轴流式磁悬浮人工心脏泵驱动电机的研制

摘要

磁悬浮人工心脏泵以其无接触支承的独特优点使得转子与定子之间无摩擦,可以解决心脏泵的溶血和血栓问题,得到了快速的发展。而作为驱动动力源的电机,其性能和体积直接关系到整个磁悬浮人工心脏泵的性能和体积。随着磁悬浮人工心脏泵的不断发展,更进一步要求其驱动电机具有效率高、体积小、重量轻等特点。本课题基于当前人工心脏泵的研究,采用体积小、结构简单、泵机一体化的轴流式磁悬浮人工心脏泵结构,研究适用于磁悬浮人工心脏泵的直流无刷永磁电机的结构、驱动及控制原理,并研制了电机本体及其驱动控制器,实验表明所研制的磁悬浮人工心脏泵电机基本达到了心脏泵的指标要求。
　　 本论文中首先综述了人工心脏和无刷直流电机的背景、现状以及发展趋势,介绍了第三代磁悬浮人工心脏泵驱动电机的研究现状,阐述了永磁无刷直流电机的工作原理和无位置传感器控制技术,在此基础上提出了本论文所采用的研究(技术)方案。本文的设计分为两个方面:1.本文详细阐述了磁路系统及电机经典设计方法及公式。2.采用现代场路结合的设计方法,使用有限元软件ANSOFT对所设计电机的磁场分布、电路特性进行了仿真计算。由于兼具传统磁路计算快捷和直接磁场计算精度高的特点,大大地提高了磁路设计计算的精度,在此基础上加工制造出所要求的人工心脏泵用驱动电机。对于电机的驱动控制部分,选定采用MICROLINEAR公司的单片集成控制器MIA425作为人工心脏泵驱动控制器的主控芯片,通过闭环控制原理和方法对芯片外部电路元件进行了优化设计,实现了电机本体的驱动控制并且转速可调。最后对本课题研制的电机本体及其驱动控制系统,进行了电机旋转总调试,实验取得了比较理想的参数波形和调速曲线。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 人工心脏泵发展现状及趋势

1.3 无刷直流电机的发展状况及在心脏泵中的应用

1.3.1.无刷直流电机的发展状况

1.3.2.磁悬浮心脏泵驱动电机

1.4 本论文主要工作

第2章 永磁无刷直流电机及其无位置传感器控制技术

2.1 永磁无刷直流电机的基本结构与工作原理

2.1.1.永磁无刷直流电机的基本结构

2.1.2.永磁无刷直流电机的工作原理

2.2 永磁无刷直流电机的数学模型及调速原理

2.2.1.数学模型

2.2.2.调速原理

2.3 永磁无刷直流电机无位置传感器控制技术

2.4 本章小结

第3章 无刷直流电机的磁路设计与参数计算

3.1 设计要求

3.2 输出转矩的计算

3.3 永磁电机磁路设计及尺寸的确定

3.4 磁悬浮心脏泵电机本体的设计

3.4.1.转子的设计

3.4.2.定子的设计

3.5 本章小结

第4章 无刷直流电机的有限元设计与分析

4.1 商用软件ANSOFT简介

4.1.1.RMxprt软件包简介

4.1.2.Maxwell软件包简介

4.2 电机的有限元设计

4.2.1.参数设置

4.2.2.材料定义

4.2.3.结果查看

4.3 电机的有限元瞬态仿真

4.3.1.电机额定转速下的磁场分析

4.3.2.电机起动特性分析

4.4 本章小结

第5章 电机控制器设计

5.1 无位置传感器永磁无刷直流电机控制器总体方案

5.2 驱动电路IR2103方案

5.3 控制电路ML4425方案

5.3.1.各引脚功能

5.3.2.ML4425的工作原理

5.4 ML4425关键技术分析

5.4.1.反电势PLL换相控制技术

5.4.2.过电流保护电路

5.5 ML4425外围电路的参数选取

5.5.1.RSENSE参数计算

5.5.2.VCO电压频率比电容CVCO的选择

5.5.3.环路滤波器参数计算

5.5.4.速度闭环补偿参数计算

5.5.5.起动电路参数计算

5.6 电机驱动控制电路

5.7 本章小结

第6章 实验装置与数据结果

6.1 心脏泵实验系统

6.2 电机与控制器装置

6.3 数据结果

6.3.1.实验波形

6.3.2.调速实验

6.4 本章小结

第7章 结论

附录

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表