必要的措施進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，致使起動(dòng)過程精度較低[30]。但對于磁懸浮心臟泵，無需頻繁啟動(dòng)，一旦起動(dòng)便可長期穩(wěn)定運(yùn)行，因此無位置控制非常適合應(yīng)用于人工血泵。

譚亞[31]針對蘇州同心人工心臟采用了基于滑膜觀測器的無位置傳感器控制方案。實(shí)測的速度響應(yīng)曲線顯示，電機(jī)從1 000 r/min加速到3 000 r/min只要2 s，而且可在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，脈動(dòng)速度僅為125 r/min，滿足人工心臟運(yùn)行要求。

3 總結(jié)

本文綜述了永磁電機(jī)在人工心臟領(lǐng)域的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了不同類型電機(jī)的特點(diǎn)并介紹了具體的應(yīng)用案例，而后列舉了血泵用永磁電機(jī)常用的控制算法和實(shí)際使用效果?？梢钥吹剑斯ば呐K經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)做到了小型化、輕量化，以便長期植入人體。而磁懸浮電機(jī)的出現(xiàn)，更是降低了人工心臟溶血和血栓的風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，人工心臟還存在諸如經(jīng)皮電纜易感染、控制系統(tǒng)復(fù)雜、使用壽命短等問題，相關(guān)研究工作還需持續(xù)進(jìn)行。