（电力电子与电力传动专业论文）轴流式血泵系统的设计研究.pdf

a b s t r a c t ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd em o t o r s0 3 l d c m lh a v eb e e n a p p l i e de x t e n s i v e l yi ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n td u et oi t se x c e l l e n tp , = t o r m a n c e t i l i s t h e s i sp r e s e n t si t sn t l o l r l oa p p l i c a t i o n si na r t i f i c i a lh e a r t s ( a h r ) b a s e do nt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to fa h rh o m ea n da b r o a d , t h i st h e s i sd e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e st h ed r i v e m o t o ra n dr e s e a r c h e st h es e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e m , i no r d e rt or e a l i z ef l o o d - p u m p f t m e t i o na n dg e t st h et o t a ls y s t e mm u c hs m a l l e ra n dl i g h t e r f i r s t l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n te o u i s eo fa r ta h r , a n d i n t r o d u c e s g e n e r a ls i t u a t i o no fa h r t h i st h e s i sr e s e a r c h e s , a n dd i s c u s s e st h et h e o r yc a u s e so f b l d c ms e l e c t i o n t h e nt h eu s eo f s e m o d e s sc o n t r o lm e t h o do nt h eb a s i so f m e a s u r i n g b a e k - e m fz e r oi sp r o p o s e d , a n dt h ed e t a i l sa i ep r e s e n t e d 砸地i n t o g r a t i v ep u m p - m o t o ri sd e s i g n e dd e t a i l e d l y at h r e e - s l o t t e ds t a t o rm o t o l i s a d o p t e di nt h i ss y s t e ma n di t sf e a s i b i l i t yv e r i f i e d n l i s nb os e 钰a s 趾i n n o v a t i o ni n t h i sf i e l d t h eb l d c me o n l x o ls y s t e mi n c l u d e sh a l d w a r l 。a n ds o t t w a r e t h e yb o t l la f e ， d e s i g n e di nd e t a i la t t e rm o t o rm a n u f a e t e 皿eh a r d w a r e , m a d eu po fp o w e rc i r c u i t , d r i v ee i m l i t , s a m p l ec i r c u i t ( v o l t a g ea n de t a r e n t ) ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o l l e rb a s e d o nt m s 3 2 0 i j 2 4 0 7 ad s p , i sd o s ea n dr e l i a b l e d u r i n gt h ec o u r s eo fs o t t w a r ed e s i g n , c h o pm a r i n e ri sd e t e r m i n e df i r s t , a n dt h e nt h e s ef l o wc ：h l l l t so ft h em a i np r o g r a ma n d s e v e r a lc r u c i a li n t e r r u p ts u b p r o g r a m 勰g i v e n a c c o r d i n gt oc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , t h ec u r r e n t - l o o pa n ds p e e d - l o o p 黜d e s i g n e dr e s p e c t i v e l yf r o mi n n e rt oo u t e rb yr u l e , a n da l s ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so f s t e pr e s p o n s eb ym a t l a ba l ei l l u s t r a t e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ea c c e p t a b l ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r c o n t r o l l e db yt h eb o a r d w ec a l lc o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h em o t o ra n dc o n t r o ls y s t e m p r e s e n t e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h et a s k k e y w o r d s ：b l d c m ；m o t o rd e s i g n ；t h r e e - s l o t t e ds t a t o r ；, d s p ；s e l l s o r l e s sc o n t r o l c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：c 地、确导师签名： 签字日期：p 。7 年，二月f 日签字日期：似声f 1 月”日 a e 丞窑堡盔堂亟堂焦鎏塞独剑丝皂明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：导谵耋，而签字日期：加7 年月叫日 致谢 本论文的工作是在我的导师范瑜教授的悉心指导下完成的，范瑜教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来范瑜 老师对我的关心和指导。 李国国老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此谨向李国国老师表示衷心的谢意。 李华伟老师对于我的科研工作提出了许多宝贵的意见，在此向李老师表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吕刚、吕学文、梁京哲等同学对我论文中的 中期研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学 业，衷心感谢他们。 1 绪论 1 1 概述 1 1 1人t , b 脏的发展背景、现状及趋势 一、人工心脏的发展背景 人类的心脏是具有精确控制作用的精致器官。据美国国家心脏及血液研究所 统计“1 ，美国现有近5 0 0 万人患心力衰竭症，且每年新增病例4 0 万，而人工心脏 是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自然心脏的一种人工 脏器。临床上遇到的不可逆性心肌衰竭等疾病，往往需要应用人工心脏来短期或 长期维持患者的血液循环。 一 人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏( t a l l ) 。辅助人工心脏有左心室辅 助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助( - - 周以内) 及永久性辅助( - - 年) 两种。完全人- r , g , 脏包括一时性完全人工心脏、以辅助等 待心脏移植及永久性完全人工心脏 人工心脏的研究可以回溯到体外循环的动脉泵开始，即1 9 5 3 年g i b b o n s 将体 外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，犹如自然的搏血功能 进行体外循环。而人工心脏这个血液泵恰是受此启发而开始研究的。1 9 5 7 年美国 l ( o l f f 和a k u t s n 将聚乙烯基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此 为开端展开了世界性人工心脏研究1 9 5 8 年日本及前联邦德国均设立了专门研究 中心1 9 6 4 年k o l f f 利用人工心脏使小牛生存2 4 小时。1 9 6 6 年d c b a k e y 将人工 心脏用于瓣膜置换病例，辅助数小时。1 9 6 8 年开始临床研究，1 9 6 9 年动物实验生 存记录为4 0 天。同年c o o l e y 进行了第一个临床病例植入一时性完全人工心脏后 因合并症死亡。1 9 7 0 年n o s e 等的动物实验生存1 0 0 天。1 9 7 3 年以后，动物实验 成活率迅速上升：1 9 7 6 年k o l f f 试验牛成活8 9 天、1 2 2 天；1 9 8 0 年度美和彦试 验山羊生存2 3 2 天、2 4 2 天、2 8 8 天；1 9 8 2 年1 2 月1 日美国盐湖城犹他大学医学 中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活卫1 1 2 天。 小型连续血流泵是未来第二代植入式血泵，其优点为体积小，简单，可靠性 高且造价低。8 0 年代中期在心脏移植中对患者进行循环辅助使其存活了3 1 天，从 而再次证实了此种血泵的有效性。8 0 年代末期又研究了盔泵的可行性，即对具体 构件做了改进。 二、人工心脏的发展现状 在近半个世纪的研制过程中，血泵的材质、结构、制作工艺、功能和使用寿 命均有显著改进，出现了气动、电动、电液压等不同驱动方式，由最初的仿生式 隔膜式血泵( 它的核心结构是一个由柔性材料围成的腔囊，对腔囊施以外力 时腔内体积被迫变化，周而复始，完成泵血功能。这种泵体积大、结构复杂、生 理相容性差，工作寿命短) ，发展为现在的非仿生式叶轮式血泵( 电机一血泵 一生理( 循环系统) 相互作用，且人体可以选择人- r , b 脏的参数) 。世界上已经进行 了几例完全人工心脏临床应用，目前世界上最新的轴流式血泵主要包括以下几种 装置：h e r a o p t u n p ，m i c r o m e dd e b a k e yv a d ，j a r v i k2 0 0 0 ，h e a r t m a t ei i ，s 缸e a m l i n e r , h n p e l l as y s t e m , 柏林i n c o ri 和i n t e c 等。 h e m o p u m p 是一种硅胶套管装配的左心室辅助系统。它是最早被美国食品药物 管理局批准应用于临床研究的轴流血泵。h e m o p u m p 被定位为一种专门用在冠状动 脉搭桥手术过程中的应急性心脏辅助设备，同时也可以用于一些诸如心原性休克、 术后左心室衰竭和急性心肌梗死等病理学研究h 锄o p u m l ) 植入心室的套管是一条 直径7 m m , 长2 0i n f l l 的柔性硅胶管，该管直接连在泵体上，体外的控制器可以控制 血泵的旋转速度在1 7 0 0 0 - - 2 6 0 0 0 r r a i n 之间变动，血泵输出量为3 5 - 4 5 l m i n ，最 长辅助时间可达1 3 9 h 。1 9 8 8 年植人7 名患者中有4 2 继续生存一年以上，没有发生 感染、血栓或血管破裂。 m i c r o m e dd e b a k e yv a d 是美国航天局约翰逊航天中心、b a y l o r 医学院和 m i e r o m e d 科技公司联合研制的一种可植入的微型轴流式血泵长7 5 m m ，直径 2 5 m m 。这种轴流泵在输入功率不到1 0 w 时就可以保持1 0 0 0 0 r u a i n 的转速。在该转 速下可以产生1 0 0 m m h g 的输出压力和5 6 l m i n 的输出流量。2 0 0 0 年的临床研究中， 5 1 名成年心脏病患者已经成功植人了d e b a k e y ，术后患者的平均存活时问为4 7 天， 而且大多数没有溶血和血栓形成 从1 9 8 8 年起，集团i m p e l l a 牛津心脏中心和德克萨斯心脏研究所联合开发 j a r v i k2 0 0 0 ，仅重8 5 9 ，长5 5 r a m ，直径为2 5 r a m 。转速由一个脉动调节的无刷直 流电机控制，转速范围为8 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n ，在l o o m a f i l g 的压力条件下输出血液流 量为2 7 l m i n 。临床应用中，用户可以手动控制血泵的转速，截止2 0 0 2 年共有3 7 例临床病例，患者存活一年以上的比例达到5 6 ，有4 位幸运者至今仍健康地活着 h e a r t m a t en 是由美国匹兹堡大学m c g o w a n 中心和n h n b u s 公司1 9 9 1 年开始共 同研发的一种轴流式血泵。直径4t i l l ，长6 c m ，重约3 7 5g ，最大泵血量可达1 0 l m i n 。 正常转速为8 0 0 0 9 0 0 0 r m i n ，相应的输出压力为8 0 1 0 0 m m h g , 泵血量为3 4 l m i n ，每天产生血浆游离血红蛋白3 6g 。 s t r e a m l i n e r 由美国匹兹堡大学中心研制，它是一种磁悬浮轴流式v a d 可以抵抗 2 八倍的重力加速度。运行转速在7 0 0 0 r m i n ，泵血量6 l m i n ，血压1 0 0 m m h g 的情况 下，s 打e a m l i n e r 的溶血指数非常低。在血栓检验中，发现除了入流套管连接处和导 流叶片边缘与泵体的间隙外，泵内其它地方都没有发现血栓形成。 h n p e l l a f h 位于德国亚琛的i m p e l l a 公司研制，该循环辅助系统直径6 4 n u n ，长 6 0 m m ，能给成年人提供双心室辅助功能。左心室i m p e l l a 泵通常转速为 3 0 0 0 r m i n ，能以7 l i n 的泵血量将1 0 0m m h g 的血液输送到全身，其水力效率约 为3 0 。叶轮上仅有两个厚度为0 3 m m 的叶片，叶片与泵体间的缝隙为0 1 m m 。设 计者使用一个直径仅有零点几毫米的微型压力传感器来控制血泵。该设计能保证 相当长的一段时间内传输可靠的压力数据。2 0 0 0 年，i m p e n 墩植入6 只体重在5 0 8 0 k g 的绵羊，在平均动脉压4 9 6 5 m m h g 的情况下，输出流量在3 5 4 5 l m i n 范 围内。同年在另一次动物实验中，1 4 只被诱发心肌梗死的绵羊进一步评测t h n p d l a 的作用结果显示，它的确降低了左心室负荷，缩小了梗死区域尺寸，并保持了 灌注流量 i n c o rl 是柏林心脏中心研究小组最近正在研发的一种血泵。采用磁悬浮轴 承，转速为8 0 0 0 r m i n ，每分钟可输出1 0 l 的血液。泵体直径3 0 n u n ，重约2 0 0 9 ，溶 血指标为0 0 0 6 9 1 0 0 l 。在血泵工作时，驱动电机的功率为2 4w ，其中轴承消耗 1 w 。体外和活体实验都证明这种血泵设计得非常出色。i n c o ri 最大的特点是可 以很好地抵抗压力的影响。2 0 0 2 年6 月，两名心脏患者首次植入了i n c o ri 。手术 后病人情况很好，心脏收缩时的肺动脉明显下降，无论左心室功能还是血液流动 都有明显改善。 随着人工心脏临床研究的深入及改进，人工心脏的功效再次得到证实。研究 人员研制了多种类型和功效的人工血泵，各种新型血泵更加符合人体的生理需求。 多年的试验研究表明，人工心脏作为移植的过渡循环辅助十分有效，它通过增加 患者的血液动力，使患者的营养状况和总体身体状况有所改善而利于心脏移植的 成功。此外，对于可逆性心衰患者也可以进行长期循环辅助以便其自身心脏恢复 功能。目前左心室辅助装置( l v a d 嘲，如图i 一1 所示) 已成为门诊治疗终末期心脏病 的一种有效方法，可使病人的生活质量显著提高，而心室辅助装置引起的并发症 却极少。总之，近年来人工心脏的研制工作乃至临床应用均取得了可观的进展。 人工心脏装置在人体内如图卜i 所示。 由此可见进入9 0 年代后，国外很多研究中心纷纷转向了小型叶轮泵的研究， 即旋转叶轮式血泵，以高速旋转的叶片驱动血液的连续流动，这种血泵起步虽晚 但发展很快，在我国，植入式叶片泵的工作刚刚起步。另外，目前国际较先进的方 法是采用磁耦合驱动、附加一高压密封系统或研制泵一机一体的无需密封的轴流式 血泵血泵。经过比较，我们采用泵一机一体化方式，即将电机的旋转叶轮和永磁体一 3 图1 - 1 心脏辅助装置在人体内安装示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po f t h ev a d i nt h eh u m a nb o d y 体化设计，通过永磁体旋转，带动叶片转动，这样就无需考虑电机的密封问题 三、人工心脏的发展趋势 已有的i 临床应用表明，完全人工心脏能代替自然心脏功能，用其较长维持循 环是可行的，其前景是乐观的。现在，作为临时取代心脏功能的人工心脏已可以 在许多医院中看到，并得到大量使用。但完全人工心脏仍在研究阶段。使用起来 有很多不便之处。未来的人工心脏将驱动装置小型化并埋入人体，使用者无不适 感觉并可自由活动，要达到这一步还需克服许多困难。 目前的探索集中在以下方面： ( 1 ) 电机一血泵一生理( 循环系统) 相互作用调控，即调节电机输入使血泵达 到适当的输出以达到正常重量水平的需要i ( 2 ) 智能型控制系统，血泵的流量控制是通过分析电机的电流与速率，所需 的血泵输出流量是根据心率来确定的在控制系统中增加一个流量稳定器以防止 高度脉动血流所造成的生理危害。达到血流量的恒定并可防止心室萎陷； ( 3 ) 混合静脉饱和作为生理控制t a h 的参数，因为在运动状态下静脉氧饱和 的变化与一氧化碳密切相关 1 1 2本课题研究的人m , 1 3 脏装置的简单介绍 本课题是和中国医学科学院阜外心血管医院合作的横向课题。该医院1 9 9 6 年 开始了微型入工心脏领域的创新性探索嘲。他们设计出的装置由固定笼以及可旋转 的叶轮组成，笼起支撑叶轮的作用，它是轴流泵和机械瓣的有机结合，植入主动 脉的瓣膜位置，通过泵的旋转驱动血液循环，实现“泵”的功能；同时叶轮的旋 转可以在心脏的舒张期维持心室腔与动脉腔之间的压差，等效于一个机械性人工 心脏瓣膜装置。动力瓣体积小、重量轻，它直接放置于主动脉中，无需任何管道 与自然心脏的“接口”它采用电磁场驱动。动力瓣”，维护了人体的独立性，大 大提高了病人的生活质量。 4 本课题设计的微型轴流泵( 如图i - 2 所示) ；共有四个组成部分，( 1 ) 前导叶； ( 2 ) 转子；( 3 ) 后导叶；( 4 ) 固定套( 为一套筒，图中未标出) 。这种结构的泵 体可以保持其表面的流体为轴向运动而减小对血液成分的破坏，利用旋转叶轮的 挤压推进将能量传递给液体，使液体具有动能，向前运动。 图l - 2 轴流式血泵图 f i g 1 - 2 t h e f r a m e o f t h e a x i a l b l o o d p u m p 轴流泵叶片数为：前导叶5 叶片，转子4 叶片，后导叶9 叶片，叶片沿圆周 向均匀分布。长度：前导叶：3 m ，转子：1 0 m m ，后导叶：l o m m 。直径：叶片外径 1 7 5 m m ，叶根直径l o 哪前后导叶固定在套筒上，套筒固定在血管上，装置工作 时，转子旋转，促使血液循环。轴流泵转子中空，内置直径8 m m ，长度l o m m 的永 磁铁( 电机转子) 。控制系统置于体外，电机驱动永磁体旋转，该磁体与转子一体， 从而带动转子旋转。 该血泵系统工作时，给电动机供电，定子产生旋转磁场，从而对电机永磁体 转子产生电磁力矩，带动电机转子旋转。轴流血泵由两个部分组成，一个是叶轮， 另一个是出口导流叶片转子旋转带动叶轮旋转时。血液沿着轴向进入由叶片组 成的流道内，并将其能量传给血液。血液产生前进和旋转两种运动，血液离开叶 轮后，进人导流叶片的流道内，血液旋转方向的运动被追停止，将旋转动能转化 为压能，使血液呈轴向运动。电机的转子和定子组成了驱动系统。电机外接2 4 v 恒压电源和控制器，电源提供能量，控制器通过调节血泵转速来控制血泵的流量和 压力输出。不过通过轴流泵一般不能得到搏动血流，但有研究表明，只要能够超 出生理灌注量2 0 倍，平流灌注也能是到满意的灌注结果。 该人工心脏装置有如下几个功能指标： ( 1 ) 极少的血液破坏。 应用于人工心脏轴流式血泵的制作材料应考虑到人体的特殊生理环境，电机 本体应该注意生物反应特性，如h e m o p u m p 用不锈钢制成，d e b a k e y 则用钛合金制 作。钛具有极好的生物相容性，可耐受人体苛刻的生理环境( 人体p h 值为7 4 ) ， 因而长期以来一直用于人体臀部及膝部关节的移植。实践证明，人体对钛无排异 反应，也不产生凝血现象。许多科研院所的专家教授都在致力于钛制人工心脏装 置的研制和开发工作，考虑到钛的良好特性，本电机转子本体除永磁体外，全部 应用钛合金制造。 轴流式血泵在运行时候，因为摩擦等因素会对血液产生破坏作用，因此应该 尽量减小转子同固定套的的摩擦，减小对血液的破坏；对微型轴流血泵的材料进 行表面处理：用水蛭素处理血泵与血液接触的内表面，以提高材料的血液相容性， 用纤连蛋白处理血泵与组织接触的外表面，以提高材料的组织相容性。 ( 2 ) 较小的体积和重量，可携带性。 轴流式血泵的驱动系统，应该尽量减小体积和重量以满足人体的生理需要，而 永磁直流无刷电机具有体积小、重量轻、维护方便等一系列优点。因此本系统驱 动电机采用永磁直流无刷电机，同时取消电机中检测转子位置用的霍尔元件，这样 可以解决人工心脏驱动电机微型化和电机电缆过粗过硬等问题。可以认为无传感 器电机结构是今后微型化的方向。 ( 3 ) 根据人体需要适时调节流量输出。 本电机采用永磁直流无刷电机，它具有高效节能、易于控制等优点长期应 用轴流泵作为人工心脏是今后的发展方向，如何模仿心脏自身的s t a r l i n g 机制， 在运动或其它需要的时候增加泵的输出是提高病人生活质量的关键。本次设计采 用反电动势位置检测控制方法，它通过检测电机的反电势得到电机转子位置信号， 来采取换相控制，并通过调节电机转速调节流量输出。 ( 4 ) 提高泵的可靠性 d e b a k e y 泵首次应用在两例等待移植的病人中均发现有短暂的失同步现象， 有一例病人还发生了1 8 m i n 的停泵，虽然并未造成严重后果，但也提出了如何更 好地加强转流过程中可靠性的问题。在泵的应用实验过程中还发现有过度抽吸现 象，有时会导致左心室塌陷，使心内膜乃至部分心肌组织嵌入泵的入口，影响流 量，防止该现象的发生也是今后的目标之一 1 2 永磁直流无刷电动机应用与研究动向 1 2 1永磁直流无刷电动机的应用 众所周知，直流电动机具有运行速度高和调速性能好等诸多优点，但是由于 传统的直流电动机均采用电刷，以机械换向方法进行换向，因而存在相对的机械 摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命短等致命弱点瑚，从而大大地限制 了它的应用范围。 为了解决传统直流电动机的种种问题，早在本世纪初，就有人开始研制以电 6 子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得突破性成果。1 9 1 7 年， b o l i g e r 提出用整流管代替传统的机械电刷以实现换流的思想。1 9 5 5 年美国 d h a r i s o n 等人申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机换相的专利，标志着现 代直流无刷电机的诞生阿。 2 0 世纪8 0 年代，由于大功率开关器件和大规模专用集成电路技术的高速发展， 直流无刷电机得到了迅猛的发展和推广应用。性能优良、价格低廉的电子元器件 加快了直流无刷电机更新换代的步伐：8 0 年代与7 0 年代同类型直流无刷电机相比 较，体积缩小到只有原来的1 1 0 ，价格只有原来的1 1 0 ，从而提高了直流无刷电 机的性能价格比，为其大量应用创造了先决条件高性能永磁材料，如钐钴，钕 铁硼的应用，也使直流无刷电机的性能更进一步完善，并且降低了成本，为其得 到广泛的应用奠定了坚实的基础。 在国外，直流无刷电动机已经得到了较为充分的发展。目前在工业先进的国 家( i m 美国、英国、日本、德国、法国等) ，在其工业自动化领域中已经实现了 以直流无刷电动机代替有刷电动机的转换。直流无刷电动机还在其它领域得到了 很广泛的应用，如办公自动化领域、视听领域、汽车和电动车辆中的应用、现代 家用电器中的应用等。而且随着人们对环境问题和能源问题的日益关注，直流无 刷电动机在电动汽车中的应用更是成为近年来研究的热点，如美国福特汽车公司 率先把直流无刷电机应用于电动汽车，并于9 0 年代初推出了第三代电动轿车；日 本四国电力株式会社设计的电动小客车p i v o t 由四个单机为6 8 k w 的直流无刷电 动机驱动。针对家用电器( 空调、洗衣机) 、电动车的使用，需要较高的转速和 高转矩的要求，日本h o n d a 公司开发了一种车用直流无刷电动机，其转子是用非 导磁的不锈钢将稀土永磁材料卷嵌入转子迭片中，具有坚固可靠、输出力矩大和 效率高( 超过8 5 ) 的特点 直流无刷电动机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而 特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，直流无刷电动机虽然不能直接改变磁 通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。同时由于 稀土永磁材料的矫顽力高剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小 转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的 伺服驱动系统中，如数控机床机器人等应用中，直流无刷电动机比交流伺服电 机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前直流无刷电机应用范围已遍及国民 经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器，电动汽车，航空航天等领域 已得到大量应用。一 1 2 2 永磁直流无刷电动机的研究动向 7 随着永磁材料性能的不断完善，特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性的进一 步发展和改进，加上电力电子器件的大容量、高性能化，功率变换技术和传动控 制技术的确立，以及用于控制的电子设备的高速、低价格化，使得直流无刷电动 机系统控制技术取得了飞跃发展，在扩大应用领域和提高性能等方面都取得了长 足的进步。其动向主要有以下几点嘲； ( 1 ) 无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为 脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰 能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机 外设都要求直流无刷电动机以无位置传感器方式运行。 无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用 电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置，目前比较成熟的无转子位置传感器 运行控制方法有： 反电动势法包括直接反电动势法间接反电动势法以及派生出来的反 电动势积分法等。 定子三次谐波检测法。 续流二极管电流通路检测法。 但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善中 ( 2 ) 转矩脉动控制。存在转矩脉动是直流无刷电动机的固有缺点，特别是随 着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是 提高直流无刷电动机性能的重要方面。 ( 3 ) 智能控制。随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个 新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、 模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把 一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地 应用到许多方面。随着直流无刷电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更 广泛的重视。 1 3 永磁直流无刷电动机的分类、控制方法及其特点 1 3 1永磁直流无刷电动机的分类 由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永 磁电动机，他既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。 对于永磁同步电动机而言，由于转子结构和永磁体几何形状的不同，转子激 窨 磁磁场在空间的分布有正弦波和梯形波之分，因而在定子绕组中产生的反电势也 有两种波形：正弦波和梯形波。这两种永磁同步电动机在原理、模型和控制方法 上均有所不同蜘。通常将反电势为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步电动机称为 b r u s h l e s sd cm o t o r ( 乩d c m ) ，而将反电势和电枢电流均为正弦波的永磁同步电 动机p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m 涮) 。 从结构上看，方波电动机和正弦波电动机没有太大差别，但由于他们的运行 原理不同，使他们在转矩产生的方式、控制方法、出力方面均有很大差异。 ( 1 ) 方波气隙磁场可以分解为基波和一系列谐波，可见方波电动机的电磁转 矩由基波和谐波同时产生。在同样体积的条件下，直流无刷电动机比正弦波永磁 同步电动机的出力大约增加1 5 。 ( 2 ) 从理论上讲，直流无刷电动机气隙磁场的极弧宽度为1 8 0 。电角度时，脉 动转矩为零，输出转矩最大但由于实际电动机的极弧宽度不可能做到1 8 0 。电角 度，因而直流无刷电动机不可能完全消除转矩脉动。而正弦波永磁同步电动机只 要保证各相量均为正弦波，就可以消除转矩脉动。 ( 3 ) 方波气隙磁场的产生比较简单，而正弦波气隙磁场对磁路设计和加工工 艺要求严格。 ( 4 ) 直流无刷电动机通常采用整距集中绕组，以产生梯形波反电动势。而永 磁同步电动机为了产生正弦波反电动势，需要采用短距分布绕组或分数槽绕组， 工艺性复杂 ( 5 ) 直流无刷电动机的控制方法简单，控制器成本较低，永磁同步电动机通 常采用矢量控制方法，控制算法复杂，控制器成本高。 ( 6 ) 直流无刷电动机转子位置传感器结构简单、成本低，而永磁同步电动机 必须使用高分辨率的转子位置传感器。 ( 7 ) 直流无刷电动机的定子磁场是跳变的，而永磁同步电动机的定子磁场是 连续旋转的。 直流无刷电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已经达到低速转矩 脉动小于3 、调速比大于l ：1 0 0 0 0 的水平。又由于其架构简单、易于维护、体积 小等优点，本课题人工心脏选用方波用此直流无刷电动机，文中所提直流无刷电 动机均指方波型永磁直流无刷电动机。 1 3 2永磁直流无刷电动机的控制方法 目前，b l d c m 的控制有带位置传感器、无位置传感器以及智能控制三种。 一、带位置传感器控制 9 韭塞交 迢太堂硒堂僮 j 盆 塞绮监 带位置传感器控制是在直流无刷电动机定子上安装位置传感器，通过它来检 测转子位置而控制定子绕组换向。所用的位置传感器常为电磁式( 磁阻旋转变压 器) ，光电式( 如遮光板) 、磁敏式( 如霍尔传感器) 等，其中霍尔传感器使用 最为广泛。 二、无位置传感器控制 无位置传感器的直流无刷电动机控制法，是指不直接在直流无刷电动机的定 子上安装位置传感器来检测转子位置，而是采用间接检测电机的电压、电流等变量 来控制电机运行。常用的有反电势检测法、定子三次谐波法、电流通路监视法、 涡流效应法、相电感法等方法。 三、智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、 专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型 不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，b l d c m 是一个 多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用智能控制可以取得较满意的控制结果。 目前，已有许多较为成熟的智能控制方法应用子直流无刷电动机控制。例如：模 糊控制和p i i ) 控制相结合的f u z z y p i d 控制、模糊控制和神经网络相结合的复合 控制、隶属度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等。 1 3 3 永磁直流无刷电动机的特点 与感应电动机相比，直流无刷电动机具有更大的功率密度、更高的效率和更 好的控制性能，主要表现在l 碉： ( 1 ) 采用高性能永磁材料，使得转子体积得以减小，具有较低的转动惯量、 更快的响应速度、更高的转矩惯量比。 ( 2 ) 没有转子损耗，也无需定子电流励磁分量，所以具有较高的效率和功率 密度。对于同等容量的输出，感应电机需要更大功率的整流器和逆变器。 ( 3 ) 没有转子发热，也无需考虑转子冷却问题。 ( 4 ) 由于感应电机的非线性本质，控制系统极为复杂。p m s m 把交流电动机复 杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而b l i ) c m 则进一步将其简化为离散 六状态的转子位置控制，也无需坐标变换。 与p m s m 相比，b l d c t 也具有明显的优势： ( 王) b l i ) c m 采用方波电流供电，可以提供更高的转矩体积比，相同条件下输 出转矩大1 5 。 ( 2 ) 在电动机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比正弦波的 1 0 简单的多，因此b l d c m 结构简单，制造成本低。 ( 3 ) 对于p m s m ，定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置 传感器，结构复杂，价格昂贵。 ( 4 ) 产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单， 控制也简单的多，因此b l d c m 控制简单，控制器成本低 由于采用电力电子器件代替机械换向器，b l d c m 克服了有刷直流电动机的致命 缺点，特点如下： ( 1 ) 可靠性高，寿命长。他的工作期限主要取决与轴承及其润滑系统。高性 能的b l b c m 工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短。 ( 2 ) 不必经常进行维护和修理 ( 3 ) 无电气接触火花、无线电干扰少 ( 4 ) 可工作于高真空、不良介质环境。 ( 5 ) 可在高转速下工作，专门设计的高速b l d c mt 作转速可达1 0 万转分钟。 ( 6 ) 机械噪声低 ( 7 ) 发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，易于得到更高 的功率密度。 ( 8 ) 必须与一定的电子换向线路配套使用，虽使总体成本增加，但从控制角 度看，有更大的使用灵活性。 综合比较之后，发现永磁直流无刷电机不仅效率高、发热小、而且可以异性 化、微型化，同时其控制相对简单，运行也比较平稳，鉴于本课题人工心脏轴流 式血泵的特殊应用，该系统选用直流无刷电机作为驱动电机 1 4 本章小结 本章从介绍国际上人工心脏的发展过程着手，引出本课题所要研究的人工心 脏装置：移植的过渡循环辅助功能、泵一机一体化设计，并对所用的永磁直流无刷 电动机做了简单介绍。由于该电动机的应用的是本课题研究的重点，所以又通过 和感应电机、正弦波永磁直流无刷电动机以及有刷直流电动机之间的综合比较分 析，得出该电动机的优势，为人工心脏装置采用直流无昂l j 电动杌作为驱动电机提 供了理论依据。 2 基于方波控制的b l d c m 系统工作原理 2 ib l d c m 的工作原理 永磁直流无刷电动机是随着电力电子技术、稀土永磁材料、微处理控制技术 而发展起来的机电一体化的产物。其结构框图如图2 1 所示。它主要由电机本体、 位置传感器、电子换向器三部分组成。 图2 - i 永磁直流无刷电机及控制系统结构框图 f i 昌2 if r a m eb l d c m n 舡d ls y s 咖 电动机本体是由多相( 三相、四相、五相等) 电枢绕组定子和一定极对数( 一 对极、二对极、三对极等) 的永磁体转子组成。各相电枢绕组分别与电子换向线 路中相应的功率开关元件相连接。功率开关元件在电子换向器的控制下，根据转 子位置传感器检测出来的转子位置，按照一定的规律导通或截止。这样，电枢绕 组中的电流随着转子位置的变化而按一定次序换流，并在定予内腔产生了跳跃式 的旋转磁场，使永磁体转子跟着旋转起来 以电枢绕组为三相星形连接为例。六只功率开关管t 1 ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t 5 ，t 6 构成功率逆变器，转子在空间每转过6 0 0 电角度，电枢绕组就进行一次换流，定子 合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相 导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转1 2 0 。电角度。这种直流无刷电动机的 工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是直流无刷电动机最常用的一种工作 方式。 由于定子合成磁势每隔l 6 周期( 6 0 。电角度) 跳跃前进一步，在此过程中， 转子磁极上的永磁磁势是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等， 保持“同步”，但是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻变化的， 所以，他们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。 韭塞窑适右堂甄堂焦迨室基王友越撞剑殴旦l 旦m 丕蕴至焦厦堡 2 2 永磁b l d c m 的数学模型和调速原理 2 2 1永磁b l d c m 的数学模型 眺珊阵兰蝌圈 协， 由于三相定子绕组对称，为星形联结，故有屯+ + t = 0 ，将i , + i b = - i o ， i , + i o = 一i | ，f 4 + = 屯代入( 2 - 1 ) 整理得： 医 = i ；珏i + j _ 肘上己 丢 习+ 兰 c 2 2 ， 1 4 图2 - 2 永磁直流无刷电机的等效电路 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f p mb l d c m 2 2 2永磁b l d c m 的调速原理 假设不考虑开关器件动作的过渡过程， 动机的电压方程可简化为： 孤一2 u r = e + 2 r h 并忽略电枢绕组的电感，直流无刷电 式中：u s 、厶含义分别为直流侧电压和电枢电流， 为线电动势，即电机的反电动势。 ( 2 3 ) 昕是开关管的管压降，占 珂亍二彳甘六状态且、侃尢删电明移l ，仕蒽町别郡葡网利绕组导趣，放电机的反 电势为： 且：2 风：2 。p 。w , 矾：巴中矾 ( 2 4 ) i ) c h 式中；c f 是电机的电动势常数，g = 智署 电枢绕组的电流为： 厶：u s - ：2 u r - e ( 2 - 5 ) 2 ， 在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产 生，则： t a ：2 e m , ：嬖：业m 正：也 ( 2 6 ) qq黝 式中：c r = 业7 t 翦为电机的转矩常数，q = 三6 竺0 为转子的机械角速度。 电机的转速为： 万；堡垒生丝( ，m 神 ( 2 7 ) c , q ) s 7 空载转速为： 一u s 嘶- 2 u r2 裟以s 伪嚣m 2 j2 瓦纠j 面 1 5 岱 电动势系数为： & ：墨：c 西栌2 ，p 。w 9 中5 ( 矿m i l l r ) n1 5 伪 转矩系数为： k r ：拿：c 渤：4 p w o j ( n m a ) 转子运动方程为： m a t = ( 乃一瓦) j 乃一霉= 筹等 式中；6 d 2 - - 电动机转予飞轮力矩( m 2 ) ， 整理( 2 - 2 ) 并进行拉氏变换得； 。o ) 一g ( s ) = j 也( d + r 正厶p ) j 于是得到电压一电流传递函数： 生盟：型生 o ) 一e ( s ) 1 + 7 1 s ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 6 d * = 4 j ( 堙m 2 ) z o d l ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 将式( 2 4 ) 和式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 1 2 ) 并进行拉氏变换得： ) 一k d ) = 鲁螂) ( 2 - 1 5 ) 于是得到电流一电动势传递函数为：