基于音圈直線電機(jī)的脈動(dòng)生物反應(yīng)器的驅(qū)動(dòng)方法＊

周雷萌，郭國法，寧鐸，黃建兵

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基于音圈直線電機(jī)的脈動(dòng)生物反應(yīng)器的驅(qū)動(dòng)方法＊

周雷萌，郭國法，寧鐸，黃建兵

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

脈動(dòng)生物反應(yīng)器能夠模擬在體心臟瓣膜的流體力學(xué)特征，產(chǎn)生搏動(dòng)性液體，為組織工程心臟瓣膜提供良好的體外培養(yǎng)環(huán)境，使得組織工程心臟瓣膜的表皮細(xì)胞在植入人體后能夠經(jīng)受人體內(nèi)高速血流的沖擊，不易脫落。為了實(shí)現(xiàn)模擬心臟搏動(dòng)的功能，脈動(dòng)生物反應(yīng)器采用音圈直線電機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，并以STM32微控制器、PWM驅(qū)動(dòng)電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路和觸摸屏等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠產(chǎn)生滿足人體血流環(huán)境的流量和壓力差。該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)有利于系統(tǒng)集成化，使用中噪聲小，為脈動(dòng)生物反應(yīng)器提供臨床應(yīng)用從技術(shù)上鋪平道路。

音圈直線電機(jī)；脈動(dòng)生物反應(yīng)器；STM32；H橋驅(qū)動(dòng)電路

心臟瓣膜疾病是心血管系統(tǒng)的常見疾病之一，心臟瓣膜置換術(shù)是治療心臟瓣膜病的有效方法。脈動(dòng)生物反應(yīng)器是根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)并構(gòu)建的體外脈動(dòng)反應(yīng)器和預(yù)適應(yīng)應(yīng)力培養(yǎng)系統(tǒng)，以模擬體內(nèi)心臟瓣膜的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境，為心臟瓣膜疾病的有效治療提供幫助。賓夕法尼亞州立大學(xué)的Nafiseh Masoumi等[1]設(shè)計(jì)的循環(huán)拉伸和彎曲的組織工程心臟瓣膜的生物反應(yīng)器由NEMA 17步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和LabVIEW程序組成的系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。埃因霍溫科技大學(xué)的M.J. Beelen等[2]設(shè)計(jì)了一種氣壓驅(qū)動(dòng)控制的心臟瓣膜生物反應(yīng)器。華中科技大學(xué)的史峰等[3]構(gòu)建的生物反應(yīng)器有蠕動(dòng)泵、流室、硅膠管道和儲(chǔ)液室組成。第四軍醫(yī)大學(xué)的王進(jìn)等[4]以微控制器作為控制核心，分別利用空氣壓縮泵（空壓機(jī)）和真空泵為脈動(dòng)反應(yīng)器收縮和舒張的動(dòng)力源。

要想構(gòu)建性能優(yōu)越的脈動(dòng)生物反應(yīng)器，其優(yōu)良的控制、驅(qū)動(dòng)是關(guān)鍵因素。為了給脈動(dòng)生物反應(yīng)器提供一個(gè)穩(wěn)定可靠，且輸出力和速度可調(diào)的動(dòng)力裝置，采用音圈直線電機(jī)作為動(dòng)力源設(shè)計(jì)一種直線驅(qū)動(dòng)裝置，要求該裝置可進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)模擬人體血流環(huán)境的流量和壓力差。

1 動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)

動(dòng)力裝置如圖1所示，該動(dòng)力裝置主要由音圈直線電機(jī)、內(nèi)部裝有彈性橡膠囊的液壓缸以及通過連接軸與音圈直線電機(jī)動(dòng)子連接在一起的活塞組合而成。液壓缸內(nèi)活塞上部的密閉空間被各自占有一定比例的液體與氣體的混合體所充滿，彈性橡膠囊固定于該空間并被液體和氣體所包圍，彈性橡膠囊通過安裝有單向閥門的動(dòng)脈管和靜脈管穿過液壓缸端蓋分別與培養(yǎng)腔和回流槽相連接。

圖1 動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 動(dòng)力裝置的工作原理

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)上電之后，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸內(nèi)部和外部形成負(fù)壓力差，此時(shí)靜脈管路中的單向閥自動(dòng)打開而動(dòng)脈管路中的單向閥自動(dòng)關(guān)閉，回流槽里的培養(yǎng)液將被吸入彈性橡膠囊，以此來模擬心臟的收縮功能；當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸內(nèi)部和外部形成正壓力差，此時(shí)動(dòng)脈管路中的單向閥自動(dòng)打開而靜脈管路中的單向閥自動(dòng)關(guān)閉，剛才進(jìn)入彈性橡膠囊內(nèi)的培養(yǎng)液將被擠入培養(yǎng)腔內(nèi)，以此來模擬心臟的舒張功能；當(dāng)活塞循環(huán)上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，培養(yǎng)液就會(huì)循環(huán)地被吸入和擠出，形成類似于心臟搏動(dòng)泵血的功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括STM32微處理器、PWM驅(qū)動(dòng)電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路和觸摸屏。

2.1 PWM驅(qū)動(dòng)電路

PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。為了防止STM32輸出的數(shù)字PWM信號(hào)與模擬信號(hào)產(chǎn)生共模干擾，該系統(tǒng)采用光電隔離技術(shù)抑制干擾，由STM32產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過高速光耦6N137進(jìn)行隔離，可有效將輸入和輸出通道與控制器隔離，防止干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。Q4和Q8構(gòu)成的功率放大電路對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，用來驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路中的功率場(chǎng)效應(yīng)管。

圖2 PWM驅(qū)動(dòng)電路

2.2 H橋驅(qū)動(dòng)電路

為了實(shí)現(xiàn)音圈直線電機(jī)的可逆調(diào)速，該系統(tǒng)采用如圖3所示的H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)音圈直線電機(jī)。該H橋驅(qū)動(dòng)電路是由4個(gè)N溝道MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)管和4個(gè)功率二極管組成，其中，二極管在功率場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流回路。系統(tǒng)有兩組開關(guān)管，Q1和Q4為一組，Q2和Q3為另一組。同組的開關(guān)管同時(shí)開通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管則恰好相反。

在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)PWM1為高電平時(shí)，開關(guān)管Q1和Q4導(dǎo)通，此時(shí)PWM2為低電平，因此Q2和Q3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)PWM1為低電平時(shí)，開關(guān)管Q1和Q4截止，此時(shí)PWM2為高電平，開關(guān)管Q2和Q3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，在一個(gè)PWM周期內(nèi)電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。PWM信號(hào)按照一個(gè)固定的頻率來接通和關(guān)斷功率場(chǎng)效應(yīng)管，改變電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

3 結(jié)束語

脈動(dòng)生物反應(yīng)器為組織工程心臟瓣膜的臨床應(yīng)用提供了可靠的培養(yǎng)環(huán)境，為心臟瓣膜疾病的治療提供了技術(shù)支持。但由于人體生理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變系統(tǒng)，簡(jiǎn)單而單一?；谛穆屎脱髁康牧髁靠刂品椒ú⒉荒茏畲笙薅鹊貪M足人體正常生理需求，還應(yīng)該從多方面因素考慮系統(tǒng)的控制方法，從而提出更為精確的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，為了使脈動(dòng)生物反應(yīng)器具有快捷、便攜的工作特點(diǎn)，除了對(duì)脈動(dòng)生物反應(yīng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出要求外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該向與受體組織無接觸和便于測(cè)量的方向發(fā)展。只有這樣，脈動(dòng)生物反應(yīng)器才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。

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周雷萌（1986—），男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事嵌入式技術(shù)的研究。

陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目（編號(hào)：2017ZDXM-SF-035）

2095－6835（2019）07－0056－02

TH873.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.056

〔編輯：張思楠〕