磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法，包括：功率模塊，提供所述磁懸浮人工心臟所需的電流；檢測模塊，檢測所述功率模塊輸出的電流；反饋模塊，接收所述檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送入所述功率模塊形成反饋；所述磁懸浮人工心臟磁浮電源還包括：前饋補(bǔ)償模塊，所述前饋補(bǔ)償模塊在所述磁懸浮人工心臟的起浮信號的驅(qū)動下開始工作，在預(yù)先設(shè)定的起浮時間內(nèi)，為所述功率模塊提供前饋補(bǔ)償，使所述功率模塊輸出的電流能夠滿足所述磁懸浮人工心臟起浮的要求。通過前饋補(bǔ)償，保證了磁懸浮人工心臟的可靠起浮。
【專利說明】磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮技術(shù)能夠避免機(jī)械摩擦，被應(yīng)用在特種場合的泵中，磁懸浮泵是一種采用磁軸承作為轉(zhuǎn)子支承的泵，它利用磁軸承將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地懸浮在空中，使轉(zhuǎn)子在高速工作過程中與定子之間沒有機(jī)械接觸，具有無機(jī)械磨損、能耗低、允許轉(zhuǎn)速高、噪聲低、壽命長、無需潤滑等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]目前，磁懸浮泵技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用在最新的人工心臟上，人工心臟經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從第一代氣動式搏動泵，到第二代機(jī)械軸承式葉輪泵，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代磁懸浮人工心臟。磁懸浮人工心臟的好處在于轉(zhuǎn)子與定子之間沒有任何機(jī)械接觸，壽命長，血液相容性好。磁懸浮人工心臟已經(jīng)可以做到植入人體，但由于目前技術(shù)條件的限制，磁懸浮人工心臟的磁浮電源和電池一般設(shè)置在體外，并通過一根經(jīng)皮電纜與體內(nèi)的磁懸浮人工心臟連接。
[0004]磁懸浮人工心臟的起浮時間一般不超過10mS，但起浮時瞬時電流非常大，可達(dá)約5A-10A,由于經(jīng)皮電纜電阻的壓降，在大電流的情況下，磁懸浮人工心臟處的電壓跌落太大，以至于磁懸浮人工心臟起浮困難，為了解決這個問題，人們可以采用的一種方法是提高供電電壓，但是在起浮成功后高的供電電壓不再有用，且對人體有一定的危險(xiǎn)性；人們可以采用的另一種方法是增加經(jīng)皮電纜中導(dǎo)線的橫截面積，但如此一來會增加經(jīng)皮電纜的硬度和直徑，容易導(dǎo)致經(jīng)皮電纜穿出皮膚的位置發(fā)生機(jī)械損傷和感染；通常在磁浮電源輸出端加一個容量很大的電容也不能解決后面經(jīng)皮電纜壓降的問題，因此，需要提供一種新的方式來解決這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種使磁懸浮人工心臟能夠可靠起浮且更加安全的磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種磁懸浮人工心臟磁浮電源，包括:功率模塊，提供所述磁懸浮人工心臟所需的電流；檢測模塊，檢測所述功率模塊輸出的電流；反饋模塊，接收所述檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送入所述功率模塊形成反饋；所述磁懸浮人工心臟磁浮電源還包括:前饋補(bǔ)償模塊，所述前饋補(bǔ)償模塊在所述磁懸浮人工心臟的起浮信號的驅(qū)動下開始工作，在預(yù)先設(shè)定的起浮時間內(nèi)，為所述功率模塊提供前饋補(bǔ)償，使所述功率模塊輸出的電流能夠滿足所述磁懸浮人工心臟起浮的要求。
[0007]優(yōu)選的，所述磁懸浮人工心臟磁浮電源為開關(guān)電源。
[0008]優(yōu)選的，所述檢測模塊包括霍爾電流傳感器。
[0009]優(yōu)選的，所述磁浮電源通過經(jīng)皮電纜與所述磁懸浮人工心臟連接，所述前饋補(bǔ)償模塊可提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償以及針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)\-ZX O
[0010]優(yōu)選的，所述針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償基于所述經(jīng)皮電纜的阻抗特性預(yù)先設(shè)定。
[0011]優(yōu)選的，所述針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)償基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定。
[0012]優(yōu)選的，所述起浮時間包括第一起浮階段以及第二起浮階段，在第一起浮階段，所述前饋補(bǔ)償模塊提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償和針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)償，在所述第二起浮階段，所述前饋補(bǔ)償模塊僅提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償。
[0013]優(yōu)選的，所述第一起浮階段的持續(xù)時間基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定。
[0014]優(yōu)選的，所述起浮時間小于10ms。
[0015]本發(fā)明提供的另一技術(shù)方案是:一種磁懸浮人工心臟磁浮電源的控制方法，包括以下步驟:a.接收起浮信號；b.提供前饋補(bǔ)償給所述功率模塊；c.判斷起浮時間是否結(jié)束，若起浮時間已經(jīng)結(jié)束，停止提供所述前饋補(bǔ)償。
[0016]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法，結(jié)構(gòu)簡潔，采用了前饋補(bǔ)償，分別補(bǔ)償了經(jīng)皮電纜阻抗引起的壓降和反饋環(huán)節(jié)帶寬引起的起浮電流不足的問題，有效的解決了磁懸浮人工心臟因上述問題的存在帶來的起浮困難的難題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖1為本發(fā)明實(shí)施方式提供的磁懸浮人工心臟磁浮電源的原理示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施方式提供的磁懸浮人工心臟磁浮電源的工作波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0019]請參見圖1，磁懸浮人工心臟13設(shè)置于人體15內(nèi)，磁懸浮人工心臟13上設(shè)置有接口 12，經(jīng)皮電纜11的一端通過接口 12與磁懸浮人工心臟13連接，經(jīng)皮電纜11的另一端與設(shè)置于人體15外部的磁浮電源14連接，磁浮電源14輸出的電能經(jīng)過經(jīng)皮電纜11從接口 12注入到磁懸浮人工心臟13中。
[0020]磁浮電源14為開關(guān)電源，包括起浮信號輸入端1，前饋補(bǔ)償模塊2，加法器3，由脈寬調(diào)制器5，開關(guān)功率管6和7，電感8，電容10組成的功率模塊，電流檢測模塊9以及反饋模塊4。起浮信號輸 入端1與前饋補(bǔ)償模塊2的輸入端連接，前饋補(bǔ)償模塊2的輸出端與加法器3的第一輸入端連接，加法器3的輸出端與脈寬調(diào)制器5連接，脈寬調(diào)制器5與開關(guān)功率管6和7的柵極連接,開關(guān)功率管6的漏極與VCC連接,開關(guān)功率管6的源極與開關(guān)功率管7的漏極連接，開關(guān)功率管7的源極與GND連接,開關(guān)功率管6的源極和開關(guān)功率管7的漏極與電感8的第一段連接，電感8的第二端與經(jīng)皮電纜11連接；電容10連接于電感8的第二端和GND之間；電流檢測模塊9的輸出端與反饋模塊4的輸入端連接，反饋模塊4的輸出端與加法器3的第二輸入端連接。
[0021]起浮信號輸入端I用于提供起浮信號，在磁懸浮起浮以前，起浮信號為FALSE，當(dāng)起浮時，起浮信號I的變?yōu)門RUE。前饋補(bǔ)償模塊2在起浮信號的驅(qū)動下開始工作，前饋補(bǔ)償模塊2預(yù)先存儲有針對經(jīng)皮電纜11的阻抗的壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償數(shù)據(jù)，前饋補(bǔ)償模塊2能夠基于經(jīng)皮電纜11的阻抗特性進(jìn)行補(bǔ)償，從而避免由于經(jīng)皮電纜11的阻抗特性導(dǎo)致的起浮困難；加法器3接收前饋補(bǔ)償模塊2的輸出，前饋補(bǔ)償模塊2的輸出通過加法器3激勵磁浮電源14產(chǎn)生起浮電壓。
[0022]開關(guān)功率管6和7為低導(dǎo)通直流電阻的NMOS管，電感8的續(xù)流通過NMOS管導(dǎo)通來完成，該控制功能由脈寬調(diào)制器5自動完成，脈寬調(diào)制器5還控制開關(guān)功率管6和7的死區(qū)時間，死區(qū)時間控制在5ns~IOOns之間。電容10將開關(guān)脈動電源濾波，以產(chǎn)生較穩(wěn)定的直流電壓。
[0023]輸出電流通過電流檢測模塊9檢測，并提供給反饋模塊4，反饋模塊4的輸出經(jīng)過加法器3送入脈寬調(diào)制器5，形成閉環(huán)負(fù)反饋。反饋模塊4是PID控制，在此不再贅述。電流檢測模塊9為霍爾電流傳感器，采用霍爾傳感器可以不影響經(jīng)皮電纜11的直流電阻，避免了使用串聯(lián)電阻法測量大電流容易引起的電纜壓降和電阻發(fā)熱等問題。
[0024]前饋補(bǔ)償模塊2還預(yù)先存儲有針對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償數(shù)據(jù)，針對反饋環(huán)路的帶寬限制的補(bǔ)償基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定，能夠針對反饋環(huán)路的動態(tài)特性進(jìn)行補(bǔ)償。由于PID反饋控制的帶寬限制，在起浮信號輸入下，起浮電流的變化速度是較慢的，電流不能馬上跟隨設(shè)定值變化，這可能造成起浮困難，通過前饋補(bǔ)償，在起浮后很短的時間內(nèi)，人為的提高注入到加法器3的幅值，等到起浮后再將幅值降低到正常的水平，從而避免了反饋環(huán)節(jié)帶寬限制引起的起浮電流不足的問題。
[0025]請參見圖2，圖2中時間節(jié)點(diǎn)tl代表起浮信號開始的時刻，t2代表針對反饋帶寬限制的前饋補(bǔ)償?shù)慕K止時刻，t3代表起浮的結(jié)束時刻；波形Si代表不經(jīng)過任何前饋補(bǔ)償?shù)钠鸶⌒盘?，s2代表經(jīng)過針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償和對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償情況下的起浮信號，s3代表經(jīng)過針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下的起浮信號；曲線wl代表不經(jīng)過任何無前饋補(bǔ)償情況下的起浮電流波形，《2代表經(jīng)過針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下的起浮電流波形，w3代表經(jīng)過針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償和對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償情況下的起浮電流波形。
[0026]起浮信號在tl時刻開始，在t3時刻結(jié)束，起浮信號的持續(xù)時間一般小于10ms。無超前補(bǔ)償?shù)那闆r下，起浮電流波形如Wl所示，電流波形由于存在因經(jīng)皮電纜11壓降引起的誤差，在t3時刻比設(shè)定值Si低。起浮信號的持續(xù)時間可以分為兩個起浮階段，tl時刻至t2時刻為第一起浮階段，t2時刻至t3時刻為第二起浮階段。在具有針對經(jīng)皮電纜11的壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r時，加入針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟ㄐ蝧3，s3從tl持續(xù)到t3，則起浮電流波形如《2所示，由于存在因經(jīng)皮電纜11壓降引起的誤差被補(bǔ)償了。在具有針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償和對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r時，加入經(jīng)過針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降進(jìn)行補(bǔ)償和對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟ㄐ蝧2，s2從tl時刻持續(xù)到t2時刻，則起浮電流波形如《3所示，在t〈t2時間內(nèi)，起浮電流以更快的速度到達(dá)設(shè)定值Si。
[0027]進(jìn)一步的，補(bǔ)償波形s2的提供時間和幅值是可以調(diào)整的，其基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定，通過調(diào)整上述參數(shù)，能夠調(diào)整起浮電流w3超出設(shè)定值Si的超調(diào)量。該超調(diào)量與調(diào)整反饋PID環(huán)節(jié)引起的超調(diào)量不同，反饋環(huán)節(jié)引起的超調(diào)量意味著系統(tǒng)有弱阻尼震蕩特性，起浮電流波形會在設(shè)定波形之間上下震蕩最終趨近于設(shè)定波形，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這在磁懸浮控制中是不被允許的。而通過提供前饋補(bǔ)償所產(chǎn)生的超調(diào)量卻可以保證起浮電流波形一定大于設(shè)定值，不會發(fā)生阻尼震蕩現(xiàn)象，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。能提供瞬時大功率的電源；本發(fā)明提出了一種專門針對磁懸浮人工心臟泵起浮的電源及控制方法，采用前饋補(bǔ)償，分別解決經(jīng)皮電纜壓降問題和反饋帶寬限制引起的起浮電流不足問題，保證了磁懸浮人工心臟泵的可靠起浮。
[0028]接下來描述本發(fā)明提供的一種磁懸浮人工心臟磁浮電源的控制方法，該方法包括以下步驟:
a.接收起浮信號；在磁懸浮起浮以前，起浮信號為FALSE，當(dāng)起浮時，起浮信號I的變?yōu)門RUE0
[0029]b.提供前饋補(bǔ)償給所述功率模塊；前饋補(bǔ)償模塊2在起浮信號的驅(qū)動下開始工作，前饋補(bǔ)償模塊2預(yù)先設(shè)置有針對經(jīng)皮電纜11的阻抗的壓降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償數(shù)據(jù)以及針對反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償數(shù)據(jù)；加法器3接收前饋補(bǔ)償模塊2的輸出，前饋補(bǔ)償模塊2的輸出通過加法器3激勵磁浮電源14產(chǎn)生起浮電壓。
[0030]c.判斷起浮時間是否結(jié)束，若起浮時間已經(jīng)結(jié)束，停止提供所述前饋補(bǔ)償。
[0031]本發(fā)明提供的磁懸浮人工心臟磁浮電源的前饋補(bǔ)償具有兩個功能，第一個功能是根據(jù)預(yù)先存儲的數(shù)據(jù)對經(jīng)皮`電纜11的阻抗的壓降進(jìn)行補(bǔ)償，該補(bǔ)償只在起浮時間內(nèi)有效，起浮后，針對經(jīng)皮電纜11的阻抗壓降的補(bǔ)償將被取消；前饋補(bǔ)償?shù)牡诙€功能是補(bǔ)償反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)，通過前饋補(bǔ)償，在起浮后很短的時間內(nèi)，使起浮電流較快的達(dá)到預(yù)定的水平，達(dá)到預(yù)定的水平后該前饋補(bǔ)償將被取消。
[0032]采用本發(fā)明所提供述的磁懸浮人工心臟磁浮電源及其控制方法，通過提供超前補(bǔ)償，補(bǔ)償了由于經(jīng)皮電纜的阻抗引起的壓降，同時也補(bǔ)償了反饋環(huán)節(jié)帶寬限制引起的起浮電流不足，有效的解決了因?yàn)樯鲜鰞煞N情況導(dǎo)致的磁懸浮人工心臟起浮困難的難題；同時在起浮結(jié)束后，磁懸浮人工心臟磁浮電源提供的電壓恢復(fù)至正常水平，對人體不存在安全隱患。
[0033]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的是，本發(fā)明還可以有其他的實(shí)現(xiàn)方式，但只要其采用的技術(shù)精髓于本發(fā)明相同或相近似，或者任何基于本發(fā)明做出的易于思及的變化和替換都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁懸浮人工心臟磁浮電源，包括: 功率模塊，提供所述磁懸浮人工心臟所需的電流； 檢測模塊，檢測所述功率模塊輸出的電流； 反饋模塊，接收所述檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送入所述功率模塊形成反饋； 其特征在于:所述磁懸浮人工心臟磁浮電源還包括: 前饋補(bǔ)償模塊，所述前饋補(bǔ)償模塊在所述磁懸浮人工心臟的起浮信號的驅(qū)動下開始工作，在預(yù)先設(shè)定的起浮時間內(nèi)，為所述功率模塊提供前饋補(bǔ)償，使所述功率模塊輸出的電流能夠滿足所述磁懸浮人工心臟起浮的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述磁懸浮人工心臟磁浮電源為開關(guān)電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述檢測模塊包括霍爾電流傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述磁浮電源通過經(jīng)皮電纜與所述磁懸浮人工心臟連接，所述前饋補(bǔ)償模塊可提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償以及針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求4 所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償基于所述經(jīng)皮電纜的阻抗特性預(yù)先設(shè)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)償基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述起浮時間包括第一起浮階段以及第二起浮階段，在第一起浮階段，所述前饋補(bǔ)償模塊提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償和針對所述反饋模塊的帶寬限制的補(bǔ)償，在所述第二起浮階段，所述前饋補(bǔ)償模塊僅提供針對所述經(jīng)皮電纜的阻抗壓降的補(bǔ)償。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述第一起浮階段的持續(xù)時間基于所述功率模塊，檢測模塊以及反饋模塊的動態(tài)特性預(yù)先設(shè)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源，其特征在于:所述起浮時間小于IOms0
10.一種如權(quán)利要求1-9任一所述的磁懸浮人工心臟磁浮電源的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: a.接收起浮信號； b.提供前饋補(bǔ)償給所述功率模塊； c.判斷起浮時間是否結(jié)束，若起浮時間已經(jīng)結(jié)束，停止提供所述前饋補(bǔ)償。
【文檔編號】A61M1/12GK103768669SQ201410031566
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】尹成科, 陳琛, 劉德剛 申請人:蘇州大學(xué)