基于無(wú)位置傳感器電機(jī)控制方式的人工輔助心臟控制器研究

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）

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。控制器是人工輔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。

1 無(wú)位置傳感器電機(jī)控制技術(shù)分析

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]。

1.1 位置檢測(cè)技術(shù)

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。

1.2 起動(dòng)技術(shù)

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(kāi)環(huán)起動(dòng)法，特定位置開(kāi)環(huán)起動(dòng)法和詢問(wèn)起動(dòng)法等，其中任意位置開(kāi)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(kāi)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。

2 人工輔助心臟控制器設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

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(kāi)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。

2.2 控制器實(shí)現(xiàn)方案

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(kāi)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)。

2.3 控制參數(shù)計(jì)算

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。

3 試驗(yàn)研究

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)異常畸變，每相波形間相差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

4 結(jié)束語(yǔ)

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(kāi)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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［3］樊平，馬瑞卿.基于ML4425的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2007（7）：54-56.

［4］季少武，陳晉，戴敏，等.基于ML4425的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006（6）：139-142.

［5］陳敏祥，張小波.ML4425在無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用［J］.微特電機(jī)，2003（5）：45-46.