用于人工心脏的无位置传感器无刷直流电机控制

用于人工心脏的无位置传感器无刷直流电机控制 第 20 卷第 1 期 Vol . 20 No . 1 江 苏 理 工 大 学 学 报 J an. 1999 1999 年 1 月Journal of J iangsu U niversity of Science and Technology 用于人工心脏的无位置传感器 3 无刷直流电机控制 曾 培 ( )江苏理工大学生物医学工程研究所 镇江 212013 摘 要介绍了人工心脏叶轮血泵无位置传感器无刷直流电机控制系统 . 该控制系 统使电机可靠性提高 ,控制性能改善 ,而且缩短电机长度 ,减少控制线数目 ,从而适合于临床应 用 . 关键词 人工心脏 无刷电机/ 无传感器位置检测 中图分类号 TM381R318 . 11 无刷直流电机通常根据霍尔元件之类位置传 特点进行电机定子绕组换相控制 ,使电机内工作 感器的位置检测信号进行控制 ,在应用到人工心 气隙产生一个跳跃式的旋转磁场 ,这个旋转磁场 脏血泵时会产生种种弊端 . 首先 ,应用位置传感器 与转子永磁磁场相互作用产生旋转力矩使电机旋 后电机电缆至少需 8 根导线 ,致使人工心脏电缆转 . 反电势位置检测技术已应用于超薄型录像机过粗过硬 , 给接受人工心脏的患者带来不便 ; 同 及各种小型磁设备. 笔者在已有的反电势位 3 ,4 时 ,太多的导线还会增加控制系统的故障发生率 置检测控制电机技术的基础上 ,根据人工心 及工作不可靠性 ;其次 ,安装霍尔元件将增加电机 脏泵的特殊要求 ,采用 MO TO ROL A 公司的专用 转子的长度 ,对驱动电机乃至整个人工心脏血泵 无刷直流电机控制芯片 MC33035 和 MC33039 及 的微型化不利 ;第三 ,霍尔元件安装精度的任何误 通用器件 ,设计了一个无位置传感器小功率微型 差会导致电机电流的增加和效率的降低 ,进而加 三相无刷直流电机控制系统 . 系统原理框图如图 大电机发热量 ;第四 ,由于笔者自制的无刷直流电 1 所示. 电机不转时 ,绕组内无反电势 , 这时启动 1 ,2 机采用泵机合一的结构 ,高速旋转期间 ,转子 在轴向处于悬浮状态 ,泵叶轮的轴向液压力会使 转子在轴向颤动 ,结果霍尔元件因检测不到信号 而使电机控制失灵. 为了解决上述问题 ,笔者在无 刷直流电机中取消霍尔元件 ,采用反电动势位置 检测控制 ,收到较好的效果. 1 反电势位置检测无刷直流电机控 图 1 反电势位置检测无刷直流电机控制原理图 制系统工作原理电路产生频率由低到高的三相方波信号通过电子 按电机学理论可知 ,对于三相无刷直流电机 , 开关送入信号译码与控制电路 ,通过逆变电路启 动电机旋转 ,当转子达到一定转速时 ,定子绕组中 转子旋转时 ,定子绕组感应反电势过零点对于转 产生的反电势值也将达到足够幅值 ,此时电子开 子的空间坐标是固定的 ,不因电机的转速而变. 反 关切换控制电路切换到反电势检测控制状态下. 电势位置检测控制系统一般就利用过零点的这个 反电势检测处理电路对电机定子绕组线反电势信 角波形 ,频率由小到大 ,再由大到小循环变化 ,这种 号进行处理 ,提取转子位置信号并通过电子开关 周期性脉冲序列信号经过三相脉冲信号发生器处 送到信号译码与控制电路 ,产生正确的逆变控制 理 ,获得相位差为三分之一周期的三相方波脉冲序 信号使电机正常运转. 列后 ,通过电子开关送到信号译码与控制电路单 元 ,控制电动机从静止开始旋转 ,逐步升速 ,当达到 一定转速后切换到反电势控制状态. 如果电机瞬时 2 电机自启动电路 超负荷退回自启动状态 ,也可重新启动. 电路如图 自启动电路产生频率连续变化 、相位差为三分 2 所示 ,74L S624 是一个电压控制可变频率压控振 之一周期的三相方波脉冲信号使电机定子绕组可 荡器 ,该芯片的 8 脚输出为频率变化自启动电路时 以产生逐步加快的旋转磁场 ,带动电机由静止开始 钟信号. 2 脚 RN G 控制频率低端 ,考虑到转子惯 旋转并达到一定转速. 过去三相方波信号的频率是 性 ,2 脚通过 R16 接电源 ,以取得最低的初始启动 由低到高连续变化 ,最后保持在某一高频上. 在这 频率. 13 脚 FC 是频率调节控制端 ,其电压值与输 种信号控制下 ,电机虽然可以完成由静止开始旋 出频率成正比. 该端由 7555 时基芯片产生的长周 转 ,达到一定转速时切换到反电势控制方式. 但当 期方波信号控制 ,当该信号高电平时 ,输出信号频 某种因素导致电机负载瞬时增大到超过设计值 ,转 率增加 ,低电平时输出信号频率降低. 电容 C4 的值 速下降退回到自启动状态时 ,控制系统不能自行再 决定最高启动频率 ,74L S175 在时基信号驱动下产 启动电机运行. 笔者把变频启动信号频率设计为三 生符合电机逻辑要求的三相启动脉冲信号. 图 2 自启动电路原理图 器. 从比较器输出即可得到转子位置信号 S 、S aa bb 与 S 信号 ,经过反电势检测处理的电机转子位置 cc3 反电势检测信号产生电路 信号为占空比为百分之五十 ,相位差为三分之一周 期的脉冲信号 S 、S 、S .反电势位置检测电路是对电机三相定子绕组 a b c 的线反电势信号进行处理 ,产生相应的转子位置信 号 ,并通过电子开关送到信号译码与控制单元. 图 3 所示为三相无刷直流电机反电势检测时序图 ,从 转子位置信号 S 、S 、S 与电机定子绕组线反电势 a b c 信号 E、E、E之间的时序关系不难看出 , E、E、a b c a b E信号的等幅值点正是转子位置信号 S 、S 、S c a b c 的切换点. E、E、E是 E、E、E分别滤波后的 aa bb cca b c 信号. 具体电路如图 4 所示. E、E、E通过一阶无 a b c 源网络滤除电机绕组在切换瞬间产生的高频脉动 信号后为 E、E、E. 为防止滤波电路产生较大 aa bb cc 相位移 ,转折频率不宜过低. 电机绕组反电势电压 曾 培 用于人工心脏的无位置传感器无刷直流电机控制 第 1 期 43 V MO S 逆变桥电机绕组换相逻辑驱动信号. 采用 MC33039 与 MC33035 配合使用 , 可以组成稳定 4 译码 、逆变与开关切换控制电路 5 可靠 PWM 闭环速度控制系统. MC33035 具有 信号译码控制及逆变电路如图 4 所示 ,采用 较强故障检测处理和报警能力 ,如过电流保护 、欠 MO TO ROL A 公 司 的 专 用 无 刷 电 机 控 制 芯 片电压锁定 、无效转子位置信号保护和过热保护等. MC33035 对转子位置信号进行译码 ,并产生驱动电 子 开 关 切 换 控 制 电 路 由 速 度 检 测 芯 片 图 4 反电势检测控制电路原理图 MC33039 监视电机转速并产生一个正比于转速 速 、转矩 、发热 、运转平稳性等几方面基本没有差 的模拟信号. 该模拟信号经过滤波处理后与给定 异 ,高速时因后者有轴颤 ,无位置传感器电机性能 电压比较 ,当速度低时 ,比较电路输出低电平到电 略高一些. 试验证明 ,在人工心脏无刷直流电机设 子开关控制端 ,允许自启动电路信号通过 ,电机处 计中 ,采用无传感器无刷直流电机结构 ,可以较好 于自启动状态 . 当速度达到一定值时 ,转子速度信 地解决人工心脏驱动电机微型化和电机电缆过粗 号值超过给定电压值 ,比较电路输出高电平 ,电子 过硬等问题. 可以认为无传感器电机结构是今后 无刷直流电机微型化的发展方向. 开关切换 ,允许反电势检测电路信号通过 ,电机处 于反电势控制状态. 给定电压较低时自启动可靠 , 参 考 文 献但容易产生反转 ,恰当地设计给定电压可以较好 地兼顾自启动和反转. 1 钱坤喜 ,赵福候 . 泵机合一的新颖心脏泵 . 中国学术期 () () 刊文摘 科技快报,1998 ,4 3:379 5 结论 钱坤喜 . 泵机合一的叶轮式心室辅助装置. 国家专利 , 2 982265328 本系统已应用在人工心脏驱动装置中 ,使电 贺益康 . 无位置检测器永磁无刷电机的控制 . 微电机 , 3 () 1990 ,21 4:10,15 机电缆原有 8 根导线减少至 3 根 ,电机长度因取 张 英. 无 位 置 传 感 器 无 刷 直 流 电 机 的 锁 相 稳 速 系 消霍尔元件缩短 5 mm ,提高了电机的工作可靠 () 统 . 微特电机 ,1994 6:17,19 4 性 . 另外 ,也较好地解决了因采用无位置传感器结沈耀忠 . TMOS 功率场效应管原理及应用 . 北京 : 电子 工业出版社 ,1995 . 142,153 构带来的电机自启动 、反转 、速度控制等问题. 并 5 ()下接 79 页在同一无刷直流电机上 ,对无位置传感器与有位 置传感器控制进行了性能比较 ,结果两者效率 、转 6 Akagi H , Kanazawa Y ,Nabae A. Instantaneous Reactive 向 . 中国第四届交流电机调速传动学术会议 , 1995 4 杨 君 ,葛文运 ,王兆安 . 不对称三相电路中谐波及基 Power Co mpensatio n Co mp rizing Switching Devices 波负序电流的实时检测. 中国第四界交流电机调速传 wit hout Energy Storage Co mpo nent s. I EEE Trans Ind 动学术会议 , 1995 () Appl ,1984 ,20 3:5 , 10 王兆安 ,李 民 ,卓 放 . 三相电路瞬时无功功率理论 5 7 杨 君 , 王兆安. 三相电路谐波电流两种检测方法的() 的研究 . 电工技术学报 ,1992 2:55 () 对比研究 . 电工技术学报 ,1995 2:43 , 48 A New Met ho d of Detecting bot h High Har mo nic Current and Reactive Current L i u Guoh ai J a n g B i n S hen g Zh a ns hi ()Depart ment of Elect rical Engineering ,J iangsu U niversit y of Science and Technology , Zhenjiang ,212013 Abstract Based o n t he t heo ry of instantaneo us reactive power ,a new detecting met ho d is p ut fo rward wit h w hich bot h instantaneo us reactive current s and high f requency har mo nics can be detected simultaneo usly. It is p roved to be co rrect and feasible by simulatio n . Key words harmon ic wave ; simulat ion ;act ive f ilters ()上接 43 页 Co nt rol of Brushless DC Moto r wit ho ut Po sitio n Senso r fo r Artificial Heart Zen g Pei ( )Instit ute of Bio medical Engineering ,J iangsu U niversit y of Science and Technology , Zhenjiang ,212013 Abstract The design of t he co nt rol system of brushless DC moto r wit ho ut po sitio n senso r fo r artificial heart impeller bloo d p ump is int ro duced ,resulting not o nly in imp rovement of moto r reliabilit y and perfo r mance p ropert y ,but also in reductio n of moto r lengt h and numbers of co nt rol wire . The co nt rol system has made t he bloo d p ump mo re co nvenient fo r clinical use . Key words art if ic ial hearts ; brushless motor/ sensorless posit ion detect ion