大间隙永磁轴流式血泵速度控制研究

【摘要】血泵作为人工心脏的核心部件,最主要的功能是代替自然心脏完成泵血功能,因此血泵驱动系统与控制方法的研究,是人工心脏走向临床应用所要面临的首要问题。在血泵的大间隙磁力驱动技术应用研究方面,血泵的转速与机体的生理状态有着直接的对应关系,是系统首要的控制目标参数。而目前对血泵的速度控制策略缺乏较为深入的研究,血泵启动过程的稳定性、调速响应的快速性以及运行过程的平稳性等均有待提高。此外,系统还存在能量利用率低、发热严重及驱动装置笨重等问题,且对系统的控制参数(通电电流、脉冲频率、驱动程序)、性能参数(驱动力矩、负载功率)以及输出状态参数(血泵转速、流量、压力)等之间的相互作用规律缺乏较为系统的研究。本文以实现血泵快速、平稳的调速响应和可靠、安全的运行状态监控为目标,通过对系统电磁驱动性能、能量损耗以及矩频-矩角特性等基础科学问题的研究,提出血泵调速及稳定运行过程的速度控制方法,并实现了血泵输出状态的闭环控制,为血泵自适应控制系统的建立提供参考。论文的主要研究内容及结论：1、设计血泵电磁驱动闭环控制系统根据人体生理模式基本调节机制,针对不同生理状况(不同血压)下所对应的不同心脏搏血量,设计轴流式血泵的磁力驱动闭环控制系统,以血泵输出流量为反馈控制参数,实现了满足不同血压(不同的血泵出口压力)下血泵出口流量的自动调节。2、建立电磁驱动系统能量损耗计算模型针对系统中的涡流损耗、磁滞损耗和铜损等几种主要能量损耗形式,建立血泵电磁驱动系统能量损耗数学模型；仿真研究不同铁芯形状对电磁体铁损耗的影响规律,结果表面铁芯形状对磁滞损耗影响不大,而当铁芯形状不对称时,对涡流损耗影响约为5%。3、基于矩角特性提出最大驱动力矩磁极状态控制方法根据驱动电路电压-电流方程,建立电磁驱动系统的矩频-矩角特性数学模型,研究通电电流随脉冲频率的变化规律,通过数值计算和实验,得出能使血泵获得最大磁驱动力矩的电磁体磁极状态切换偏移角计算公式,提出磁极状态控制方法。4、基于矩频特性提出最小能耗血泵启动电流控制方法基于矩频特性和能量损耗模型,提出最小能耗血泵启动过程电流控制方法,实验验证了小电流递增启动方法的可行性；从启动响应的快速性出发,提出了基于血泵启动过程动力学模型的速度控制方法,通过实验,血泵能在2s内达到额定输出功率,验证了控制方法的有效性。5、提出血泵恒功率输出控制方法针对血泵稳速运行过程,提出不同耦合距离下血泵恒功率输出控制方法,能根据磁极耦合距离的变化,实现稳定的血泵输出功率；基于磁极状态偏移角计算公式,提出血泵最大磁力矩控制方法,采用修正后的控制程序,使血泵的最大负载力矩提高了9.5%。
【作者】刘云龙；
【导师】谭建平；
【作者基本信息】中南大学，机械工程，2013，博士
【关键词】轴流式血泵；大间隙；磁力传动；矩频特性；矩角特性；能量损耗；速度控制；

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