植入式左心辅助泵控制系统开发

论文摘要

心脏病已成为威胁人类生命与长寿的主要疾病,植入式左心辅助装置作为治疗心脏病的一个主要手段,是挽救晚期心力衰竭病人的主要有效方法,已经受到国内外医学界的普遍重视。本文在论述了人工心脏的发展背景、研究现状的基础上,阐明了课题的研究意义,简要介绍了植入式左心辅助泵的性能要求和结构设计,选用无位置传感器无刷直流电机的驱动控制系统作为血泵的控制方法。研究了无刷直流电机转子的位置检测方法、起动控制方法以及速度控制策略,根据相关的控制算法设计了相应的硬件电路和控制软件,硬件电路主要包括:电源电路、驱动电路、反电动势过零点检测电路以及保护电路。控制软件主要包括:主程序的设计和子程序的设计,主程序主要对各个功能模块初始化以及实现电机的起停控制。子程序主要包括A/D采样中断子程序、换相中断子程序和PID控制器的设计。设计了定子线圈的制作模型,可以使所有定子线圈在设计的过程都采用同一个模型,从而确保了定子线圈在形状上的一致性,同时定子线圈的大小以及定子与转子之间的距离都会对反电动势产生较大影响,通过反复的电机调试,确定了定子线圈的最佳安装位置,从而在血泵泵体的设计上保证了系统控制的准确性和稳定性。针对电机在运行过程中存在发热现象,从软件上对反电势过零点检测算法、换相算法以及电机起动曲线进行优化,并通过Matlab仿真和大量的电机调试实验,从而最终较好的解决了电机的温升问题。为了更精确的实现对电机转速的控制,系统采用电流环与速度环的双闭环控制系统,提出电流PID分时段调节、速度PID持续调节的控制思想,建立了双闭环控制系统的数学模型,同时在双闭环控制系统的基础上加入了抗积分饱和环节,最终实现了电机的稳定控制。最后,对左心辅助装置控制系统进行了性能测试,结果表明,改进后的控制系统,能够较好的满足左心室辅助装置控制精度高、运行稳定性好、负载能力强、抗干扰性好以及发热量少的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 人工心脏的研究背景和现状
• 1.2 人工心脏的研究趋势和意义
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 人工心脏的工作原理及数学模型
• 2.1 人工心脏的性能要求与结构设计
• 2.1.1 人工心脏的性能要求
• 2.1.2 人工心脏的结构设计
• 2.2 血泵的工作原理与数学模型
• 2.2.1 血泵的工作原理
• 2.2.2 BLDCM 数学模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 血泵转子位置检测与起动方法设计
• 3.1 血泵反电动势过零点检测原理
• 3.2 硬件实现血泵反电势过零点的检测
• 3.2.1 直接反电势法
• 3.3 软件实现血泵反电势过零点的检测
• 3.3.1 相电压法
• 3.3.2 端电压法
• 3.4 血泵起动技术研究与设计
• 3.4.1 预定位起动技术
• 3.4.2 三段式起动技术
• 3.5 本章小结
• 第四章 人工心脏控制系统硬件电路设计
• 4.1 控制系统硬件总体结构
• 4.2 控制电路和驱动电路电源设计
• 4.2.1 控制电源电路设计
• 4.2.2 驱动电源电路设计
• 4.3 控制器与功率器件的选择
• 4.4 功率驱动电路设计
• 4.5 保护电路设计
• 4.6 系统抗电磁干扰措施
• 4.6.1 血泵控制系统的电磁干扰问题
• 4.6.2 抗电磁干扰设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 血泵温升问题的产生及其解决方案
• 5.1 电机加速起动曲线的优化方法
• 5.2 反电势过零点检测与换相算法的优化
• 5.2.1 反电势过零点检测方法优化
• 5.2.2 换相算法的优化
• 5.3 PID 控制器原理
• 5.4 双闭环控制系统模型建立
• 5.4.1 双闭环直流调速原理
• 5.4.2 电流环模型设计
• 5.4.3 速度环模型设计
• 5.4.4 电机转速检测
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统软件设计
• 6.1 主程序设计
• 6.2 中断服务子程序的设计
• 6.2.1 ADC 采样中断程序设计
• 6.2.2 换相中断子程序设计
• 6.3 电机PID 控制程序设计
• 6.4 上位机软件设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 实验结果与分析
• 7.1 驱动线圈设计
• 7.2 相电流波形分析
• 7.3 端电压波形分析
• 7.4 PID 控制结果分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究工作总结
• 8.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录