CN105007006A - 一种提高性能和寿命的蠕动泵系统及在血液分离中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高性能和寿命的蠕动泵系统及在血液成分分离中的应用，蠕动泵包括：泵头、无刷伺服电机、反馈元件、驱动器和主控系统；无刷伺服电机用于提供动力；安装于无刷伺服电机的输出轴上的泵头，用于连接负载；反馈元件安装于无刷伺服电机尾端，监测电机的位置和速度信息，并反馈给驱动器；驱动器与主控系统、反馈元件和无刷直流伺服电机连接，接收主控系统的指令，根据反馈元件反馈的速度和位置，控制无刷伺服电机运转。采用本发明公开的技术方案，实现了蠕动泵的精确调速和正反转控制，延长了蠕动泵的使用寿命，保证了整个蠕动泵的优良动态特性。本发明还公开了该泵系统在血液成分分离机上的应用。

Description

一种提高性能和寿命的蠕动泵系统及在血液分离中的应用

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，尤其涉及一种蠕动泵系统及其在血液成分分离机上的应用。

背景技术

目前，各行业广泛应用的蠕动泵，尤其是血液成分分离机上应用的蠕动泵，大部分是采用步进电机驱动，有些是采用有刷直流伺服电机驱动。应用步进电机驱动的优点是价格低、低速力矩大、控制简单、寿命长，缺点是振动、发热、容易丢步、高速力矩小、效率低、体积大。由于步进电机不具备伺服特性，所以在血液成分分离机上应用时，更大的隐患是容易将液体管路挤裂。总之，由步进电机驱动的蠕动泵在血液成分分离机上应用，安全性差，动态性能差。

应用有刷直流伺服电机的优点是伺服特性好、效率高、发热低、不丢步、高速和低速时的转矩都高，缺点是成本高、控制难度大，由于电刷的磨损问题，导致寿命短，体积大。总之，由有刷直流伺服电机驱动的蠕动泵在血液成分分离机上应用，性能好，但寿命低。

发明内容

为了克服步进电机驱动的蠕动泵和有刷直流伺服电机驱动的蠕动泵的缺点，本发明提供了一种新型的提高性能和寿命的蠕动泵系统，及该蠕动泵系统在相关的血液成分分离机上的应用。通过新型的蠕动泵系统的使用，既可以提高蠕动泵性能，又可以延长使用寿命，为血液分离带来了高效性。

关于本发明的技术方案：一种提高性能和寿命的蠕动泵系统，包括泵头、伺服电机、驱动器、反馈元件)和主控系统，其特征在于：

伺服电机为无刷伺服电机，由驱动器驱动，伺服电机的输出轴连接泵头，驱动器受主控系统的指令驱动泵头，反馈元件安装于电机转子上，反馈电机转动的位置信息给驱动器。

伺服电机主要由定子和转子两部分组成，定子包括定子支架和绕于其上的三组磁感应绕组，记为U、V、W绕组，转子包括转轴和固定于转轴上的永磁体，转轴与泵头相连，三组绕组通过电子开关线路提供电源，所述电子开关线路中包含6个功率晶体管，两两为一组，分为上臂和下臂组成换流器，连接到其中一组绕组上；驱动器包含微控制器单元、PWM处理单元和功率驱动单元，微控制器单元接收反馈元件的速度和位置检测信号，与主控系统的给定速度进行比较，进行速度调节，速度的调节再转化为对电流的调节，反映给PWM单元；PWM处理单元通过功率驱动单元和逆变电路连接到电子开关线路。

无刷伺服电机为直流无刷电机、直流永磁同步电机、交流伺服电机、无刷力矩电机中的一种。

所述电子开关线路中带有转换器，如果输入的是交流电，先将输入的交流电转换成直流电，直流电压再由换流器转成三相电压来驱动电机；如果输入的是直流电，直接由换流器转成三相电压来驱动电机。

驱动器采用矢量控制法控制电机的定子电流矢量，分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制。

所述反馈元件包括传感器定子部分和转子部分，定子部分安装于伺服电机的定子上，转子部分安装于伺服电机的转子上。

进一步讲，所述反馈元件采用增量式编码器，或绝对式编码器，或旋变，或测速机，或电位器。

进一步讲，所述反馈元件采用增量式光电编码器，其结构是包括光源、光电码盘、光栅、光挡板、光敏元件和信号处理电路，光挡板固定在电机的定子支架上；带有光栅的光电码盘安装在电机的转轴上；光电码盘随电机轴转动，光源经聚光镜聚光后，根据光栅和光挡板的位置，形成忽明忽暗的光信号，光敏元件位于光挡板后方，接收这种光信号，并转换为脉冲信号，送给信号处理电路整形、放大。

进一步讲，所述光挡板上有两个狭缝A和B，对应设置两个光敏元件，可使光敏元件接收到的信号相差90度相位，正转时，U_A超前U_B，反转时，U_B超前U_A，通过记录U_A和U_B的个数，判断转轴转过的位置和速度，通过检测U_A和U_B的相位差，判别转轴的旋转方向。

所述的蠕动泵系统在血液分离中的应用方法，其特征是，在血液成分分离机上，安装所述的蠕动泵系统，一套作为血液成分分离机的血泵，另一套作为抗凝剂泵，再一套作为血浆泵。当为单采血浆时(只有血泵和抗凝剂泵)，血液成分分离机开启血浆泵和抗凝剂泵，主控系统通过设定血浆泵和抗凝剂泵的运转速度比例，控制血浆泵和抗凝剂泵协同运转，实现血浆采集；当血液成分分离机还包含血小板采集时，主控系统按照要求量，控制三套泵泵之间的运转速度比例，实现血小板采集。

本发明的技术方案的有益效果是：1)本发明采用无刷伺服电机驱动蠕动泵，由于无刷伺服电机具有转矩大、效率高、功率密度大、体积小和伺服性能好等特点，且通过电子换向，不使用电刷换向，从而避免了电刷磨损等技术问题，从根本上延长了蠕动泵的使用寿命，从而保证了整个蠕动泵的优良动态特性。2)本发明的驱动器采用矢量控制算法，通过驱动器，能够对无刷伺服电机的转矩、速度、位置实行精确的控制。对管路卡死、负载跳变等故障能够迅速报警，以及速度和位置超差能够迅速报警，从而保证了整个蠕动泵的优良动态特性，从而保证了整个医疗设备的安全性。3)无刷直流伺服电机驱动蠕动泵，具有转矩大、效率高、功率密度大、体积小和伺服性能好等特点，且通过电子换向，不使用电刷换向，从而避免了电刷磨损等技术问题，从根本上延长了蠕动泵的使用寿命，从而保证了整个蠕动泵的动态特性优良。

附图说明

图1是本发明实施例的蠕动泵系统结构示意图。

图2是无刷伺服电机的结构简图；

图3是电子开关线路与电机电子的连接关系图；

图4是驱动器的控制原理图；

图5是反馈元件在电机上的安装示意图；

图6是增量式光电编码器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种新型的蠕动泵系统，用以提高其性能和使用寿命，扩展其在血液分离机上的应用。该蠕动泵系统的组成关系如图1所示，包括了：泵头1、伺服电机2、驱动器3、反馈元件4和主控系统5几部分，图中箭头指向为控制方向或信号反馈方向。

其中，伺服电机2由驱动器3驱动，而驱动器由主控系统5(也即计算机或工控机系统)发出驱动指令。电机的输出轴连接泵头1，为泵头提供动力。泵头1另一端连接负载(即泵管)。反馈元件4安装于电机转子上，用于监测电机的转子转动位置信息，并反馈给驱动器3。驱动器3可以根据反馈元件4解算出电机的速度和位置信息，并且为下一步调整提供依据。驱动器3与主控系统5电连接，接收主控系统5的指令，根据反馈元件3反馈的位置，控制伺服电机2运转，进行伺服控制，保证蠕动泵的运转特性。

本发明提供的伺服电机2是采用无刷伺服的形式。无刷伺服电机包括直流无刷电机，直流永磁同步电机(即PMSM电机)，交流伺服电机，无刷力矩电机等。无刷伺服电机具有体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定等优点。重要的是它可以采用智能化控制，其电子换相方式灵活，可以以方波或正弦波形式换相。可以全面替代有刷直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速形式。

图2是无刷伺服电机的结构简图，图中表明无刷伺服电机主要由定子21和转子22两部分组成，定子部分包括定子支架和三组磁感应绕组，记为U、V、W绕组，绕组固定不动，见图2。转子部分包括转轴221和固定于转轴上的永磁体222，转轴也是由磁钢制成。无刷伺服电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机相似，对应的电子开关线路连接关系如图3所示。电子开关线路为电机提供三相电源，电源可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220v)，如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器转成三相电压来驱动电机。换流器一般由6个功率晶体管组成，两两为一组，分为上臂和下臂，连接到电机的一组绕组上，作为控制流经电机线圈的开关，图3中VT1组晶体管开关线路连接到U绕组上，VT2组晶体管开关线路连接到V绕组上，VT3组晶体管开关线路连接到W绕组上。由于绕组电流的变化，造成永磁体的转动，进而带动转轴转动。因此电子伺服系统既可以实现换向转动，又可以实现电机的无极调速。

电机的驱动控制由驱动器3完成，也就是说由驱动器控制接入电子开关线路的电流，驱动器的作用就是依需求转换输入电源的电流频率。驱动器控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回传至主控系统反复校正，以期调整电机的转矩。见图4所示的控制关系，驱动器3主要包含微控制器单元31、PWM(脉宽调制)处理单元32和功率驱动单元33。微控制器单元31接收反馈元件4的位置检测，进行速度计算，转换为速度反馈，与主控系统5的给定速度进行比较，进行速度调节，速度的调节再转化为对电流的调节，反映给PWM单元；PWM处理单元决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机，通过功率驱动单元33和逆变电路34连接到电子开关线路。

大家可想而知，要让电机转动起来，首先驱动器就必须根据反馈元件感应到的电机转子目前所在位置，然后依照系统的预设，决定各组电子开关线路中功率晶体管开启或关闭的顺序(这些称为上臂功率晶体管及下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此才能使电机顺时针或逆时针转动起来。

当电机转子转动到反馈元件感应出另一组信号的位置时，驱动器又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以依同一方向继续转动直到驱动器决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)。要想电机转子反向转，则功率晶体管开启顺序相反即可。

当电机转动起来，微控制器会再根据主控制器设定的速度及加/减速率所组成的命令与信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组电子开关线路的导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM是要达到较精准速度控制的核心。本发明的驱动器采用矢量控制算法调控PWM，对伺服电机实时监测，对无刷伺服电机的转矩、速度、位置实行精确的控制。

矢量控制的原理源于异步电机的数学模型。由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

基于此，将矢量控制理论应用于无刷伺服控制，具体是将电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

矢量控制的做法是将电机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过3/2相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1，Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对电机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

对于信号反馈的方式也影响到处理器效能与判定的正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的反馈信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。

无刷伺服电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会有太大变动的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的位置传感器(即本文说指的反馈元件4)，作为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。位置传感器即本文所指的反馈元件4。如图5所示，本发明选择的反馈元件4也是包括传感器定子部分41和转子部分42，定子部分安装于伺服电机2的定子21上，转子部分安装于伺服电机2的转子22上，监测无刷直流伺服电机2的转矩、位置和速度信息，并反馈给驱动器3。

本发明选择的反馈元件4可以采用增量式编码器、绝对式编码器、旋变或测速机。本发明着重提供一种增量式光电编码器，结构见图6所示。增量式光电编码器由光源401、光电码盘402、光栅403、光挡板404、光敏元件405和信号处理电路406组成。光挡板404相当于上述的定子部分41，固定在电机的定子支架上；带有光栅的光电码盘402相当于转子部分42，安装在电机的转轴上。光电码盘随电机轴转动，光源经聚光镜407聚光后，透过光栅403和光挡板404，形成忽明忽暗的光信号(当光栅403和光挡板404上的孔通透时，为明信号；反之，光电码盘402和光挡板404其一挡住了光，就成为暗信号。光敏元件405位于光挡板404后方，用于接收光信号，感受光的状态，并转换为脉冲信号后，送信号处理电路406整形、放大。因此电脉冲信号的频率与转轴的转速成正比。

光挡板上有两个狭缝A和B，对应设置两个光敏元件，这样设置可使光敏元件接收到的信号相差90度相位。正转时，U_A超前U_B，反转时，U_B超前U_A。转轴每转输出的脉冲个数和光栅的个数对应，因此，通过记录U_A和U_B的个数，既可以判断转轴转过的位置和速度，通过检测U_A和U_B的相位差，可判别转轴的旋转方向。

磁电式增量编码器和光电式增量编码器类似。没有光源和聚光镜，把光栅换成磁极，把光敏元件换成霍尔元件，通过两个霍尔元件检测磁极，同样是输出两路电压信号，也可检测转轴的位置和速度。

绝对式编码器原理类似增量式编码器，有多路发射光源和多路感光元件，每一个感光元件输出一路脉冲信号，通过不同时刻的不同感光元件的信号值，对应出转轴的位置值。

电机的驱动器根据编码器输出的脉冲个数对应为参数的变化量，根据光标的移动方向对应为转轴的旋转方向。

本发明还给出了将该种蠕动泵应用到血液成分分离机上的方法，包括将多套上述实施例蠕动泵系统，分别作为血液成分分离机的各个泵使用。

当为单采血浆时，血液成分分离机使用两套这样的蠕动泵，一套蠕动泵系统作为血液成分分离机的血浆泵，用于采集全血(从人体中抽血)或者还输红细胞(向人体中还输红细胞等分离后的成分)输送血液；另一套蠕动泵系统作为血液成分分离机的抗凝剂泵，抗凝剂泵用于在采集全血的过程中，同步输送抗凝剂。

主控系统5控制血泵和抗凝剂泵协同运转，通过设定血浆泵和抗凝剂泵的运转比例，保证血液成分分离机的性能，同时延长其使用寿命。

上述实施例中的采集全血(从人体中抽血)时，严格按照比例添加抗凝剂。还输红细胞时，抗凝剂泵需要有保持力矩，保证抗凝剂不能输送到人体中。

当血液成分分离机还包含血小板采集时，血液成分分离机包括三套上述实施例蠕动泵系统，除了分别作为血浆泵和抗凝剂泵外，剩下的一套蠕动泵作为血泵。主控系统5按照要求量，分别给每个驱动器运动指令，精确控制各个蠕动泵之间的运转比例。

每个蠕动泵具有卡死保护，失步保护等各种故障保护功能。卡死保护，是指驱动器通过检测电机的转矩变化进行判断，当转矩瞬间超过合理范围，视为卡死；失步保护，是驱动器通过检测转子(即泵头)的实际位置，和目标位置进行比较，偏差超过合理范围，视为失步。

Claims (10)

1.一种提高性能和寿命的蠕动泵系统，包括泵头(1)、伺服电机(2)、驱动器(3)、反馈元件(4)和主控系统(5)，其特征在于：

伺服电机(2)为无刷伺服电机，由驱动器(3)驱动，伺服电机(2)的输出轴连接泵头(1)，驱动器(3)受主控系统(5)的指令驱动泵头(1)，反馈元件(4)安装于电机转子上，反馈电机转动的位置信息给驱动器(3)。

2.根据权利要求1所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：伺服电机(2)主要由定子(21)和转子(22)两部分组成，定子包括定子支架和绕于其上的三组磁感应绕组，记为U、V、W绕组，转子包括转轴(221)和固定于转轴上的永磁体(222)，转轴与泵头相连，三组绕组通过电子开关线路提供电源，所述电子开关线路中包含6个功率晶体管，两两为一组，分为上臂和下臂组成换流器，连接到其中一组绕组上；

驱动器(3)包含微控制器单元(31)、PWM处理单元(32)和功率驱动单元(33)，微控制器单元(31)接收反馈元件(4)的速度和位置检测信号，与主控系统(5)的给定速度进行比较，进行速度调节，速度的调节再转化为对电流的调节，反映给PWM单元(32)；PWM处理单元(33)通过功率驱动单元(33)和逆变电路(34)连接到电子开关线路。

3.根据权利要求1或2所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：无刷伺服电机(2)为直流无刷电机、直流永磁同步电机、交流伺服电机、无刷力矩电机中的一种。

4.根据权利要求2所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：所述电子开关线路中带有转换器，如果输入的是交流电，先将输入的交流电转换成直流电，直流电压再由换流器转成三相电压来驱动电机；如果输入的是直流电，直接由换流器转成三相电压来驱动电机。

5.根据权利要求1所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：驱动器(3)采用矢量控制法控制电机的定子电流矢量，分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制。

6.根据权利要求2所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：所述反馈元件(4)包括传感器定子部分(41)和转子部分(42)，定子部分安装于伺服电机(2)的定子(21)上，转子部分安装于伺服电机(2)的转子(22)上。

7.根据权利要求1所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：所述反馈元件(4)采用增量式编码器，或绝对式编码器，或旋变，或测速机，或电位器。

8.根据权利要求1或7所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：所述反馈元件(4)采用增量式光电编码器，其结构是包括光源(401)、光电码盘(402)、光栅(403)、光挡板(404)、光敏元件(405)和信号处理电路(406)，光挡板(404)固定在电机的定子支架上；带有光栅(403)的光电码盘(402)安装在电机的转轴上；光电码盘随电机轴转动，光源经聚光镜(407)聚光后，根据光栅(403)和光挡板(404)的位置，形成忽明忽暗的光信号，光敏元件(405)位于光挡板(404)后方，接收这种光信号，并转换为脉冲信号，送给信号处理电路(406)整形、放大。

9.根据权利要求8所述的提高性能和寿命的蠕动泵系统，其特征在于：所述光挡板(404)上有两个狭缝A和B，对应设置两个光敏元件，可使光敏元件接收到的信号相差90度相位，正转时，U_A超前U_B，反转时，U_B超前U_A，通过记录U_A和U_B的个数，判断转轴转过的位置和速度，通过检测U_A和U_B的相位差，判别转轴的旋转方向。

10.权利要求1-9之一所述的蠕动泵系统在血液成分分离中的应用方法，其特征是，在血液成分分离机上，安装所述的蠕动泵系统，一套作为血液成分分离机的血泵，另一套作为抗凝剂泵，再一套作为血浆泵。

当为单采血浆时，血液成分分离机开启血浆泵和抗凝剂泵，主控系统(5)通过设定血浆泵和抗凝剂泵的运转速度比例，控制血浆泵和抗凝剂泵协同运转，实现血浆采集；

当血液成分分离机还包含血小板采集时，主控系统(5)按照要求量，控制三套泵之间的运转速度比例，实现血小板采集。