轴流式血泵外磁场驱动及其控制系统研究

论文摘要

血泵辅助循环是挽救晚期心衰病人的重要手段，目前大多数血泵仍存在一些技术问题，如血泵系统的能量传递方式、穿皮导线和血泵的控制等，制约血泵的临床应用，影响受体的生活质量。血泵的驱动和控制系统是血泵的重要组成部分，又是解决上述问题的关键。外磁场驱动轴流式血泵，由于其利用磁场作为血泵的穿皮能量传递方式，避免了穿皮导线引起受体的术后感染，具有重要的理论研究价值和实际应用价值。本文以外磁场驱动轴流式血泵为研究对象，心室功作为血泵输出的控制目标，通过理论分析、设计、建模、仿真和实验研究，建立完整的外磁场驱动轴流式血泵的驱动系统和基于生理机制的控制系统。论文的研究内容如下。针对血泵存在穿皮导线和控制策略方面的问题，基于非接触穿皮能量传递的驱动方式和多生理信号控制的血泵控制策略，设计血泵血泵的驱动系统和控制系统，提出外磁场驱动轴流式血泵的驱动系统和基于生理机制的控制系统方案。建立血泵磁力驱动系统模型，研究不同角度、距离、极对数对磁力驱动的磁力线分布和磁力矩的影响规律，提出磁力驱动性能最佳的参数匹配原则。研究磁力驱动性能，提出解决(或避免)磁力驱动系统堵转问题的措施。设计电磁执行器(EMA)，建立EMA的等效电路和EMA动态性能分析结构图，研究EMA的起动特性，提出实现EMA软起动的方法。设计双闭环PI调节的控制系统，建立电流调节器、转速调节器、PWM控制器的结构模型、软测量模型以及EMA与血泵之间的控制模型。设计了DSP系统的硬件配置、软件结构，开发了基于DSP的血泵控制系统，实现基于生理机制控制血泵，并且系统中无硬件传感器的设计思想。提出基于心室功的血泵控制策略。根据Windkessl模拟体循环模型，建立了升主动脉处包含血液动力学参数的压力和流量方程。以常态和病态的生理参数为变量，采用单因素法对控制目标模型进行仿真计算，研究血液动力学参数对血泵输出的影响规律；结合临床表现，提出控制目标模型的修正准则。建立血泵控制系统性能仿真的模型，对EMA的动态性能和控制性能进行仿真。设计并制造了验证血泵驱动性能和EMA控制性能的实验系统，实验研究血泵的驱动系统性能和控制系统性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 机械辅助循环的发展经历
• 1.2 机械辅助循环的分类和特点
• 1.2.1 机械辅助循环的概念
• 1.2.2 MCS分类及特点
• 1.2.3 典型血泵结构及工作原理
• 1.2.4 血泵的驱动系统
• 1.3 心脏泵功能的调节机制
• 1.3.1 搏出量的影响因素
• 1.3.2 心率对心输出量的影响
• 1.3.3 心脏泵功能的贮备
• 1.3.4 心室功评价心脏泵功能的生理意义
• 1.4 心室压力─容积环的本质
• 1.5 血泵的控制策略
• 1.5.1 基于生理机制的控制策略
• 1.5.2 基于血泵电机参数的控制策略
• 1.5.3 血泵输出的脉动流和非脉动流
• 1.6 血泵的发展趋势
• 1.7 研究内容及意义
• 1.7.1 目的及意义
• 1.7.2 研究内容及主要工作
• 第二章 EMFD轴流式血泵系统总体方案设计
• 2.1 EMFD血泵的结构设计
• 2.1.1 EMFD轴流式血泵的主要组成
• 2.1.2 EMFD轴流式血泵的工作原理
• 2.1.3 EMFD轴流式血泵的主要特点
• 2.2 EMFD轴流式血泵驱动系统方案设计
• 2.2.1 外磁场耦合驱动原理
• 2.2.2 交变耦合磁场的产生方法
• 2.2.3 血泵的动力驱动方式设计
• 2.3 EMFD轴流式血泵控制系统方案设计
• 2.3.1 一般轴流式血泵的控制系统
• 2.3.2 基于心室功的EMFD轴流式血泵的控制系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 血泵的外磁场驱动系统研究
• 3.1 外磁场耦合驱动系统的磁场分析
• 3.1.1 磁场物理模型
• 3.1.2 磁场的计算模型
• 3.1.3 磁场的有限元分析
• 3.2 外磁场耦合力矩的分析计算
• 3.2.1 磁力矩计算模型
• 3.2.2 磁矩角特性计算
• 3.3 外磁场耦合驱动系统的运转特性研究
• 3.3.1 起动特性
• 3.3.2 堵转特性
• 3.4 EMA的结构设计
• 3.4.1 EMA的基本构成
• 3.4.2 EMA的工作原理
• 3.5 EMA的基本特性研究
• 3.5.1 EMA的数学模型
• 3.5.2 EMA的电磁转矩
• 3.5.3 EMA的动态模型
• 3.6 EMA的起动特性研究
• 3.6.1 EMA起动过程中的电磁转矩
• 3.6.2 EMA牵入同步过程
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于DSP的血泵控制系统研究
• 4.1 血泵控制系统模型的建立
• 4.1.1 电流调节器模型
• 4.1.2 转速调节器模型
• 4.1.3 PWM控制器模型
• 4.2 软测量模型
• 4.2.1 无位置传感器模型
• 4.2.2 基于Kalman滤波器检测EMA的相电流
• 4.2.3 EMA的转速检测模型
• 4.3 EMA的软起动方法
• 4.4 基于DSP的血泵控制系统的实现
• 4.4.1 TMS320F240的结构与特点
• 4.4.2 DSP系统硬件
• 4.4.3 DSP系统软件结构
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于生理机制的血泵控制策略研究
• 5.1 临床评价心脏泵功能的指标
• 5.1.1 心输出量
• 5.1.2 射血分数
• 5.1.3 心脏做功量
• 5.2 体循环系统的模拟电路模型
• 5.2.1 主要血液动力学参数
• 5.2.2 Windkessel模型
• 5.2.3 心脏输出功率的选择原则
• 5.3 基于心室功的血泵的控制目标模型
• 5.3.1 心室功的构成
• 5.3.2 左心室与体动脉耦合的压力和流量模型
• 5.3.3 控制血泵输出的目标方程的建立
• 5.4 EMA与血泵之间的控制模型
• 5.5 心室功控制策略与其他控制策略的比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 EMFD轴流式血泵系统仿真与实验
• 6.1 控制目标模型的仿真研究
• 6.1.1 控制目标模型仿真的生理依据
• 6.1.2 心输出参数计算
• 6.1.3 面向个体的心室功模型的修正准则
• 6.2 磁力驱动系统主要参数对磁力矩的影响
• 6.2.1 两永磁体之间的距离
• 6.2.2 磁极对数（传动比）
• 6.3 血泵控制系统性能仿真
• 6.3.1 动态结构图仿真
• 6.3.2 Power System模块仿真
• 6.4 血泵驱动系统和控制系统性能实验
• 6.4.1 EMA特性实验
• 6.4.2 控制系统性能实验
• 6.4.3 外磁场驱动系统性能实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与今后工作
• 7.1 全文总结及创新点
• 7.2 今后工作和需要解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 负责和参与研究的项目
• 发表的论文