微型軸流式血泵外磁驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：微型軸流式血泵是目前人工心臟結(jié)構(gòu)研究的熱點，外磁驅(qū)動是一種新型的血泵驅(qū)動方式。文中介紹了血泵外磁驅(qū)動電路的設(shè)計方案。通過該方案能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，可直接驅(qū)動電機以實現(xiàn)血泵的外磁驅(qū)動。

    關(guān)鍵詞：軸流式血泵  磁場  雙向電流  功率放大器

在人工心臟研究過程中，血泵驅(qū)動能源的提供方式是人工心臟研究的關(guān)鍵問題之一[1][2]。目前的外磁驅(qū)動方式采用體外旋轉(zhuǎn)磁場作為驅(qū)動能源，(范文先生網(wǎng)adivasplayground.com收集整理)并通過體外旋轉(zhuǎn)永磁體的旋轉(zhuǎn)來帶動體內(nèi)永磁體的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)非接觸式磁場驅(qū)動。相比常規(guī)的能量傳遞方式，非接觸式磁場驅(qū)動技術(shù)沒有任何經(jīng)皮導(dǎo)線，因而可避免內(nèi)外貫通，從而大大降低了感染機會，提高了病人的生活質(zhì)量。本文對這種驅(qū)動方式中的外磁驅(qū)動電路進行了設(shè)計研究。

1 血泵工作原理及交變磁場的產(chǎn)生

1.1 磁場驅(qū)動軸流式血泵工作原理

植入式血泵的驅(qū)動一般都采用外磁場驅(qū)動，主要原理是：利用體外的旋轉(zhuǎn)磁場來驅(qū)動血泵內(nèi)永磁體（血泵葉輪部分）的轉(zhuǎn)動，從而達到無接觸驅(qū)動。

外磁場驅(qū)動軸流式血泵系統(tǒng)吸取并融合了機械心臟瓣膜和“軸流式”血泵的結(jié)構(gòu)特點，確定了動脈腔 內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”結(jié)構(gòu)設(shè)計及植入方法，從而大大簡化了植入部分的結(jié)構(gòu)。血泵系統(tǒng)腔內(nèi)部分的工作原理采用了與軸流泵葉輪相同的機制，而驅(qū)動力的產(chǎn)生則通過體外可控交變磁場穿透人體和主動脈壁來驅(qū)動動脈腔內(nèi)的“葉輪-永磁轉(zhuǎn)子體”，以實現(xiàn)非接觸式動力傳遞，從而避免了密封，滲漏以有人體排異性等一系列傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)難以克服的工程和醫(yī)學(xué)上的困難。該方案將產(chǎn)生交變驅(qū)動磁場 的“定子”置于體外，故應(yīng)通過傳感器采集相應(yīng)的人體自身信號和周圍環(huán)境信號，并在驅(qū)動控制裝置的控制下，通過適當?shù)慕蛔兇艌鱿蝮w內(nèi)傳遞給渦輪的葉輪。在驅(qū)動力的持續(xù)帶動下，血泵可不斷將血液由左心室腔提升到主動脈腔，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 交變磁場的產(chǎn)生方法

交變磁場的產(chǎn)生采用勵磁線圈驅(qū)動法，它利用電機的工作原理將徑向充磁的永磁轉(zhuǎn)子作為電機的轉(zhuǎn)子，在永磁體外按90o方向纏繞兩組線圈，通過可變頻脈沖電路分時驅(qū)動不同的線圈組，以達到驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的目的。其系統(tǒng)工作原理示意圖如圖.

2 驅(qū)動電路設(shè)計

2.1驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)原理

血泵驅(qū)動電路包括占空比為50%的方波形成電路、雙向勵磁電流驅(qū)動電路以及雙向勵磁電流功放輸出電路等，其電路結(jié)構(gòu)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(gòu)成。圖4是由555構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生方波脈沖的電路圖。圖中當R1=R2，C=10μF時，其占空比為50%。

2.3 雙向勵磁電流電路

該血泵驅(qū)動電路采用單電源供電方式，從而避免了實際應(yīng)用中采用多電源所帶來的方便，并大大簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計。占空比為50%的方波經(jīng)過4013觸發(fā)器分頻可實現(xiàn)兩組線圈作用時間的均勻分配，雙向勵磁電流驅(qū)動電路是血泵驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動電壓。圖5給出了雙向勵磁電流驅(qū)動部分的電路原理圖以及電路中各點的電壓波形。

通過圖5中電阻和電容組成的延時積分電路可防止b、c點輸出電壓波形中出現(xiàn)毛刺。將b、c兩點的電壓波形同時加到兩個具有倒相功能的電流功放中進行V/I變換，就可以在繞阻線圈中得到圖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(gòu)成差動輸入減

法運算放大器，放大倍數(shù)K1=R2/R1Uo= - 2（U1-U2）。OPA552與R6、R7、R8、RW1構(gòu)成了功率放大電路，其放大倍數(shù)K2可調(diào)，K2=（R7+RW1）/R6。該功率放大電路的總放大倍數(shù)為K=K1K2，放大器輸出電壓為：

Uout=K(U1-U2)

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

3 實驗

為檢驗交變磁場產(chǎn)生方法和驅(qū)動電路的可行性，筆者制作了驅(qū)動磁場發(fā)生裝置，并對其進行了實驗測試。其實驗系統(tǒng)框圖如圖7所示。其中，轉(zhuǎn)子由高強度磁能極稀土永磁材料制成，它有一對磁極，磁場方向為徑向，直徑25mm,高度45mm，支架采用非導(dǎo)磁材料做成，電源為直流30V可調(diào)。

當系統(tǒng)為電機提供的輸出電壓為12V，電流為500mA時，電機開始轉(zhuǎn)動。此時用光電測速儀測得的電機轉(zhuǎn)速可達1000轉(zhuǎn)/分。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。經(jīng)過2小時的運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路未發(fā)生發(fā)熱、燒損現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本研究實驗表明，采用勵磁線圈驅(qū)動法來產(chǎn)生交變磁場是可能的。相比傳統(tǒng)的電機驅(qū)動，這種方法有著獨特的優(yōu)越性。實驗證明，經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)后，外磁驅(qū)動系統(tǒng)溫升仍然很小，從而避免了傳統(tǒng)方法中因為溫升過大而引起的電機損壞。

    由于本方所設(shè)計的驅(qū)動電路能夠產(chǎn)生雙向勵磁電流，從而避免了電機換向帶來的麻煩，簡化了電路，提高了電機的驅(qū)動效率效率；同時，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可以改變輸出脈沖的頻率，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的，同時也使整個過程實現(xiàn)起來比較容易。

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