巫偉強，譚建平，王帥，喻哲欽，肖智勇

中南大學(xué)機電工程學(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的特殊流體機械。血泵驅(qū)動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)電能到血泵旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，穩(wěn)定高效且滿足生理需求的驅(qū)動系統(tǒng)是血泵運行的基礎(chǔ)［5］。驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程中需要考慮幾個關(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)和活動水平相匹配，如Jarvik2000［8］。本設(shè)計以STM32F103為主控芯片的軸流式血泵驅(qū)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)軸流式血泵的速度閉環(huán)控制。

1 總體設(shè)計方案

軸流式血泵驅(qū)動控制系統(tǒng)要求體積小、效率高、運行穩(wěn)定、實時監(jiān)控運行狀態(tài)，需實現(xiàn)的功能包括：驅(qū)動軸流式血泵葉輪旋轉(zhuǎn)并實現(xiàn)無位置傳感速度閉環(huán)控制，以及流量、電壓和電流監(jiān)測和無線人機交互［9］。為實現(xiàn)以上功能，硬件電路設(shè)計包括全橋驅(qū)動電路、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

2.1 全橋驅(qū)動電路

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)動換相電路采用六臂全橋驅(qū)動電路，通過切換不同的開關(guān)順序?qū)崿F(xiàn)換相。采用全橋驅(qū)動電路，MOS管控制驅(qū)動線圈三相繞組的導(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，形成步進角為60°的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過脈寬調(diào)制對軸流式血泵進行調(diào)速控制。

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

2.2 葉輪轉(zhuǎn)子位置檢測電路

葉輪轉(zhuǎn)子位置檢測是實現(xiàn)泵正常換向運行以及速度閉環(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)動系統(tǒng)。反電勢法過零檢測法是實現(xiàn)無傳感器位置檢測的一種有效方法［10］。反電勢法的關(guān)鍵是如何準確檢測反電勢過零點，本設(shè)計采用端電壓過零檢測電路獲取反電動勢過零點，實現(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)動系統(tǒng)運行時需要監(jiān)測驅(qū)動系統(tǒng)的功率消耗，可植入軸流式血泵驅(qū)動系統(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，通過電阻分壓電路實現(xiàn)流量傳感器信號的采集。

2.4 無線通訊電路

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

3 軟件設(shè)計

3.1 啟動算法

轉(zhuǎn)子初始位置的確定是軸流式血泵啟動的關(guān)鍵，影響系統(tǒng)最大啟動轉(zhuǎn)矩和最小啟動時間［13-14］，軸流式血泵驅(qū)動線圈與血泵葉輪之間氣隙大，反電動勢小，使用反電動勢過零檢測進行轉(zhuǎn)子位置檢測時容易啟動失敗。啟動流程如圖3所示，啟動時先導(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］，然后進行依次導(dǎo)通繞組進行換相，并逐步提高PWM，當連續(xù)監(jiān)測到N次過零點時，認為已經(jīng)能夠正確檢測到過零點，切換到反電動勢同步換相運行。

3.2 速度閉環(huán)算法

血泵正常工作下需要實現(xiàn)5 L/min的流量輸出，對應(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］，需要在運行期間動態(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PI控制器實現(xiàn)泵的速度閉環(huán)控制。

圖3 啟動算法流程圖Fig.3 Startup process

4 實驗

設(shè)計軸流式血泵驅(qū)動控制硬件電路，并進行電路板的焊接與調(diào)試，將軸流式血泵接入模擬循環(huán)實驗臺進行實驗。模擬循環(huán)實驗臺結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括軸流式血泵、驅(qū)動控制系統(tǒng)、進出口壓力計、流量傳感器、阻尼閥、排氣閥、儲液箱和管道等部分。實驗流體采用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］。通過上位機無線藍牙連接驅(qū)動控制系統(tǒng)，通過上位機給定轉(zhuǎn)速命令改變泵運行的轉(zhuǎn)速，并記錄運行數(shù)據(jù)。

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental system

軸流式血泵啟動后進入同步換向運行時轉(zhuǎn)速約為1 000 rpm，泵正常工作為8 000 rpm左右。當啟動成功，進入同步運行狀態(tài)后，設(shè)定泵目標轉(zhuǎn)速為8 000 rpm，記錄血泵加速時間。

圖5為泵加速實驗結(jié)果。從實驗結(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。當泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在8 000 rpm時，血泵進出口壓力差為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 泵加速實驗結(jié)果Fig.5 Results of pump acceleration experiment

5 結(jié)束語

本文設(shè)計軸流式血泵的驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路，軟件算法實現(xiàn)軸流式血泵無位置傳感的啟動及速度閉環(huán)控制，通過藍牙模塊實現(xiàn)對泵運行過程的電壓、電流及流量進行監(jiān)控和運行過程中根據(jù)病人生理情況動態(tài)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速。通過實驗證明該驅(qū)動控制系統(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。