專利名稱：用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工輔助心臟系統(tǒng)電機控制器，具體涉及一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器永磁軸承盤式無刷直流電機的控制器。
背景技術(shù)：
人工輔助心臟泵采用電機、泵一體的結(jié)構(gòu)，電機屬于盤式無刷直流電機，此種電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)需要控制器根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)精確換相，電機轉(zhuǎn)子位置需要位置傳感器測量得到，而常用的位置傳感器不可避免地具有增大電機尺寸、增加引出線等弊端，從而加深了患者的痛苦，并且降低了人工輔助心臟系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器， 該控制器采用了無位置傳感器電機控制方式，不需要安裝機械式位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置信號，而只需間接通過檢測電機的電壓、電流等物理量來得到轉(zhuǎn)子的位置信息，避免了有傳感器電機控制的種種問題。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其中，它包括電源電路、驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路和主控單元，電源電路分別與驅(qū)動電路、保護電路、主控單元連通，主控單元還分別與驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路連通，逆變電路還分別與驅(qū)動電路、保護電路連通；電源電路為主控單元、保護電路和驅(qū)動電路提供能源。所述的驅(qū)動電路接收主控單元的PWM控制信號，經(jīng)過信號放大后驅(qū)動逆變電路工作；逆變電路的工作電流、工作電壓信號反饋到主控單元中，主控單元通過電流、電壓信號以及主控單元中設定的人工輔助心臟電機轉(zhuǎn)速值，生成PWM控制信號；同時逆變電路的工作電流、工作電壓信號進入保護電路，由保護電路判斷控制器的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常， 保護電路輸出保護信號給主控單元，主控單元將短時間關(guān)閉PWM輸出以保護控制器。所述的電源電路包括微型DC/DCI、微型DC/DCII和雙路電壓調(diào)整器，微型DC/DCI 將24V直流電源變換為5V，為雙路電壓調(diào)整器提供穩(wěn)定可靠的低電壓輸入；雙路電壓調(diào)整器將微型DC/DC I提供的5V直流電源變換為3. 3V/1. 8V雙路電源，提供給主控單元和保護電路；微型DC/DCII將24V直流電源變換為12V，為驅(qū)動電路提供驅(qū)動信號放大的能源。所述的主控單元包括控制芯片、通訊電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路、時鐘電路和存儲記錄電路，控制芯片分別與驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路、雙路電壓調(diào)整器、通訊電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路、時鐘電路和存儲記錄電路連通，雙路電壓調(diào)整器還分別與通訊電路、顯示電路、按鍵電路、報警電路、時鐘電路、存儲記錄電路連通，微型DC/DCII 與驅(qū)動電路連通。所述的控制芯片從逆變電路中采集電壓、電流，通過自身的數(shù)據(jù)處理功能計算出電機的轉(zhuǎn)速，用戶通過上位機實時檢測人工輔助心臟泵電機運行狀態(tài)，通訊電路是控制器與上位機之間的通訊接口，它將接收的上位機強電信號轉(zhuǎn)換為控制芯片能夠接收的弱電信號發(fā)送給控制芯片，并將控制芯片需要發(fā)送的的弱電信號轉(zhuǎn)化為強電信號發(fā)送到上位機上；按鍵電路用于控制控制芯片內(nèi)的信息，使其顯示在顯示電路上，控制芯片內(nèi)的信息包括電壓、電流以及電機的轉(zhuǎn)速信息，同時按鍵電路將用戶輸入的電機的轉(zhuǎn)速設定值傳遞給控制芯片，轉(zhuǎn)速設定值通過控制芯片的判讀后，有效的轉(zhuǎn)速設定值將被執(zhí)行，否則將通過報警電路發(fā)出警報，并在顯示電路上提示無效。所述的報警電路包括高強度發(fā)光二極管和蜂鳴器，在控制器工作異常和用戶輸入的轉(zhuǎn)速設定值無效時，報警電路接收到控制芯片的報警指令會同時通過聲、光效果提醒患者及其監(jiān)護者注意，出現(xiàn)影響患者生命的嚴重異常時會長時間報警；時鐘電路是高精度日歷芯片，控制芯片從日歷芯片中讀取時鐘數(shù)據(jù)，為用戶提供精確的時鐘顯示，并為數(shù)據(jù)記錄提供時基；存儲記錄電路將控制器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時記錄在存儲器內(nèi)，為醫(yī)生和患者提供準確可靠的控制器運行數(shù)據(jù)。所述的控制芯片為高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812，所述的通訊電路為 RS232總線收發(fā)器，所述的顯示電路采用OLED液晶顯示屏，所述的按鍵電路采用可靠性高、 壽命久的輕觸按鈕連接到控制芯片的通用I/O端，存儲記錄電路采用EEPROM芯片。本發(fā)明的有益技術(shù)效果本發(fā)明的控制器不使用機械式位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置信息，節(jié)約心臟泵本就十分受限的空間尺寸，并避免了位置傳感器引出線穿過患者皮膚增加的患者痛苦，最大限度地減小感染幾率?？刂破鞅旧聿捎眉啥雀摺⒛芎牡偷脑骷?，并根據(jù)人體工程學設計了結(jié)構(gòu)緊湊、適合移動攜帶的殼體，使患者獲得行動上的最大自由，重新收獲生活的樂趣。本發(fā)明除了用于人工輔助心臟泵的控制驅(qū)動外，還可用于其他要求高可靠、便攜式的無位置傳感器無刷直流電機控制?？刂破饔呻娫措娐?、驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路和主控單元組成。電源電路將外部電池組的24V直流電源變換為穩(wěn)定的二次電源，提供給主控單元、驅(qū)動電路和保護電路，并最大限度地降低電機運行中產(chǎn)生的電壓波動對控制電路的不利影響；驅(qū)動電路將主控單元的電子換相信號放大，驅(qū)動逆變電路工作；逆變電路將直流MV電源調(diào)制為具有一定邏輯順序的“交流”電源，驅(qū)動血泵的盤式電機運行；保護電路包括過流、欠壓等多重保護模式，在控制器發(fā)生工作異常時保護其不被損壞；主控單元主要完成無位置傳感器電機控制的位置估算、速度環(huán)、電流環(huán)控制、上位機通訊，以及人機用戶界面的按鍵響應、液晶屏顯示等功能。


圖1為本發(fā)明所提的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器的系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明所提的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.電源電路，2.驅(qū)動電路，3.逆變電路，4.保護電路，5.主控單元，6.微型 DC/DCI，7.微型DC/DCII，8.雙路電壓調(diào)整器，9.控制芯片，10.通訊電路，11.顯示電路， 12.按鍵電路，13.報警電路，14.時鐘電路，15.存儲記錄電路，16.電機，17.上位機，18.電源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖1所示，一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，它包括電源電路1、驅(qū)動電路2、逆變電路3、保護電路4和主控單元5。電源電路1為主控單元5、保護電路4和驅(qū)動電路2提供穩(wěn)定可靠的能源；驅(qū)動電路2接收主控單元5的PWM控制信號， 經(jīng)過信號放大后驅(qū)動逆變電路3工作；逆變電路3的工作電流、工作電壓信號反饋到主控單元5中，主控單元5通過電流、電壓信號以及主控單元5中設定的人工輔助心臟電機16轉(zhuǎn)速值，生成PWM控制信號；同時逆變電路3的工作電流、工作電壓信號進入保護電路4，由保護電路4判斷控制器的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，保護電路4輸出保護信號給主控單元5， 主控單元5將短時間關(guān)閉PWM輸出以保護控制器。24V電源18給電源電路1和逆變電路3 提供穩(wěn)定可靠的能源。如圖2所示，電源電路1包括微型DC/DCI6、微型DC/DCII7和雙路電壓調(diào)整器8， 其中微型DC/DC 16將24V直流電源變換為5V，為雙路電壓調(diào)整器8提供穩(wěn)定可靠的低電壓輸入；雙路電壓調(diào)整器8將微型DC/DC 16提供的5V直流電源變換為3. 3V/1. 8V雙路電源， 提供給主控單元5中的各模塊和保護電路4 ；微型DC/DCII7將24V直流電源變換為12V，為驅(qū)動電路2提供驅(qū)動信號放大的能源。人工輔助心臟泵用控制器為了便攜持久，要求耗電量低、工作效率高。本發(fā)明中電源電路微型DC/DC 16和微型DC/DC 117的電壓轉(zhuǎn)換效率大于85 %，達到了降低控制器功耗，抑制控制器溫升，提高元器件使用壽命的目的。驅(qū)動電路2采用功率驅(qū)動集成芯片，集成度高、體積小，驅(qū)動方式為自舉驅(qū)動，這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)緊湊、所用外圍元器件數(shù)量少、驅(qū)動效率高；逆變電路3采用三相MOSFET 橋，MOSFET功率器件具有電壓驅(qū)動、開關(guān)損耗小、適合于低電壓應用的優(yōu)點。本發(fā)明中驅(qū)動電路2和逆變電路3均滿足小巧便攜，效率高的要求。保護電路4包括過流保護和欠壓保護等多重保護模式，其中過流保護通過采樣電阻將電機電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐担ㄟ^電壓比較器與設定值比較產(chǎn)生過流信號，進而由控制單元5短時切斷驅(qū)動電路實現(xiàn)電流降低目的。主控單元5是控制器的控制核心，包括控制芯片9、通訊電路10、顯示電路11、按鍵電路12、報警電路13、時鐘電路14和存儲記錄電路15。其中控制芯片9為高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812，是整個控制器的數(shù)據(jù)處理中心，主要完成人工輔助心臟泵電機轉(zhuǎn)子位置檢測、電機轉(zhuǎn)速計算、轉(zhuǎn)速閉環(huán)運算、PWM控制信號生成類實時電機運行控制任務，以及通訊管理、人機友好管理、報警管理、數(shù)據(jù)記錄管理類非實時任務。控制芯片9從逆變電路3中采集電壓、電流，通過自身的數(shù)據(jù)處理功能計算出電機16的轉(zhuǎn)速。用戶可以通過上位機17實時檢測人工輔助心臟泵電機運行狀態(tài)， 通訊電路10是控制器與上位機之間的RS232通訊接口，通訊電路10為RS232總線收發(fā)器，它將接收的上位機17強電信號轉(zhuǎn)換為控制芯片9能夠接收的弱電信號發(fā)送給控制芯片9，并將控制芯片9需要發(fā)送的的弱電信號轉(zhuǎn)化為強電信號發(fā)送到上位機17上；按鍵電路12用于控制控制芯片9內(nèi)的信息，使其顯示在顯示電路11上，控制芯片9內(nèi)的信息包括電壓、電流以及電機16的轉(zhuǎn)速信息，同時按鍵電路12將用戶輸入的電機16的轉(zhuǎn)速設定值傳遞給控制芯片9，轉(zhuǎn)速設定值通過控制芯片9的判讀后，有效的轉(zhuǎn)速設定值將被執(zhí)行， 否則將通過報警電路13發(fā)出警報，并在顯示電路11上提示無效。有效的轉(zhuǎn)速設定值是指人體能夠正常工作生活所需的電機16的轉(zhuǎn)速范圍，該范圍可以依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的方法得到。按鍵電路12采用可靠性高、壽命久的輕觸按鈕連接到控制芯片9的通用I/O端。 顯示電路11采用節(jié)能輕薄的OLED液晶顯示屏。報警電路13包括高強度發(fā)光二極管和蜂鳴器，在控制器工作異常和用戶輸入的轉(zhuǎn)速設定值無效時，報警電路13接收到控制芯片9的報警指令會同時通過聲、光效果提醒患者及其監(jiān)護者注意，出現(xiàn)影響患者生命的嚴重異常時會長時間報警；時鐘電路14是高精度日歷芯片，控制芯片9從日歷芯片中讀取時鐘數(shù)據(jù)，為用戶提供精確的時鐘顯示，并為數(shù)據(jù)記錄提供時基；存儲記錄電路15采用EEPROM芯片，它將控制器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時記錄在存儲器內(nèi)，為醫(yī)生和患者提供準確可靠的控制器運行數(shù)據(jù)。人工輔助心臟泵用控制器根據(jù)用戶設定的運行參數(shù)，控制心臟泵運行?？刂破鲿τ脩粼O定參數(shù)進行判讀，如果參數(shù)合理有效，控制器將控制心臟泵按照新的參數(shù)運行，如果設定參數(shù)不合理，會造成患者危險，控制器的報警系統(tǒng)會通過聲、光形式發(fā)出警報，并且在顯示屏上顯示“參數(shù)無效”提示。同時控制器對心臟泵的運行參數(shù)實時檢測并記錄，一旦控制器發(fā)現(xiàn)運行異常，將通過報警系統(tǒng)發(fā)出警報，如果是危及患者生命的嚴重錯誤，會發(fā)出長時間報警信號，提醒患者及其監(jiān)護者及時采取措施。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，能夠控制人工輔助心臟泵長時間穩(wěn)定可靠工作。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容均可以采用現(xiàn)有技術(shù)，例如本發(fā)明提及電源電路1、驅(qū)動電路2、逆變電路3、保護電路4、主控單元5、微型DC/DCI6、微型DC/DCI17、 雙路電壓調(diào)整器8、控制芯片9、通訊電路10、顯示電路11、按鍵電路12、報警電路13、時鐘電路14、存儲記錄電路15、電機16、上位機17的等均可以采用現(xiàn)有技術(shù)中任何型號的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于它包括電源電路⑴、驅(qū)動電路⑵、逆變電路⑶、保護電路⑷和主控單元(5)，電源電路⑴分別與驅(qū)動電路⑵、保護電路⑷、主控單元(5)連通，主控單元(5)還分別與驅(qū)動電路(2)、逆變電路(3)、保護電路⑷連通，逆變電路(3)還分別與驅(qū)動電路O)、保護電路⑷連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的電源電路⑴為主控單元(5)、保護電路(4)和驅(qū)動電路(2)提供能源， 驅(qū)動電路⑵接收主控單元(5)的PWM控制信號，經(jīng)過信號放大后驅(qū)動逆變電路(3)工作； 逆變電路(3)的工作電流、工作電壓信號反饋到主控單元(5)中，主控單元(5)通過電流、 電壓信號以及主控單元(5)中設定的人工輔助心臟電機(16)轉(zhuǎn)速值，生成PWM控制信號； 同時逆變電路(3)的工作電流、工作電壓信號進入保護電路G)，由保護電路(4)判斷控制器的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，保護電路(4)輸出保護信號給主控單元(5)，主控單元(5)將短時間關(guān)閉PWM輸出以保護控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的電源電路(1)包括微型DC/DCI(6)、微型DC/DCII(7)和雙路電壓調(diào)整器(8)，微型DC/DCI(6)將24V直流電源變換為5V，為雙路電壓調(diào)整器(8)提供穩(wěn)定可靠的低電壓輸入；雙路電壓調(diào)整器⑶將微型DC/DC I (6)提供的5V直流電源變換為3. 3V/1. 8V 路電源，提供給主控單元(5)和保護電路⑷；微型DC/DCII(7)將MV直流電源變換為12V， 為驅(qū)動電路( 提供驅(qū)動信號放大的能源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的主控單元(5)包括控制芯片(9)、通訊電路(10)、顯示電路(11)、按鍵電路(12)、報警電路(13)、時鐘電路(14)和存儲記錄電路(15)，控制芯片(9)分別與驅(qū)動電路O)、逆變電路(3)、保護電路G)、雙路電壓調(diào)整器(8)、通訊電路(10)、顯示電路(11)、 按鍵電路(12)、報警電路(1 、時鐘電路(14)和存儲記錄電路(1 連通，雙路電壓調(diào)整器⑶還分別與通訊電路(10)、顯示電路(11)、按鍵電路(12)、報警電路(13)、時鐘電路 (14)、存儲記錄電路(15)連通，微型DC/DCII(7)與驅(qū)動電路(2)連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的控制芯片(9)從逆變電路(3)中采集電壓、電流，通過自身的數(shù)據(jù)處理功能計算出電機(16)的轉(zhuǎn)速，用戶通過上位機(17)實時檢測人工輔助心臟泵電機運行狀態(tài)， 通訊電路(10)是控制器與上位機(17)之間的通訊接口，它將接收的上位機(17)強電信號轉(zhuǎn)換為控制芯片(9)能夠接收的弱電信號發(fā)送給控制芯片(9)，并將控制芯片(9)需要發(fā)送的弱電信號轉(zhuǎn)化為強電信號發(fā)送到上位機(17)上；按鍵電路(12)用于控制控制芯片(9)內(nèi)的信息，使其顯示在顯示電路(11)上，控制芯片(9)內(nèi)的信息包括電壓、電流以及電機(16)的轉(zhuǎn)速信息，同時按鍵電路(1 將用戶輸入的電機(16)的轉(zhuǎn)速設定值傳遞給控制芯片(9)，轉(zhuǎn)速設定值通過控制芯片(9)的判讀后，有效的轉(zhuǎn)速設定值將被執(zhí)行，否則將通過報警電路(1 發(fā)出警報，并在顯示電路(11)上提示無效。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的報警電路(1 包括高強度發(fā)光二極管和蜂鳴器，在控制器工作異常和用戶輸入的轉(zhuǎn)速設定值無效時，報警電路(1 接收到控制芯片(9)的報警指令會同時通過聲、光效果提醒患者及其監(jiān)護者注意，出現(xiàn)影響患者生命的嚴重異常時會長時間報警；時鐘電路(14)是高精度日歷芯片，控制芯片(9)從日歷芯片中讀取時鐘數(shù)據(jù)，為用戶提供精確的時鐘顯示，并為數(shù)據(jù)記錄提供時基；存儲記錄電路(1 將控制器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時記錄在存儲器內(nèi)，為醫(yī)生和患者提供準確可靠的控制器運行數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其特征在于所述的控制芯片(9)為高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812，所述的通訊電路 (10)為RS232總線收發(fā)器，所述的顯示電路(11)采用OLED液晶顯示屏，所述的按鍵電路 (12)采用可靠性高、壽命久的輕觸按鈕連接到控制芯片(9)的通用I/O端，存儲記錄電路 (15)采用EEPROM芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種人工輔助心臟系統(tǒng)電機控制器，具體公開一種用于人工輔助心臟系統(tǒng)無位置傳感器電機的控制器，其中，它包括電源電路、驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路和主控單元，電源電路分別與驅(qū)動電路、保護電路、主控單元連通，主控單元還分別與驅(qū)動電路、逆變電路、保護電路連通，逆變電路還分別與驅(qū)動電路、保護電路連通；電源電路為主控單元、保護電路和驅(qū)動電路提供能源。本發(fā)明的控制器采用了無位置傳感器電機控制方式，不需要安裝機械式位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置信號，而只需間接通過檢測電機的電壓、電流等物理量來得到轉(zhuǎn)子的位置信息，避免了有傳感器電機控制的種種問題。
文檔編號H02P27/06GK102255584SQ20101017428
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者張建國, 李雪 申請人:北京天高智機技術(shù)開發(fā)公司