CN102255584A - 用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工辅助心脏系统电机控制器，具体公开一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其中，它包括电源电路、驱动电路、逆变电路、保护电路和主控单元，电源电路分别与驱动电路、保护电路、主控单元连通，主控单元还分别与驱动电路、逆变电路、保护电路连通，逆变电路还分别与驱动电路、保护电路连通；电源电路为主控单元、保护电路和驱动电路提供能源。本发明的控制器采用了无位置传感器电机控制方式，不需要安装机械式位置传感器检测电机转子位置信号，而只需间接通过检测电机的电压、电流等物理量来得到转子的位置信息，避免了有传感器电机控制的种种问题。

Description

用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器

技术领域

本发明涉及一种人工辅助心脏系统电机控制器，具体涉及一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器永磁轴承盘式无刷直流电机的控制器。

背景技术

人工辅助心脏泵采用电机、泵一体的结构，电机属于盘式无刷直流电机，此种电机的连续运转需要控制器根据电机转子位置实现精确换相，电机转子位置需要位置传感器测量得到，而常用的位置传感器不可避免地具有增大电机尺寸、增加引出线等弊端，从而加深了患者的痛苦，并且降低了人工辅助心脏系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，该控制器采用了无位置传感器电机控制方式，不需要安装机械式位置传感器检测电机转子位置信号，而只需间接通过检测电机的电压、电流等物理量来得到转子的位置信息，避免了有传感器电机控制的种种问题。

实现本发明目的的技术方案：一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其中，它包括电源电路、驱动电路、逆变电路、保护电路和主控单元，电源电路分别与驱动电路、保护电路、主控单元连通，主控单元还分别与驱动电路、逆变电路、保护电路连通，逆变电路还分别与驱动电路、保护电路连通；电源电路为主控单元、保护电路和驱动电路提供能源。

所述的驱动电路接收主控单元的PWM控制信号，经过信号放大后驱动逆变电路工作；逆变电路的工作电流、工作电压信号反馈到主控单元中，主控单元通过电流、电压信号以及主控单元中设定的人工辅助心脏电机转速值，生成PWM控制信号；同时逆变电路的工作电流、工作电压信号进入保护电路，由保护电路判断控制器的工作状态，一旦出现异常，保护电路输出保护信号给主控单元，主控单元将短时间关闭PWM输出以保护控制器。

所述的电源电路包括微型DC/DCI、微型DC/DCII和双路电压调整器，微型DC/DCI将24V直流电源变换为5V，为双路电压调整器提供稳定可靠的低电压输入；双路电压调整器将微型DC/DC I提供的5V直流电源变换为3.3V/1.8V双路电源，提供给主控单元和保护电路；微型DC/DCII将24V直流电源变换为12V，为驱动电路提供驱动信号放大的能源。

所述的主控单元包括控制芯片、通讯电路、显示电路、按键电路、报警电路、时钟电路和存储记录电路，控制芯片分别与驱动电路、逆变电路、保护电路、双路电压调整器、通讯电路、显示电路、按键电路、报警电路、时钟电路和存储记录电路连通，双路电压调整器还分别与通讯电路、显示电路、按键电路、报警电路、时钟电路、存储记录电路连通，微型DC/DCII与驱动电路连通。

所述的控制芯片从逆变电路中采集电压、电流，通过自身的数据处理功能计算出电机的转速，用户通过上位机实时检测人工辅助心脏泵电机运行状态，通讯电路是控制器与上位机之间的通讯接口，它将接收的上位机强电信号转换为控制芯片能够接收的弱电信号发送给控制芯片，并将控制芯片需要发送的的弱电信号转化为强电信号发送到上位机上；按键电路用于控制控制芯片内的信息，使其显示在显示电路上，控制芯片内的信息包括电压、电流以及电机的转速信息，同时按键电路将用户输入的电机的转速设定值传递给控制芯片，转速设定值通过控制芯片的判读后，有效的转速设定值将被执行，否则将通过报警电路发出警报，并在显示电路上提示无效。

所述的报警电路包括高强度发光二极管和蜂鸣器，在控制器工作异常和用户输入的转速设定值无效时，报警电路接收到控制芯片的报警指令会同时通过声、光效果提醒患者及其监护者注意，出现影响患者生命的严重异常时会长时间报警；时钟电路是高精度日历芯片，控制芯片从日历芯片中读取时钟数据，为用户提供精确的时钟显示，并为数据记录提供时基；存储记录电路将控制器的工作状态数据实时记录在存储器内，为医生和患者提供准确可靠的控制器运行数据。

所述的控制芯片为高性能数字信号处理器TMS320F2812，所述的通讯电路为RS232总线收发器，所述的显示电路采用OLED液晶显示屏，所述的按键电路采用可靠性高、寿命久的轻触按钮连接到控制芯片的通用I/O端，存储记录电路采用EEPROM芯片。

本发明的有益技术效果：本发明的控制器不使用机械式位置传感器检测电机转子位置信息，节约心脏泵本就十分受限的空间尺寸，并避免了位置传感器引出线穿过患者皮肤增加的患者痛苦，最大限度地减小感染几率。控制器本身采用集成度高、能耗低的元器件，并根据人体工程学设计了结构紧凑、适合移动携带的壳体，使患者获得行动上的最大自由，重新收获生活的乐趣。本发明除了用于人工辅助心脏泵的控制驱动外，还可用于其他要求高可靠、便携式的无位置传感器无刷直流电机控制。控制器由电源电路、驱动电路、逆变电路、保护电路和主控单元组成。电源电路将外部电池组的24V直流电源变换为稳定的二次电源，提供给主控单元、驱动电路和保护电路，并最大限度地降低电机运行中产生的电压波动对控制电路的不利影响；驱动电路将主控单元的电子换相信号放大，驱动逆变电路工作；逆变电路将直流24V电源调制为具有一定逻辑顺序的“交流”电源，驱动血泵的盘式电机运行；保护电路包括过流、欠压等多重保护模式，在控制器发生工作异常时保护其不被损坏；主控单元主要完成无位置传感器电机控制的位置估算、速度环、电流环控制、上位机通讯，以及人机用户界面的按键响应、液晶屏显示等功能。

附图说明

图1为本发明所提的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器的系统示意图；

图2为本发明所提的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器的结构示意图。

图中：1.电源电路，2.驱动电路，3.逆变电路，4.保护电路，5.主控单元，6.微型DC/DCI，7.微型DC/DCII，8.双路电压调整器，9.控制芯片，10.通讯电路，11.显示电路，12.按键电路，13.报警电路，14.时钟电路，15.存储记录电路，16.电机，17.上位机，18.电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，它包括电源电路1、驱动电路2、逆变电路3、保护电路4和主控单元5。电源电路1为主控单元5、保护电路4和驱动电路2提供稳定可靠的能源；驱动电路2接收主控单元5的PWM控制信号，经过信号放大后驱动逆变电路3工作；逆变电路3的工作电流、工作电压信号反馈到主控单元5中，主控单元5通过电流、电压信号以及主控单元5中设定的人工辅助心脏电机16转速值，生成PWM控制信号；同时逆变电路3的工作电流、工作电压信号进入保护电路4，由保护电路4判断控制器的工作状态，一旦出现异常，保护电路4输出保护信号给主控单元5，主控单元5将短时间关闭PWM输出以保护控制器。24V电源18给电源电路1和逆变电路3提供稳定可靠的能源。

如图2所示，电源电路1包括微型DC/DCI6、微型DC/DCII7和双路电压调整器8，其中微型DC/DC I6将24V直流电源变换为5V，为双路电压调整器8提供稳定可靠的低电压输入；双路电压调整器8将微型DC/DC I6提供的5V直流电源变换为3.3V/1.8V双路电源，提供给主控单元5中的各模块和保护电路4；微型DC/DCII7将24V直流电源变换为12V，为驱动电路2提供驱动信号放大的能源。人工辅助心脏泵用控制器为了便携持久，要求耗电量低、工作效率高。本发明中电源电路微型DC/DC I6和微型DC/DC II7的电压转换效率大于85％，达到了降低控制器功耗，抑制控制器温升，提高元器件使用寿命的目的。

驱动电路2采用功率驱动集成芯片，集成度高、体积小，驱动方式为自举驱动，这种驱动方式结构紧凑、所用外围元器件数量少、驱动效率高；逆变电路3采用三相MOSFET桥，MOSFET功率器件具有电压驱动、开关损耗小、适合于低电压应用的优点。本发明中驱动电路2和逆变电路3均满足小巧便携，效率高的要求。

保护电路4包括过流保护和欠压保护等多重保护模式，其中过流保护通过采样电阻将电机电流转变为电压值，通过电压比较器与设定值比较产生过流信号，进而由控制单元5短时切断驱动电路实现电流降低目的。

主控单元5是控制器的控制核心，包括控制芯片9、通讯电路10、显示电路11、按键电路12、报警电路13、时钟电路14和存储记录电路15。其中控制芯片9为高性能数字信号处理器TMS320F2812，是整个控制器的数据处理中心，主要完成人工辅助心脏泵电机转子位置检测、电机转速计算、转速闭环运算、PWM控制信号生成类实时电机运行控制任务，以及通讯管理、人机友好管理、报警管理、数据记录管理类非实时任务。控制芯片9从逆变电路3中采集电压、电流，通过自身的数据处理功能计算出电机16的转速。用户可以通过上位机17实时检测人工辅助心脏泵电机运行状态，

通讯电路10是控制器与上位机之间的RS232通讯接口，通讯电路10为RS232总线收发器，它将接收的上位机17强电信号转换为控制芯片9能够接收的弱电信号发送给控制芯片9，并将控制芯片9需要发送的的弱电信号转化为强电信号发送到上位机17上；按键电路12用于控制控制芯片9内的信息，使其显示在显示电路11上，控制芯片9内的信息包括电压、电流以及电机16的转速信息，同时按键电路12将用户输入的电机16的转速设定值传递给控制芯片9，转速设定值通过控制芯片9的判读后，有效的转速设定值将被执行，否则将通过报警电路13发出警报，并在显示电路11上提示无效。有效的转速设定值是指人体能够正常工作生活所需的电机16的转速范围，该范围可以依据现有技术中的方法得到。

按键电路12采用可靠性高、寿命久的轻触按钮连接到控制芯片9的通用I/O端。显示电路11采用节能轻薄的OLED液晶显示屏。

报警电路13包括高强度发光二极管和蜂鸣器，在控制器工作异常和用户输入的转速设定值无效时，报警电路13接收到控制芯片9的报警指令会同时通过声、光效果提醒患者及其监护者注意，出现影响患者生命的严重异常时会长时间报警；时钟电路14是高精度日历芯片，控制芯片9从日历芯片中读取时钟数据，为用户提供精确的时钟显示，并为数据记录提供时基；存储记录电路15采用EEPROM芯片，它将控制器的工作状态数据实时记录在存储器内，为医生和患者提供准确可靠的控制器运行数据。

人工辅助心脏泵用控制器根据用户设定的运行参数，控制心脏泵运行。控制器会对用户设定参数进行判读，如果参数合理有效，控制器将控制心脏泵按照新的参数运行，如果设定参数不合理，会造成患者危险，控制器的报警系统会通过声、光形式发出警报，并且在显示屏上显示“参数无效”提示。同时控制器对心脏泵的运行参数实时检测并记录，一旦控制器发现运行异常，将通过报警系统发出警报，如果是危及患者生命的严重错误，会发出长时间报警信号，提醒患者及其监护者及时采取措施。

本发明结构紧凑、可靠性高，能够控制人工辅助心脏泵长时间稳定可靠工作。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如本发明提及电源电路1、驱动电路2、逆变电路3、保护电路4、主控单元5、微型DC/DCI6、微型DC/DCII7、双路电压调整器8、控制芯片9、通讯电路10、显示电路11、按键电路12、报警电路13、时钟电路14、存储记录电路15、电机16、上位机17的等均可以采用现有技术中任何型号的产品。

Claims (7)

1.一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：它包括电源电路(1)、驱动电路(2)、逆变电路(3)、保护电路(4)和主控单元(5)，电源电路(1)分别与驱动电路(2)、保护电路(4)、主控单元(5)连通，主控单元(5)还分别与驱动电路(2)、逆变电路(3)、保护电路(4)连通，逆变电路(3)还分别与驱动电路(2)、保护电路(4)连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的电源电路(1)为主控单元(5)、保护电路(4)和驱动电路(2)提供能源，驱动电路(2)接收主控单元(5)的PWM控制信号，经过信号放大后驱动逆变电路(3)工作；逆变电路(3)的工作电流、工作电压信号反馈到主控单元(5)中，主控单元(5)通过电流、电压信号以及主控单元(5)中设定的人工辅助心脏电机(16)转速值，生成PWM控制信号；同时逆变电路(3)的工作电流、工作电压信号进入保护电路(4)，由保护电路(4)判断控制器的工作状态，一旦出现异常，保护电路(4)输出保护信号给主控单元(5)，主控单元(5)将短时间关闭PWM输出以保护控制器。

3.根据权利要求2所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的电源电路(1)包括微型DC/DCI(6)、微型DC/DCII(7)和双路电压调整器(8)，微型DC/DCI(6)将24V直流电源变换为5V，为双路电压调整器(8)提供稳定可靠的低电压输入；双路电压调整器(8)将微型DC/DC I(6)提供的5V直流电源变换为3.3V/1.8V  路电源，提供给主控单元(5)和保护电路(4)；微型DC/DCII(7)将24V直流电源变换为12V，为驱动电路(2)提供驱动信号放大的能源。

4.根据权利要求3所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的主控单元(5)包括控制芯片(9)、通讯电路(10)、显示电路(11)、按键电路(12)、报警电路(13)、时钟电路(14)和存储记录电路(15)，控制芯片(9)分别与驱动电路(2)、逆变电路(3)、保护电路(4)、双路电压调整器(8)、通讯电路(10)、显示电路(11)、按键电路(12)、报警电路(13)、时钟电路(14)和存储记录电路(15)连通，双路电压调整器(8)还分别与通讯电路(10)、显示电路(11)、按键电路(12)、报警电路(13)、时钟电路(14)、存储记录电路(15)连通，微型DC/DCII(7)与驱动电路(2)连通。

5.根据权利要求4所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的控制芯片(9)从逆变电路(3)中采集电压、电流，通过自身的数据处理功能计算出电机(16)的转速，用户通过上位机(17)实时检测人工辅助心脏泵电机运行状态，通讯电路(10)是控制器与上位机(17)之间的通讯接口，它将接收的上位机(17)强电信号转换为控制芯片(9)能够接收的弱电信号发送给控制芯片(9)，并将控制芯片(9)需要发送的弱电信号转化为强电信号发送到上位机(17)上；按键电路(12)用于控制控制芯片(9)内的信息，使其显示在显示电路(11)上，控制芯片(9)内的信息包括电压、电流以及电机(16)的转速信息，同时按键电路(12)将用户输入的电机(16)的转速设定值传递给控制芯片(9)，转速设定值通过控制芯片(9)的判读后，有效的转速设定值将被执行，否则将通过报警电路(13)发出警报，并在显示电路(11)上提示无效。

6.根据权利要求5所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的报警电路(13)包括高强度发光二极管和蜂鸣器，在控制器工作异常和用户输入的转速设定值无效时，报警电路(13)接收到控制芯片(9)的报警指令会同时通过声、光效果提醒患者及其监护者注意，出现影响患者生命的严重异常时会长时间报警；时钟电路(14)是高精度日历芯片，控制芯片(9)从日历芯片中读取时钟数据，为用户提供精确的时钟显示，并为数据记录提供时基；存储记录电路(15)将控制器的工作状态数据实时记录在存储器内，为医生和患者提供准确可靠的控制器运行数据。

7.根据权利要求6所述的一种用于人工辅助心脏系统无位置传感器电机的控制器，其特征在于：所述的控制芯片(9)为高性能数字信号处理器TMS320F2812，所述的通讯电路(10)为RS232总线收发器，所述的显示电路(11)采用OLED液晶显示屏，所述的按键电路(12)采用可靠性高、寿命久的轻触按钮连接到控制芯片(9)的通用I/O端，存储记录电路(15)采用EEPROM芯片。

Images