微型轴流式血泵外磁驱动电路设计-

1、微型轴流式血泵外磁驱动电路设计陈建伟谭建平龚忠良云忠(中南大学机电工程学院湖南长沙 410083摘要:微型轴流式血泵是目前人工心脏结构研究的热点,外磁驱动是一种新型的血泵驱动方式。本文介绍了血泵外磁驱动电路的设计。该电路能够产生双向励磁电流,直接驱动电机,实现血泵的外磁驱动。电路简单、实用,稳定性较好。关键词:轴流式血泵磁场双向电流 功率放大器分类号:TN709Design of Outside Magnetic driving Circuit ofAxial Flow Blood PumpChen Jianwei Tan Jianping Gong Zhongliang Yun Zhong(

2、Central South University, College of Mechanical & Electrical Engineering,Changsha, Hunan 410083Abstract: Minisize axial flow blood pump is the focus on the structure study of artificial heart recently. Being driven via outside magnetic field is a new driving method on blood pump. In the article,

3、 the design of outside magnetic driving circuit of blood pump is introduced. The circuit can create bi-directional current, which can directly drive the motor. Therefore to be driven via outside magnetic field is realized. The circuit is simple, practical and stable.Key words: axial flow blood pump,

4、 magnetic field, Bi-directional Current, power amplifier在人工心脏研究过程中,血泵驱动能源的提供方式是人工心脏研究的关键问题之一12。采用体外旋转磁场作为驱动能源,通过体外旋转永磁体的旋转带动体内永磁体的转动,从而实现非接触式磁场驱动,相比常规的能量传递方式,非接触式磁场驱动技术,没有任何经皮导线,避免了内外贯通,大大降低了感染的机会,极大地提高了病人的生活质量。本文对这种驱动方式的外磁驱动电路进行了设计研究。一 磁场驱动轴流式血泵工作原理及交变磁场的产生方法1、磁场驱动轴流式血泵工作原理植入式血泵的驱动采用外磁场驱动,主要原理是:利 用

5、体外的旋转磁场,驱动血泵内的永磁体(血泵叶轮部分转动,从而达到无接触无连接驱动。外磁场驱动轴流式血泵系统吸取并融合了机械心脏瓣膜和“轴流式”血泵的结构特点,确定了动脉腔内的“叶轮-永磁转子体”结构设计及植入方法,大大简化了植入部分的结构。血泵系统腔内部分的工作原理采用了与轴流泵叶轮相同的机制,而驱动力的产生则通过体外可控交变磁场穿透人体和主动脉壁驱动动脉腔内的“叶轮-永磁转子体”,从而实现非接触式动力传递,避免了密封,渗漏以及人体排异性等一系列传统泵结构难以克服的工程和医学上的困难。产生交变驱动磁场的“定 子”置于体外,通过传感器采集相应的人体自身信号和周围环境信号,在驱动控制装置控制下,基金

6、项目:国家自然基金(编号:E050105湖南自然科学基金(编号:02JJY2080通过适当的交变磁场向体内传递能量,血泵内的永磁转子将其转化为机械能传递给涡轮的叶轮。在驱动力的持续带动下,血泵可不断将血液由左心室腔提升到主动脉腔,达到心脏辅助的目的。工作原理示意图如图1所示。2、交变磁场的产生方法交变磁场的产生采用励磁线圈驱动法,它是利用电机的工作原理,将径向充磁的永磁转子作为电机的转子,在永磁体外按90度方向缠绕两组线圈,通过可变频脉冲电路分时驱动不 同的线圈组,达到驱动永磁转子转动的目的。系统工作原理图如图2所示。 图2励磁线圈驱动原理及励磁线圈输入脉冲时序图二 驱动电路设计1、原理图血泵

7、驱动电路包括占空比为50%的方波形成电路、双向励磁电流驱动电路以及双向励磁电流功放输出电路等,见图3所示。 图3 血泵驱动电路原理示意图2、方波形成电路3方波形成电路由555振荡器来产生。图4是由555构成的多谐振荡器产生方波脉冲的电路图。根据公式q=R1/(R1+R2和T=(R1+R2Cln2,取R1=R2,C=10µF,可得占空比为50%,周期按设计要求调节的方波脉冲。 图4 555构成方波脉冲电路图3、双向励磁电流电路在血泵驱动电路中,选用单电源的供电方式,避免了在实际应用中采用多电源所带来的不便,并尽可能地简化驱动电路的设计。占空比50%的方波经过4013触发器分频,实现两组

8、线圈作用时间的均匀分配,双向励磁电流驱动电路是血泵驱动系统的关键部分,它将一路方波电压变成具有差分功能的两路控制电压,这两路控制电压就是产生双向励磁电流的驱动电压,图5给出了双向励磁电流驱动部分的电路原理图以及、点的电压波形。 图5(a 双向励磁电流驱动 图5(b 、点电压 电路原理图 波形图图5(a中,设置了一个电阻和电容组成的延时积分电路,这样做的是为了防止、输出端输出的电压波形中出现毛刺。将图5(b中的、两点的电压波形同时加在两个具有倒相功能的电流功放中去进行V/I变换,就可以在绕阻线圈中得到图2所示的双向励磁电流。4、功率放大电路41原理图:功率放大器电路原理图如图6所示。 图6 功率

9、放大器电路原理图2电路的基本构成此放大电路由LF347和OPA552及电阻组成。其中LF347与R1,R2,R3,R4,R5构成差动输入减法运算放大器,其放大倍数K1=R2/R1;U o=-2(U1-U2。OPA552与R6,R7,R8,RW1构成功率放大电路,其放大倍数K2可调,K2=(R7+RW1/R6。最终功率放大电路总的放大倍数K=K1*K2,则放大器输出电压的表达式:U out=K*(U1-U2其中:放大增益为K,此U out电压即是加在电动机两端的电枢电压。3 功率放大电路的工作原理由关系式:U out=K* U o =K*(U1-U2可以看出,当U o为正值时,此时电机为正转,当

10、U o为负值时,电机为反转。LF347和OPA552分别由+12V,-12V 和+24V,-24V电源供电。三实验1、实验装置:为检验交变磁场产生方法和驱动电路的可行性,制作了驱动磁场发生装置,并对其进行了实验测试。实验系统框图如图7所示。 图7 外磁驱动实验系统框图转子由高强度磁能极稀土永磁材料制成,一对磁极,磁场方向为径向,直径25mm,高度45mm,支架采用非导磁材料做成,电源采用直流30V可调。2、实验结果:当输出电压为12V,电流为500mA时,电机开始转动。通过光电测速仪测量,测得电机的转速可达到1000转/分。通过调节可调电阻,可以达到调节电机转速的目的。电机经过2小时的运转,驱

11、动电路未发生发热、烧损现象。四、结论1本研究实验表明,采用励磁线圈驱动法来产生交变磁场是可能的。相比传统的电机驱动,这种方法有着独到的优越性,通过长时间的运转,外磁驱动系统温升很小,避免了传统方法中因为温升大而引起的电机损坏。2由于本文所设计的驱动电路能够产生双向励磁电流,从而减少了电机换向的麻烦,简化了电路,提高了电机的驱动效率;同时,通过调节可调电阻可以改变输出脉冲的频率,从而可以达到调节电机转速的目的,整个过程较容易实现。参考文献1Li G R, Ma W G, Zhu X D, et al. Preliminary study on an introaortic pump driven

12、 by a distant rotary magnetJ. ASAIO Journal,2000,46:1512金玥.人工心脏瓣膜的最新进展J.中国医疗器械信息,1997,3(1:11-143阎石数字电子技术基础北京:高等教育出版社,1989,348-3554谭建成电机控制专用集成电路北京:机械工业出版社,1997,373-379作者简介:陈建伟(1979,9-:性别:男;民族:瑶;籍贯:湖南永州;湖南省长沙市中南大学机电工程学院硕士研究生,助理工程师;专业:机械电子电子工程;主要研究方向:微机械系统及机电液控制 联系地址:湖南省长沙市中南大学(校本部机电工程学院(410083Email:chenjia