CN103595314A - 一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统，包括位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、电源、保护报警电路、按键显示电路、通信电路和上位机；控制电路输出6路PWM控制信号至功率驱动电路，功率驱动电路根据6路PWM控制信号输出3路驱动信号至电机；所述电机为盘式无位置传感器无刷直流电机；位置检测电路通过对3路驱动信号的检测输出3路过零信号；3路过零信号输入至控制电路；控制电路根据所述3路过零信号确定所述6路PWM控制信号；所述功率驱动电路采用双路全桥驱动器。本发明的控制系统用于控制盘式无位置传感器无刷直流电机，该控制系统外围器件少、功耗低、可靠性高、体积较小。

Description

一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统

技术领域

本发明涉及一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统。

背景技术

治疗心功能衰竭的较好办法是心脏移植。据美国统计,每年需要心脏移植的患者多达5万人,但临床所能提供的心脏供体仅能达到2000枚。因此,长期可植入式心脏功能衰竭机电系统（左心室辅助装置）就成为心衰患者迫切需要的替代设备。

左心室辅助装置能否满足受体的生理需求,除泵体结构参数外,主要取决于泵的控制系统,如能源提供、控制策略等。其中控制策略是关键技术,因为它涉及血泵电机驱动的反馈信号,是否需要传感器,并最终决定血泵的输出流量和压力。

无刷直流电动机由于体积小、运行效率高、动态性能好等优点而被采用作为左心室辅助装置的用于驱动泵的动力元件。为了进一步减小体积，电机采用盘式结构。在控制无刷直流电动机时,常采用霍尔元件检测位置信号进行控制,安装位置传感器后,电机体积增大,成本增高,连线太多,控制信号易被干扰,传感器的任何误差会导致电枢电流增大和电机效率的降低,从而加大电机发热,并且对电机生产制造工艺要求高等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统，用于控制盘式无位置传感器电机，该控制系统外围器件少、功耗低、可靠性高、体积较小。

本发明包括如下技术方案：

一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统，包括位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、电源、保护报警电路、按键显示电路、通信电路和上位机；上位机通过通信电路与控制电路相连；控制电路分别与位置检测电路、功率驱动电路、按键显示电路、保护报警电路相连；电源分别与位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、保护报警电路、按键显示电路和通信电路相连；控制电路输出6路PWM控制信号至功率驱动电路，功率驱动电路根据6路PWM控制信号输出3路驱动信号至电机；所述电机为盘式无位置传感器无刷直流电机；位置检测电路通过对3路驱动信号的检测输出3路过零信号；3路过零信号输入至控制电路；控制电路根据所述3路过零信号确定所述6路PWM控制信号；保护报警电路包括保护电路和报警电路，功率驱动电路输出检测信号至保护报警电路的保护电路，所述保护电路对检测信号进行A/D转换后获得数字检测信号，并将数字检测信号输入至控制电路；控制电路判断所述数字检测信号是否超过设定值，当数字检测信号超过设定值时，控制电路停止输出6路PWM控制信号，并通过控制电路控制保护报警电路的报警电路进行报警；按键显示电路用于显示电机转速并对电机转速进行设定；所述控制电路包括FPGA以及与FPGA相连的反相器，通过所述反相器输出6路PWM控制信号；所述功率驱动电路采用双路全桥驱动器。

所述3路驱动信号分别为驱动信号DA、DB和DC；所述6路PWM控制信号分别为PWMALL、PWMAHL、PWMBLL、PWMBHL、PWMCLL、PWMCHL；

功率驱动电路包括第一功率驱动芯片U22、第二功率驱动芯片U23、电容C21、C22、C8、C98、二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31和电阻RP4；PWMAHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端7、9，PWMBHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端13、15，PWMCHL连接到第二功率驱动芯片U23的输入端7、9，PWMALL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端8，PWMBLL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端14、PWMCLL连接到第二功率驱动芯片U23的使能端8，第一功率驱动芯片U22的输出端4、5互连输出驱动信号DA，第一功率驱动芯片U22的输出端16、17互连输出驱动信号DB，第二功率驱动芯片U23的输出端4、5互连输出驱动信号DC；第一功率驱动芯片U22的传感端2和19、以及第二功率驱动芯片U23的传感端2互连后作为检测信号SENSE，检测信号SENSE通过取样电阻RP4与电源地相连，检测信号SENSE输入至保护报警电路的保护电路;

电容C21连接在第一功率驱动芯片U22的电源端6和地端10之间，电容C22连接在第一功率驱动芯片U22的电源端12和地端11之间，电容C8连接在第二功率驱动芯片U23的电源端6和地端10之间，电容C98连接在第二功率驱动芯片U23的电源端12和地端11之间；

二极管D26连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源VCC之间；二极管D27连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源地之间；二极管D28连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源VCC之间，二极管D29连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源地之间；二极管D30连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源VCC之间，二极管D31连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源地之间；二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31起到续流作用。

所述3路过零信号分别为过零信号BA、BB和BC；所述位置检测电路包括第一双路电压比较器芯片U34和第二双路电压比较器芯片U35；驱动信号DA、DB、DC分别经过电阻分压、电容滤波后获得信号PA、PB、PC；信号PA、PB、PC分别接入电阻R87、R88、R89的一端，电阻R87、R88、R89的另一端互连并分别与电阻R91、电阻R92、电阻R90的一端相连，电阻R91的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INA-，电阻R92的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INB-，电阻R90的另一端输入至第二双路电压比较器芯片U35的负输入端INB-；信号PA通过电阻R99输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INA+，信号PB通过电阻R100输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INB+，信号PC通过电阻R101输入至第二双路电压比较器芯片U35的正输入端INB+，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA通过电阻R105与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB通过电阻R108与电源VCC相连，第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB通过电阻R110与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA输出过零信号BA至FPGA，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB输出过零信号BB至FPGA、第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB输出过零信号BC至FPGA。

功率驱动芯片U22、U23为双路全桥驱动器L298。

所述双路电压比较器芯片为LM293。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的控制系统用于控制盘式无位置传感器电机，该控制系统外围器件少、功耗低、可靠性高、体积较小。

本发明使用了双路全桥驱动器，贴片封装体积小、工作电压高达46V;最高输出电流大达到4A;带过热保护功能;小于1.5V的控制信号逻辑电平为低，对一般干扰信号抗干扰能力强;可靠性高功耗小，外围器件少。

本发明使用反电势电路检测位置信号，包括分压滤波电路、中点模拟电路和电压比较电路。电路简单、器件少，精度高。

附图说明

图1为本发明的专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统；

图2为控制电路与功率驱动电路的连接关系图；

图3为功率驱动电路组成示意图；

图4为位置检测电路组成示意图；

图5为保护报警电路与FPGA连接关系图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统，包括位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、电源、保护报警电路、按键显示电路、通信电路和上位机；上位机通过通信电路与控制电路相连；控制电路分别与位置检测电路、功率驱动电路、按键显示电路、保护报警电路相连；电源分别与位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、保护报警电路、按键显示电路和通信电路相连；控制电路输出6路PWM控制信号至功率驱动电路，功率驱动电路根据6路PWM控制信号输出3路驱动信号至电机；所述电机为盘式无位置传感器无刷直流电机；位置检测电路通过对3路驱动信号的检测输出3路过零信号；3路过零信号输入至控制电路；控制电路根据所述3路过零信号确定所述6路PWM控制信号；保护报警电路包括保护电路和报警电路，功率驱动电路输出检测信号至保护报警电路的保护电路，所述保护电路对检测信号进行A/D转换后获得数字检测信号，并将数字检测信号输入至控制电路；控制电路判断所述数字检测信号是否超过设定值，当数字检测信号超过设定值时，控制电路停止输出6路PWM控制信号，并通过控制电路控制保护报警电路的报警电路进行报警；按键显示电路用于显示电机转速并对电机转速进行设定。

如图2所示，所述控制电路包括FPGA以及与FPGA相连的反相器，通过所述反相器输出所述6路PWM控制信号；所述功率驱动电路采用双路全桥驱动器。FPGA输出6路PWM控制信号PWMALF、PWMAHF、PWMBLF、PWMBHF、PWMCLF、PWMCHF，经过反相器反相后得到6路PWM控制信号PWMALL、PWMAHL、PWMBLL、PWMBHL、PWMCLL、PWMCHL。PWMALL、PWMAHL两路PWM波互补；PWMBLL、PWMBHL两路PWM波互补；PWMCLL、PWMCHL两路PWM波互补；PWMALL、PWMBLL、PWMCLL三路信号相位差均为120°，PWMAHL、PWMBHL、PWMCHL三路信号相位差均为120°。

如图3所示，功率驱动电路包括第一功率驱动芯片U22、第二功率驱动芯片U23、电容C21、C22、C8、C98、二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31和电阻RP4；PWMAHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端7、9，PWMBHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端13、15，PWMCHL连接到第二功率驱动芯片U23的输入端7、9，PWMALL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端8，PWMBLL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端14、PWMCLL连接到第二功率驱动芯片U23的使能端8，第一功率驱动芯片U22的输出端4、5互连输出驱动信号DA，第一功率驱动芯片U22的输出端16、17互连输出驱动信号DB，第二功率驱动芯片U23的输出端4、5互连输出驱动信号DC；第一功率驱动芯片U22的传感端2和19、以及第二功率驱动芯片U23的传感端2互连后作为检测信号SENSE，检测信号SENSE通过取样电阻RP4与电源地相连，检测信号SENSE输入至保护报警电路的保护电路。第一功率驱动芯片U22的传感端2和19、以及第二功率驱动芯片U23的传感端2用于感应调节电机负载电流信号。

电容连接在芯片供电电源管脚和地之间，滤除电源谐波，保持供电电压稳定。电容C21连接在第一功率驱动芯片U22的电源端6和地端10之间，电容C22连接在第一功率驱动芯片U22的电源端12和地端11之间，电容C8连接在第二功率驱动芯片U23的电源端6和地端10之间，电容C98连接在第二功率驱动芯片U23的电源端12和地端11之间。

二极管D26连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源VCC之间；二极管D27连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源地之间；二极管D28连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源VCC之间，二极管D29连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源地之间；二极管D30连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源VCC之间，二极管D31连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源地之间；二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31起到续流作用。D26、D28、D30负极连接VCC，正极分别和D27、D29、D31的负极相连，同时分别和U23的4（5）、U22的16(17)脚、U22的4(5)脚相连。D27、D29、D31的正极连接电源地。本发明功率驱动芯片U22、U23为双路全桥驱动器L298。

如图4所示，位置检测电路采用反电势法位置检测电路，所述位置检测电路包括第一双路电压比较器芯片U34和第二双路电压比较器芯片U35；驱动信号DA、DB、DC分别经过电阻分压、电容滤波后获得信号PA、PB、PC；信号PA、PB、PC分别接入电阻R87、R88、R89的一端，电阻R87、R88、R89的另一端互连并分别与电阻R91、电阻R92、电阻R90的一端相连，电阻R91的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INA-，电阻R92的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INB-，电阻R90的另一端输入至第二双路电压比较器芯片U35的负输入端INB-；信号PA通过电阻R99输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INA+，信号PB通过电阻R100输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INB+，信号PC通过电阻R101输入至第二双路电压比较器芯片U35的正输入端INB+，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA通过电阻R105与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB通过电阻R108与电源VCC相连，第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB通过电阻R110与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA输出过零信号BA至FPGA，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB输出过零信号BB至FPGA、第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB输出过零信号BC至FPGA。

A相驱动信号DA经电阻R93、R94分压，把驱动信号分压到比较器工作电压范围内。分压后电压经过电容C2组成RC低通滤波器，去掉因三相桥产生的高次谐波对端电压信号的影响。得到分压信号PA，同理得到B相、C相的分压信号PB、PC。PA、PB、PC分别接入星型连接电阻R87、R88、R89，模拟电动机工作的中性点。经过处理的A相驱动信号接入双路电压比较器U34-A如LM293，产生过零信号BA。为了进一步降低高频信号的干扰，减少误动作，在比较器的正负输入端之间加一个小电容C3，起到滤去高频信号的作用，最后经上拉电阻R105输入到FPGA的IO口。B相、C相电路原理同A相。

三个过零信号BA、BB、BC输入至控制电路。控制电路根据过零信号点，确定功率驱动电路换相时刻点，并输出6路PWM控制信号。由图4可知，反电势检测电路存在阻容滤波环节，导致了检测信号相位的滞后。如果A相功率驱动信号相移角为α，过零信号点也滞后α，

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{2\mathrm{\πf}{R}_{93}{R}_{94}{C}_2}{R_{93}+R_{94}}$ f—反电势频率。

在控制电路中对其进行修正，即采用计数器法推导出相移角为α时电机所用时间T，在过零信号后延时T,得到功率驱动电路换相时刻点。在两个换相时刻点之间采用计数器进行计数，得到换相需要时间。因为两相换相电角度是固定的，因而可以计算得到电机实测转速。将电机实测转速和设定转速进行比较后，通过PI控制确定下一个换相周期PWM波的脉宽，从而输出PWM控制信号。

患者手术中，手术后，定期复查都需要了解掌握血泵更多的数据，并进行必要的操作。上位机专为此设计。上位机通过通信电路和控制电路连接，可以根据实际使用环境和情况设定控制电路工作模式，比如：恒定转速模式、恒定流量模式、自适应模式等适合患者不同情况下的不同需要。接收控制电路发送的血泵数据并显示。例如接收血泵设定转速和实测转速等数据，用数字和波形图实时显示并实时存储。

按键显示电路采用LED屏和指示灯显示，LED屏显示血泵实测转速等数据。指示灯包括电池连接指示灯、电池电量显示灯。控制器按键包括开/关键、加速键、减速键、转速确认键等。

如图5所示，保护报警电路实现对功率驱动电路的保护和报警。保护报警电路包括保护电路和报警电路，保护电路包括AD转换芯片U31。报警电路包括由电阻R6、三极管Q2和报警指示灯D1组成。将功率驱动电路输出的采样电压SENSE连接到AD转换芯片U31的输入管脚5上。U31数据输入、数据输出、时钟以及报警电路的alarmled等连接到FPGA的I/O管脚。当电机电流过大时，采样电压SENSE的电压值变大，将电压值通过AD采样反馈给控制电路的FPGA，当A/D变换的电压值超过设定值时，控制电路的FPGA切断供给功率驱动模块的6路PWM输出，保护功率驱动电路不受损坏，同时FPGA通过IO管脚输出低电平至三极管Q2，点亮报警指示灯D1，发出报警。

通信电路用来实现控制器和上位机之间的通信。可以采用有线通信和无线通信。有线通信采用串口RS232通信方式，无线通信采用WIFI无线通信技术。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种专用于可植入式心脏功能衰竭机电系统的控制系统，其特征在于，包括位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、电源、保护报警电路、按键显示电路、通信电路和上位机；上位机通过通信电路与控制电路相连；控制电路分别与位置检测电路、功率驱动电路、按键显示电路、保护报警电路相连；电源分别与位置检测电路、控制电路，功率驱动电路、保护报警电路、按键显示电路和通信电路相连；控制电路输出6路PWM控制信号至功率驱动电路，功率驱动电路根据6路PWM控制信号输出3路驱动信号至电机；所述电机为盘式无位置传感器无刷直流电机；位置检测电路通过对3路驱动信号的检测输出3路过零信号；3路过零信号输入至控制电路；控制电路根据所述3路过零信号确定所述6路PWM控制信号；保护报警电路包括保护电路和报警电路，功率驱动电路输出检测信号至保护报警电路的保护电路，所述保护电路对检测信号进行A/D转换后获得数字检测信号，并将数字检测信号输入至控制电路；控制电路判断所述数字检测信号是否超过设定值，当数字检测信号超过设定值时，控制电路停止输出6路PWM控制信号，并通过控制电路控制保护报警电路的报警电路进行报警；按键显示电路用于显示电机转速并对电机转速进行设定；所述控制电路包括FPGA以及与FPGA相连的反相器，通过所述反相器输出6路PWM控制信号；

所述3路驱动信号分别为驱动信号DA、DB和DC；所述6路PWM控制信号分别为PWMALL、PWMAHL、PWMBLL、PWMBHL、PWMCLL、PWMCHL；

功率驱动电路包括第一功率驱动芯片U22、第二功率驱动芯片U23、电容C21、C22、C8、C98、二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31和电阻RP4；PWMAHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端7、9，PWMBHL连接到第一功率驱动芯片U22的输入端13、15，PWMCHL连接到第二功率驱动芯片U23的输入端7、9，PWMALL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端8，PWMBLL连接到第一功率驱动芯片U22的使能端14、PWMCLL连接到第二功率驱动芯片U23的使能端8，第一功率驱动芯片U22的输出端4、5互连输出驱动信号DA，第一功率驱动芯片U22的输出端16、17互连输出驱动信号DB，第二功率驱动芯片U23的输出端4、5互连输出驱动信号DC；第一功率驱动芯片U22的传感端2和19、以及第二功率驱动芯片U23的传感端2互连后作为检测信号SENSE，检测信号SENSE通过取样电阻RP4与电源地相连，检测信号SENSE输入至保护报警电路的保护电路;

电容C21连接在第一功率驱动芯片U22的电源端6和地端10之间，电容C22连接在第一功率驱动芯片U22的电源端12和地端11之间，电容C8连接在第二功率驱动芯片U23的电源端6和地端10之间，电容C98连接在第二功率驱动芯片U23的电源端12和地端11之间；

二极管D26连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源VCC之间；二极管D27连接到第二功率驱动芯片U23的驱动信号DC与电源地之间；二极管D28连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源VCC之间，二极管D29连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DB与电源地之间；二极管D30连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源VCC之间，二极管D31连接到第一功率驱动芯片U22的驱动信号DA与电源地之间；二极管D26、D27、D28、D29、D30、D31起到续流作用。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述3路过零信号分别为过零信号BA、BB和BC；所述位置检测电路包括第一双路电压比较器芯片U34和第二双路电压比较器芯片U35；驱动信号DA、DB、DC分别经过电阻分压、电容滤波后获得信号PA、PB、PC；信号PA、PB、PC分别接入电阻R87、R88、R89的一端，电阻R87、R88、R89的另一端互连并分别与电阻R91、电阻R92、电阻R90的一端相连，电阻R91的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INA-，电阻R92的另一端输入至第一双路电压比较器芯片U34的负输入端INB-，电阻R90的另一端输入至第二双路电压比较器芯片U35的负输入端INB-；信号PA通过电阻R99输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INA+，信号PB通过电阻R100输入至第一双路电压比较器芯片U34的正输入端INB+，信号PC通过电阻R101输入至第二双路电压比较器芯片U35的正输入端INB+，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA通过电阻R105与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB通过电阻R108与电源VCC相连，第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB通过电阻R110与电源VCC相连，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTA输出过零信号BA至FPGA，第一双路电压比较器芯片U34的输出端OUTB输出过零信号BB至FPGA、第二双路电压比较器芯片U35的输出端OUTB输出过零信号BC至FPGA。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，功率驱动芯片U22、U23为双路全桥驱动器L298。

4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述双路电压比较器芯片为LM293。

Images