轴流式血泵系统的设计研究

论文摘要

永磁直流无刷电动机（BLDCM）由于其优良特性而在工业场合得到了广泛应用,本论文将要阐述的是BLDCM在医学领域的拓展—人工心脏上的应用。基于当前人工心脏的研究成果,本文对该课题心脏血泵的驱动电机进行了设计和制作,并对基于DSP的无位置传感器控制系统进行了研究,以期在实现心脏泵血功能的基础上,进一步接近系统的小型化和轻型化目标。论文首先综述了人工心脏的发展状况,介绍了本课题所要研究的人工心脏装置概况:心脏移植的过渡循环辅助功能、泵-机一体化设计,阐明了选用BLDCM作为驱动电机的理论依据。然后在了解了电机的工作原理和数学模型的基础上,重点阐述了端电压检测反电势过零点的无位置传感器控制方法。本文对泵-机一体化的驱动电机进行了详细的设计。本文首次提出采用三齿槽定子设计方式,这种新型定子结构的设计和应用是本论文的创新点,本文对其可行性做了验证。本文设计了一种直流无刷电机无位置传感器控制系统。在该系统的硬件设计中,首先论述了系统的整体结构:功率主电路和控制电路两大部分,同时设计了信号采集电路（三相端电压和主电路电流）及保护电路,整个硬件系统结构紧凑、工作可靠;在系统的软件设计中,首先确定了MOSFET的斩波方式,然后给出了DSP控制系统的主程序和重要的中断子程序的程序流程图,依据经典控制理论,从内环到外环对系统电流环和速度环进行了设计,实现了系统的全数字控制,并用NATLAB做了仿真,给出了阶跃响应波形。根据设计制作的样机及其驱动控制系统进行了电机运行实验,取得了相关数据和波形。结果证明本文所提出的设计和控制方案是可行的,可以为今后人工心脏的进一步研究提供参考。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 人工心脏的发展背景、现状及趋势
• 1.1.2 本课题研究的人工心脏装置的简单介绍
• 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
• 1.2.2 永磁直流无刷电动机的研究动向
• 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
• 1.3.2 永磁直流无刷电动机的控制方法
• 1.3.3 永磁直流无刷电动机的特点
• 1.4 本章小结
• 2 基于方波控制的BLDCM系统工作原理
• 2.1 BLDCM的工作原理
• 2.2 永磁BLDCM的数学模型和调速原理
• 2.2.1 永磁BLDCM的数学模型
• 2.2.2 永磁BLDCM的调速原理
• 2.3 永磁BLDCM的运行特性
• 2.3.1 机械特性
• 2.3.2 调节特性
• 2.3.3 工作特性
• 2.4 永磁BLDCM无位置传感器控制的工作原理
• 2.4.1 常用的无位置传感器位置检测方法
• 2.4.2 利用反电势检测转子位置
• 2.5 本章小结
• 3 直流无刷电动机的设计
• 3.1 概述
• 3.1.1 电机额定值
• 3.1.2 电机结构
• 3.2 主要尺寸与电磁负荷的关系
• 3.2.1 电磁负荷
• 3.2.2 主要尺寸与电磁负荷的关系
• 3.3 主要参数的确定
• a的确定'>3.3.1 定子铁心内径D_a的确定
• 3.3.2 电磁负荷的确定
• H的确定'>3.3.3 转子磁钢计算长度L_H的确定
• 3.3.4 转子长度与直径的比值
• 3.3.5 齿槽数与定子绕组导线截面的选择
• 3.4 电机设计中应考虑的问题
• 3.5 基于MATLAB的软件设计及主要数据
• 3.6 本章小结
• 4 基于DSP的永磁BLDCM无位置传感器控制系统硬件设计
• 4.1 控制系统总体硬件设计
• 4.2 功率逆变电路的设计
• 4.2.1 场效应管的选择
• 4.2.2 功率开关器件的运行保护
• 4.2.3 瞬态电压抑制器的选取
• 4.3 驱动电路
• 4.3.1 驱动器件的选择
• 4.3.2 1R2130的特点及工作原理
• 4.3.3 1R2130的驱动控制电路
• 4.4 检测电路
• 4.4.1 反电势检测电路
• 4.4.2 电流检测电路
• 4.5 TMS320LF2407A控制器设计
• 4.5.1 TMS320LF2407A的介绍
• 4.5.2 TMS320LF2407A外围接口电路设计
• 4.6 本章小结
• 5 控制系统软件设计与实现
• 5.1 开关管的控制方式
• 5.2 控制系统软件的总体结构设计
• 5.3 系统软件实现
• 5.3.1 被控对象的结构和传递函数
• 5.3.2 电流环的数字化设计
• 5.3.3 速度环的数字化设计
• 5.4 本章小结
• 6 实验装置及结果分析
• 6.1 实验装置
• 6.2 实验波形及分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 作者简历