軸流式磁懸浮人工心臟泵驅動電機的研究

楊 晟 劉淑琴 關 勇

山東大學,濟南,250061

0 引言

磁懸浮軸承由于其具有無接觸、無摩擦和無潤滑等優點,很好地滿足了人工心臟的多種苛刻要求,能夠解決使用傳統軸承支撐的人工心臟設計中軸承對血液的碾壓造成對血細胞的破壞以及軸承的密封等問題。所以磁懸浮軸承日益成為人工心臟泵研究領域的熱點[1]。而泵的驅動問題是人工心臟泵的關鍵。目前,人工心臟泵的驅動電機國內主要采用直流電機或帶變頻裝置的永磁同步電機。這些電機具有結構簡單、輸出轉速高等優點[2-5],但都含有電樞齒槽,使其在轉矩波動、運行平穩性、噪聲、電樞電感、定位干擾力矩、徑向尺寸等指標上略顯不足。由于人工心臟泵事關病人的生活品質甚至生命安全,這就要求設計人工心臟泵時,在滿足基本的高可靠性和高穩定性以及高的模擬活體心臟功能的逼真性的基礎上,應逐步減小體積、降低噪聲、改善運行性能。筆者設計了一種新型的人工心臟泵電機——永磁無槽直流無刷電動機。它采用了Microlinear公司生產的直流無刷電機專用芯片ML4425作為主控芯片,利用反電勢法檢測轉子位置,通過IR2130控制開關管的導通,在電機氣隙磁場內形成跳躍式的脈振旋轉磁場,從而驅動電機和葉輪旋轉。限于篇幅,本文不討論反電勢與轉子位置間的邏輯運算關系和磁懸浮支撐的相關內容。

1 磁懸浮人工心臟泵及電機結構

1.1 磁懸浮心臟泵總體結構

設計的磁懸浮人工心臟泵的結構如圖1所示。圖中的心臟泵轉子由兩個組合式永磁被動徑向磁軸承和一個永磁偏置主動控制軸向混合磁軸承實現完全的懸浮,轉子四周除血液外沒有任何的接觸物質。心臟泵轉子的位置將由內置式霍爾位移傳感器實時監測,并通過外部的主動磁懸浮支撐控制系統實現位置的控制。

圖1 磁懸浮人工心臟泵的結構圖

驅動電機安裝在心臟泵的中部,電機的定轉子與血液接觸部分用醫用鈦合金包裹,轉子與磁軸承的轉動部分組裝為一體,電機轉子在定子旋轉磁場的作用下,將攜帶組合轉子一同旋轉。

1.2 驅動電機結構

心臟泵電機是由兩個獨立的定子和轉子組成的無電刷、無傳感器、無齒槽的永磁無槽無刷直流電動機,其結構如圖2所示。加工完成的定子繞組如圖3所示。本文研究的無槽電機由一個杯形繞組、兩個定轉子鐵心和一個圓環形永久磁鐵組成。在圖2中,A、B、C三相繞組對稱均勻分布成兩層,每層每相繞組占據 120°的角度,每匝線圈跨過一個極距,繞組接線方式為星形。圖2中間部分為圓環形永久磁鐵(電機轉子),采用Nd2 Fe14B材料,沿徑向上某個方向平行充磁,極對數為2。電機定轉子鐵心均采用導磁性能好的電工純鐵。

圖2 電機截面圖

圖3 定子繞組

2 驅動系統設計

2.1 電機驅動原理[6]

磁懸浮人工心臟泵驅動電機采用兩相導通星形三相六狀態的運行模式。運行時,主控芯片根據定子繞組反電勢判斷轉子位置,在換相時刻準確發出下一個時序的激勵信號,使6個時序狀態交替變換,三相繞組兩兩導通,形成脈振旋轉磁場,從而帶動電機轉子旋轉。

圖4所示為永磁無刷直流電動機框圖。永磁無刷直流電動機的基本構成包括電動機本體、控制器、轉子位置檢測器、逆變器、電源五部分。轉子位置檢測裝置通過反電勢法檢測電機轉子位置,將信號輸送給控制器,控制器根據位置信號控制逆變器開關管導通,從而控制電機三相繞組的通斷,驅動電機轉子旋轉。

圖4 永磁無刷直流電動機框圖

圖5 所示為理想反電勢及相電流波形,此波形顯示了電機三相繞組的導通順序。電機工作原理如圖6所示,當轉子永磁體位于圖6a所示的位置時,根據反電勢法得到的轉子位置信號,經過控制電路和逆變器,使繞組A、B相通電。這時A相電流為正向流進,B相電流為反向流出,電樞繞組在空間的合成磁動勢F a與勵磁磁動勢F f之間的夾角為120°電角度。在定轉子磁場相互作用下產生順時針方向的電磁轉矩,該轉矩拖動轉子沿順時針方向轉動。依次類推。

圖5 理想反電勢及相電流波形

圖6 電機工作原理示意圖

2.2 驅動電路結構原理[7]

硬件電路部分采用 ML4425、IR2130、HCF4069等芯片組成方波產生與調頻及開關管驅動電路,其驅動控制系統原理框圖如圖7所示。

ML4425內部含有壓控振蕩器(VCO)、PWM速度控制器、高端柵極驅動器、低端柵極驅動器、PWM電流控制器、換向控制器、反饋取樣電路等單元。另外還能實現欠壓鎖定、溫升控制、電流限制、報警等功能。芯片整個運行狀態可分為 3種[7]。先是復位校準狀態,此時兩個上橋臂和另外一個下橋臂導通,電機轉子在磁力線的作用下轉動到某相繞組中心線位置;定位完成后,片內壓控振蕩器開始起振,系統進入開環升速狀態;電機轉速升至可產生足夠大的反電動勢后,系統進入閉環換相狀態。在此期間,當20腳SPEED FB接近 8腳SPEED SET設定電壓時,電機進入PWM穩定控制狀態,通過調節線圈供電電壓對電機進行速度控制。圖8所示為ML4425芯片管腳圖。

圖8 ML4425管腳圖

電機驅動電路由IR2130和MOSFET開關管組成。從ML4425出來的相差120°的方波信號,經反相器 HCF4069反相,輸入給 IR2130。IR2130直接控制三相全橋開關管,進而驅動電機。

人機接口界面主要有電源開關、工作指示燈、轉速顯示窗口及轉速調節旋鈕。

3 關鍵技術分析與參數確定

電機額定容量為10W;額定電壓為15V;磁極對數為1;因電源電壓高于ML4425芯片規定的電機電壓,所以外加了N溝道功率MOSFET柵極緩沖驅動電路。圖9所示為電機速度閉環系統框圖。

圖9 速度閉環系統框圖

3.1 環路濾波器參數計算

環路濾波器由R和C 2串聯支路與C1并聯組成二階低通濾波器接在ML4425的20腳。其參數如下：

式中,ko為整個濾波電路傳遞函數系數;ke為反電勢常數,V/(rad?s-1);kv為VCO增益,rad/V;ξ為采樣時的阻尼分壓系數;gm為跨導放大倍數,A/V;wn、wz分別為電機額定旋轉頻率和濾波網絡零點頻率,通常取wz=wn/ M,M=10。

3.2 啟動電路參數計算

轉子定位電容參數為

通常優先選取1μF的電容,t s為定位時間,s。

轉子加速時間電容參數為

式中,J為轉子轉動慣量;IMAX為電機啟動時線圈中的電流,A;p為電機極對數。

3.3 速度閉環補償參數計算

式中,wp為濾波網絡極點頻率;τm為機械時間常數,s;RW為繞組電阻,Ω。

4 實驗數據及結果

該電機的實驗采用的驅動電壓U s調節范圍為9～25V,如圖10所示。在轉子穩定懸浮的狀態下,開啟電機控制器,實現電機的閉環鎖相穩定旋轉。在驅動電壓調節范圍內調節繞組線圈的供電電壓,能夠實現轉速的平滑調節。通過示波器讀取ML4425輸出腳的激勵信號,可以得到電機的驅動信號頻率,從而可以得到轉子轉速n。實驗測得的HA 腳的輸出信號如圖10所示(驅動電壓為9V、15V、20V、25V),電壓 —驅動頻率 — 轉速對應關系如表1,由此得到的n-Us調速曲線如圖11所示。

實驗結果表明,系統以較高的精度實現了閉環穩定運行,旋轉平穩,噪聲低,抗干擾能力強,調速曲線近似一條直線,滿足了心臟泵的各項性能指標要求。

5 結束語

圖10 HA腳在不同驅動電壓(從上到下依次為9V、15V、20V、25V)下的輸出信號

表1 實驗數據

圖11 電機調速曲線

本文介紹了一種應用于軸流式磁懸浮軸承心臟泵的新型電機,在基于ML4425的控制器作用下,能夠實現快速平滑調速。這種電機具有噪聲低、運行平穩、抗干擾能力強、體積小等諸多優點。本文中關于ML4425控制器關鍵參數的確定方法具有通用性,同樣可以作為其他應用場合時的設計思想。

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[2] 陳建偉,譚建平,龔忠良,等.微型軸流式血泵外磁驅動電路設計[J].微計算機信息,2005,21(2)：88-89.

[3] 龔中良,譚建平,李國榮.基于血泵驅動外磁場產生方法的研究[J].生物醫學工程研究,2004,23(4)：201-203.

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