微型軸流式血泵外磁驅動(dòng)電路設計

摘要：微型軸流式血泵是目前人工心臟結構研究的熱點(diǎn)，外磁驅動(dòng)是一種新型的血泵驅動(dòng)方式。文中介紹了血泵外磁驅動(dòng)電路的設計方案。通過(guò)該方案能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，可直接驅動(dòng)電機以實(shí)現血泵的外磁驅動(dòng)。

關(guān)鍵詞：軸流式血泵 磁場(chǎng) 雙向電流 功率放大器

在人工心臟研究過(guò)程中，血泵驅動(dòng)能源的提供方式是人工心臟研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1][2]。目前的外磁驅動(dòng)方式采用體外旋轉磁場(chǎng)作為驅動(dòng)能源，并通過(guò)體外旋轉永磁體的旋轉來(lái)帶動(dòng)體內永磁體的轉動(dòng)，從而實(shí)現非接觸式磁場(chǎng)驅動(dòng)。相比常規的能量傳遞方式，非接觸式磁場(chǎng)驅動(dòng)技術(shù)沒(méi)有任何經(jīng)皮導線(xiàn)，因而可避免內外貫通，從而大大降低了感染機會(huì )，提高了病人的生活質(zhì)量。本文對這種驅動(dòng)方式中的外磁驅動(dòng)電路進(jìn)行了設計研究。

1 血泵工作原理及交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生

1.1 磁場(chǎng)驅動(dòng)軸流式血泵工作原理

植入式血泵的驅動(dòng)一般都采用外磁場(chǎng)驅動(dòng)，主要原理是：利用體外的旋轉磁場(chǎng)來(lái)驅動(dòng)血泵內永磁體（血泵葉輪部分）的轉動(dòng)，從而達到無(wú)接觸驅動(dòng)。

外磁場(chǎng)驅動(dòng)軸流式血泵系統吸取并融合了機械心臟瓣膜和“軸流式”血泵的結構特點(diǎn)，確定了動(dòng)脈腔 內的“葉輪-永磁轉子體”結構設計及植入方法，從而大大簡(jiǎn)化了植入部分的結構。血泵系統腔內部分的工作原理采用了與軸流泵葉輪相同的機制，而驅動(dòng)力的產(chǎn)生則通過(guò)體外可控交變磁場(chǎng)穿透人體和主動(dòng)脈壁來(lái)驅動(dòng)動(dòng)脈腔內的“葉輪-永磁轉子體”，以實(shí)現非接觸式動(dòng)力傳遞，從而避免了密封，滲漏以有人體排異性等一系列傳統泵結構難以克服的工程和醫學(xué)上的困難。該方案將產(chǎn)生交變驅動(dòng)磁場(chǎng) 的“定子”置于體外，故應通過(guò)傳感器采集相應的人體自身信號和周?chē)h(huán)境信號，并在驅動(dòng)控制裝置的控制下，通過(guò)適當的交變磁場(chǎng)向體內傳遞給渦輪的葉輪。在驅動(dòng)力的持續帶動(dòng)下，血泵可不斷將血液由左心室腔提升到主動(dòng)脈腔，以達到心臟輔助的目的。其工作原理示意圖如圖1所示。

1.2 交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法

交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生采用勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)法，它利用電機的工作原理將徑向充磁的永磁轉子作為電機的轉子，在永磁體外按90o方向纏繞兩組線(xiàn)圈，通過(guò)可變頻脈沖電路分時(shí)驅動(dòng)不同的線(xiàn)圈組，以達到驅動(dòng)永磁轉子轉動(dòng)的目的。其系統工作原理示意圖如圖.

2 驅動(dòng)電路設計

2.1驅動(dòng)電路結構原理

血泵驅動(dòng)電路包括占空比為50%的方波形成電路、雙向勵磁電流驅動(dòng)電路以及雙向勵磁電流功放輸出電路等，其電路結構如圖3所示。

2.2 方波形成電路[3]

方波形成電路由555振蕩器構成。圖4是由555構成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生方波脈沖的電路圖。圖中當R1=R2，C=10μF時(shí)，其占空比為50%。

2.3 雙向勵磁電流電路

該血泵驅動(dòng)電路采用單電源供電方式，從而避免了實(shí)際應用中采用多電源所帶來(lái)的方便，并大大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路的設計。占空比為50%的方波經(jīng)過(guò)4013觸發(fā)器分頻可實(shí)現兩組線(xiàn)圈作用時(shí)間的均勻分配，雙向勵磁電流驅動(dòng)電路是血泵驅動(dòng)系統的關(guān)鍵部分，它將一路方波電壓變成具有差分功能的控制電壓，這兩路控制電壓就是產(chǎn)生雙向勵磁電流的驅動(dòng)電壓。圖5給出了雙向勵磁電流驅動(dòng)部分的電路原理圖以及電路中各點(diǎn)的電壓波形。

通過(guò)圖5中電阻和電容組成的延時(shí)積分電路可防止b、c點(diǎn)輸出電壓波形中出現毛刺。將b、c兩點(diǎn)的電壓波形同時(shí)加到兩個(gè)具有倒相功能的電流功放中進(jìn)行V/I變換，就可以在繞阻線(xiàn)圈中得到圖2所示的雙向勵磁電流。

2.4 功率放大電路[4]

功率放大器電路原理圖如圖6所示。該放大器由LF347和OPA552及一些電阻組成。其中LF347與R1、R2、R3、R4、R5構成差動(dòng)輸入減法運算放大器，放大倍數K1=R2/R1Uo= - 2（U1-U2）。OPA552與R6、R7、R8、RW1構成了功率放大電路，其放大倍數K2可調，K2=（R7+RW1）/R6。該功率放大電路的總放大倍數為K=K1K2，放大器輸出電壓為：

Uout=K(U1-U2)

其中：K為增益，Uout是加在電動(dòng)機兩端的電樞電壓。實(shí)際上，當U。為正值時(shí)，電機正轉，當U。為負值時(shí)，電機反轉。LF347和OPA552分別由12V和24V電源供電。

3 實(shí)驗

為檢驗交變磁場(chǎng)產(chǎn)生方法和驅動(dòng)電路的可行性，筆者制作了驅動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置，并對其進(jìn)行了實(shí)驗測試。其實(shí)驗系統框圖如圖7所示。其中，轉子由高強度磁能極稀土永磁材料制成，它有一對磁極，磁場(chǎng)方向為徑向，直徑25mm,高度45mm，支架采用非導磁材料做成，電源為直流30V可調。

當系統為電機提供的輸出電壓為12V，電流為500mA時(shí)，電機開(kāi)始轉動(dòng)。此時(shí)用光電測速儀測得的電機轉速可達1000轉/分。通過(guò)調節可調電阻可對電機轉速進(jìn)行調節。經(jīng)過(guò)2小時(shí)的運轉，驅動(dòng)電路未發(fā)生發(fā)熱、燒損現象。

4 結論

本研究實(shí)驗表明，采用勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)法來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)是可能的。相比傳統的電機驅動(dòng)，這種方法有著(zhù)獨特的優(yōu)越性。實(shí)驗證明，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的運轉后，外磁驅動(dòng)系統溫升仍然很小，從而避免了傳統方法中因為溫升過(guò)大而引起的電機損壞。

由于本方所設計的驅動(dòng)電路能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，從而避免了電機換向帶來(lái)的麻煩，簡(jiǎn)化了電路，提高了電機的驅動(dòng)效率效率；同時(shí)，通過(guò)調節可調電阻可以改變輸出脈沖的頻率，從而達到調節電機轉速的目的，同時(shí)也使整個(gè)過(guò)程實(shí)現起來(lái)比較容易。