永磁電機(jī)及其控制在人工血泵領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用

蘇曉蓮，蔣山 江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，鎮(zhèn)江市，000 博眾精工科技股份有限公司，蘇州市，5000

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)人口老齡化加劇以及人們生活習(xí)慣的改變，心血管疾病發(fā)病率劇增。而心力衰竭是各種心血管疾病發(fā)展到晚期的一種臨床綜合征，是心血管疾病致死的頭號(hào)殺手?；颊咴谛呐K供體不足的情況下，可通過(guò)移植人工心臟，以暫時(shí)或者永久的代替心臟功能，維持機(jī)體的需要。

人工心臟的組成主要包括三部分：人體插管、流體動(dòng)力裝置和系統(tǒng)控制部分。流體動(dòng)力裝置，即人工血泵，決定著人工心臟泵血能力的強(qiáng)弱，因此最為重要。人工血泵有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)以及磁液混動(dòng)四種形式，其中電動(dòng)和磁液混動(dòng)型血泵多由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，性能最佳，是當(dāng)前人工血泵發(fā)展的主線。因此本文就人工血泵用永磁電機(jī)及其控制展開(kāi)闡述，詳細(xì)介紹血泵用永磁電機(jī)及其控制方法的研究現(xiàn)狀。

1 血泵用永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀

常用的血泵電機(jī)主要有永磁無(wú)刷直流電機(jī)（Permanent Magnet Brushless DC Motor，PMBLDCM）、永磁直線電機(jī)（Permanent Magnet Linear Motor，PMLM）和無(wú)軸承電機(jī)（Beardless Motor，BM）。三類電機(jī)應(yīng)用于人工血泵的技術(shù)難點(diǎn)各有不同，本節(jié)將據(jù)此展開(kāi)論述。

1.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)（PMBLDCM）

1.1.1 電機(jī)運(yùn)行平順性研究

就電機(jī)本體結(jié)構(gòu)而言，繞組分布不滿足正弦規(guī)律、磁路飽和、永磁體結(jié)構(gòu)形式不合理以及齒槽效應(yīng)等因素均會(huì)導(dǎo)致電樞磁鏈不正弦，從而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。常用的解決辦法包括分?jǐn)?shù)槽繞組法[1]、電機(jī)齒部開(kāi)槽法[2]、Halbach永磁陣列[3]以及無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)[4-5]等方案。

1.1.2 電機(jī)溫升研究

當(dāng)血液溫度高于43oC時(shí)，紅細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)功能性受損，溶血的概率大大增加，因此降低電機(jī)溫升是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容[6]。電機(jī)發(fā)熱源主要有線圈銅耗、鐵芯損耗和永磁體渦流損耗，其中線圈銅耗和鐵芯損耗占比90%以上，設(shè)法控制銅耗和鐵耗是解決人工血泵溫升問(wèn)題的關(guān)鍵[7]。由銅耗和鐵耗的計(jì)算公式可知[8]，降低銅耗的方法是盡可能降低電阻或減小電流，而降低鐵耗的措施則是降低磁密高次諧波。具體措施有[9]：①選用低阻銅線或增加繞線截面積；②繞線整齊，減少線圈總長(zhǎng)度；③控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，為防止銅耗產(chǎn)熱集中導(dǎo)致泵殼溫度分布不均勻，應(yīng)選用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的泵殼材料[10]。

1.1.3 避免機(jī)械摩擦導(dǎo)致溶血的措施

PMBLDCM體積小，易放置于血泵內(nèi)，因此可采用泵機(jī)一體式結(jié)構(gòu)，即電機(jī)定子部分集成于泵殼，電機(jī)轉(zhuǎn)子位于泵腔。為避免軸承磨損造成溶血，可使電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)懸浮控制懸浮起來(lái)[11-12]。以文獻(xiàn)[4]中的人工血泵為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)置于血泵泵腔內(nèi)部以驅(qū)動(dòng)葉片，在徑向和軸向的方向上采用磁軸承主動(dòng)懸浮。定轉(zhuǎn)子無(wú)接觸，降低了血栓和溶血的風(fēng)險(xiǎn)，而整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分用鈦合金包裹，具有良好的生物相容性。

圖1 磁懸浮人工心臟泵的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of maglev artificial heart pump

1.2 永磁直線電機(jī)（PMLM）

PMLM因其直線運(yùn)動(dòng)方式，更適合應(yīng)用于搏動(dòng)式人工血泵。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，PMLM應(yīng)用人工血泵時(shí)，關(guān)鍵要提供大推力。本節(jié)將介紹幾款結(jié)構(gòu)新穎的血泵用PMLM，并詳述大推力產(chǎn)生方案。

1.2.1 雙定子結(jié)構(gòu)

2015年，YAMAGUCHI等[13]研發(fā)了一款脈動(dòng)式PMLM。為提高推力-體積比，采用雙定子結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于把兩臺(tái)單定子電機(jī)合二為一，共用一個(gè)動(dòng)子，因此產(chǎn)生的推力理論上為單定子PMLM的兩倍（考慮到磁飽和的影響，雙定子PMLM實(shí)際最大推力小于理論值）。此外，研究表明：增加電機(jī)軸向長(zhǎng)度，可在犧牲部分輕量化特征的基礎(chǔ)上大幅提高電機(jī)推力。最終測(cè)試結(jié)果顯示在80 mm/s的速度下可提供77 N推力。

1.2.2 游標(biāo)結(jié)構(gòu)

劉正蒙等[14]設(shè)計(jì)了一款具有低速大推力特性的雙定子游標(biāo)PMLM。所謂“游標(biāo)電機(jī)”，是一種基于磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)的特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)。電樞磁鏈經(jīng)過(guò)調(diào)制極的調(diào)制后，在氣隙處形成高次諧波，這些高次諧波和多極永磁體作用，產(chǎn)生比傳統(tǒng)PMLM更大的推力[15]。實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)在額定工況（3 A）下可產(chǎn)生70 N的推力。

1.2.3 磁力絲杠

磁力絲杠電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示[16]。外圈是傳統(tǒng)的表貼式永磁電機(jī)，內(nèi)圈則是磁性絲杠。磁性絲杠的內(nèi)、外圓筒鑲嵌螺旋永磁體，分別相當(dāng)于螺栓和螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓便將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。磁性絲杠永磁體排布方式采用Halbach結(jié)構(gòu)，用以增強(qiáng)氣隙磁密，提供大轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電機(jī)最大推力達(dá)130 N。

圖2 磁力絲杠電機(jī)Fig.2 Magnetic lead screw motor

1.2.4 雙層繞組

文獻(xiàn)[17]介紹一種搏動(dòng)式電磁直驅(qū)泵。借鑒了通電螺線管的工作原理，在線圈中通入直流電流使得螺線管內(nèi)部形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，和螺線管內(nèi)部的永磁體產(chǎn)生作用力，推動(dòng)永磁體作直線運(yùn)動(dòng)。鑒于單層線圈不足以產(chǎn)生足夠的推力，提出增加輔助線圈的方法，即采用雙層繞組。實(shí)驗(yàn)顯示，雙層螺線管產(chǎn)生的推力比單層螺線管高出約70%。

1.3 無(wú)軸承電機(jī)（BM）

用于血泵的BM根據(jù)懸浮方式可分為磁懸浮、液懸浮和磁液混合懸浮三種。

1.3.1 磁懸浮

磁懸浮電機(jī)根據(jù)懸浮力產(chǎn)生方式分為電主動(dòng)懸浮、永磁被動(dòng)懸浮和混合磁力懸浮[18]。電主動(dòng)懸浮通過(guò)通電線圈產(chǎn)生懸浮力，屬于可控懸浮，缺點(diǎn)是電氣元件復(fù)雜；永磁被動(dòng)懸浮通過(guò)永磁體間的相互作用力實(shí)現(xiàn)懸浮，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不可控；混合磁力懸浮結(jié)合二者的特點(diǎn)，有助于精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)、提升性能，在磁懸浮人工血泵中應(yīng)用最廣。

KURITA等[19]設(shè)計(jì)了一款雙邊定子型磁懸浮電機(jī)，屬于混合磁力懸浮電機(jī)。電機(jī)定子位于兩側(cè)，中間為懸浮轉(zhuǎn)軸。每側(cè)定子上均安裝永磁體和繞組線圈，一側(cè)用于控制軸向位移和旋轉(zhuǎn)，另一側(cè)用于控制轉(zhuǎn)軸的傾斜。該電機(jī)的特點(diǎn)在于，驅(qū)動(dòng)力和懸浮力均在軸向上產(chǎn)生，徑向上無(wú)電磁器件。

2018年，楊石平等[20]采取了與上述雙邊定子型磁懸浮電機(jī)不同的懸浮方案，即采用軸向永磁軸承和徑向電磁軸承結(jié)合的方案，通過(guò)永磁磁環(huán)控制軸向位移。研究表明，同軸永磁環(huán)之間的電磁作用力在一定范圍內(nèi)與距離成正比，因此根據(jù)懸浮動(dòng)子的最大移動(dòng)距離確定所需提供的最大電磁作用力即可，很大程度上簡(jiǎn)化了控制方案，也降低了成本。

1.3.2 液懸浮

液力懸浮血泵，其原理是利用運(yùn)動(dòng)流體在漸縮結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的動(dòng)壓實(shí)現(xiàn)血泵的被動(dòng)懸浮，依靠轉(zhuǎn)子或側(cè)壁的線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力[21]。液力懸浮式人工心臟的技術(shù)核心在于懸浮機(jī)構(gòu)和螺旋葉片的設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)并無(wú)特別要求。目前比較成熟的產(chǎn)品包括Ventrassist、TinyPump以及HVAD等。

1.3.3 磁液混合懸浮

磁液混合懸浮，顧名思義，同時(shí)利用電磁懸浮和液力懸浮，二者配合達(dá)到穩(wěn)定的懸浮效果。磁力和液力既可以分別控制兩個(gè)方向（軸向、徑向）上的懸浮，也可以協(xié)作用于控制一個(gè)方向上的懸浮。

OKAMOTO等[22]采用第一種方法設(shè)計(jì)了一款磁液混合式懸浮心臟泵。通過(guò)永磁體斥力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向位移的被動(dòng)控制，而傾斜和橫向位移則依靠液力被動(dòng)控制。王偉等[23]則采用第二種磁液混合方式，液力和磁力同時(shí)作用于葉輪，以保持葉輪在軸向方向上的穩(wěn)定懸浮。

2 人工心臟用永磁電機(jī)的控制

已成功應(yīng)用的人工血泵控制算法包括傳統(tǒng)的PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、模糊PID控制、自適應(yīng)魯棒控制、無(wú)位置傳感器控制等。上述算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

2.1 PID控制

PID算法是最基本的控制算法，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)控制效果。其應(yīng)用成熟、穩(wěn)定性好，已廣泛應(yīng)用于人工心臟泵的控制[24-25]。PID控制的通用性和有效性毋庸置疑，但是在尋找最優(yōu)PID參數(shù)的時(shí)候往往需要大量的調(diào)試，較為繁瑣。為此，專家學(xué)者著手研究參數(shù)自整定算法，使得PID算法的應(yīng)用更進(jìn)一步。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自學(xué)習(xí)功能的智能算法，主要用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)的控制。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來(lái)，以被控量之目標(biāo)值與反饋值的差值作為輸入，以PID參數(shù)作為輸出，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

WU等[26]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制應(yīng)用到人工心臟泵的速度控制。與傳統(tǒng)PID控制相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間更短、跟蹤性能更好且魯棒性更強(qiáng)。盡管如此，一個(gè)成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力進(jìn)行大量的訓(xùn)練，因此在使用上并非十分便捷，很大程度上限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[27]。

2.3 模糊PID控制

模糊PID控制是一種模糊化的非線性智能控制算法，不需要對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行精確數(shù)學(xué)建模，乃是根據(jù)人類經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模型的核心在于模糊推理模塊和解模糊模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)人類思維的模擬推理。劉佩璋[28]針對(duì)一款微型軸流血泵運(yùn)用模糊PID控制，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)實(shí)時(shí)自整定。與傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行對(duì)比，模糊PID控制器的輸出響應(yīng)超調(diào)量更小，而且在加入外界擾動(dòng)的情況下具有較強(qiáng)的魯棒性。

2.4 自適應(yīng)魯棒控制

人工血泵系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)耦合的的非線性系統(tǒng)，而且血泵安裝在病人體內(nèi)，會(huì)因人體活動(dòng)引入擾動(dòng)，因此要求控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性。非線性自適應(yīng)控制可克服系統(tǒng)不確定性，但對(duì)于外界干擾較為敏感。而魯棒控制在抑制干擾和補(bǔ)償未建模動(dòng)態(tài)時(shí)具有良好的性能，二者結(jié)合可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。文獻(xiàn)[29]將H∞魯棒控制與自適應(yīng)控制結(jié)合起來(lái)用于人工血泵的控制，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨著人體不同心跳速率下的血壓要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，證實(shí)控制系統(tǒng)具有很好的自適應(yīng)性和抗干擾性。

2.5 無(wú)位置傳感器控制

無(wú)位置傳感器控制通過(guò)采集電機(jī)繞組的電壓和電流并進(jìn)行一系列推導(dǎo)估算出轉(zhuǎn)子的位置信息。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，感應(yīng)反電勢(shì)幅值小，難以檢測(cè)，需要采取必要的措施進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，致使起動(dòng)過(guò)程精度較低[30]。但對(duì)于磁懸浮心臟泵，無(wú)需頻繁啟動(dòng)，一旦起動(dòng)便可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，因此無(wú)位置控制非常適合應(yīng)用于人工血泵。

譚亞[31]針對(duì)蘇州同心人工心臟采用了基于滑膜觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器控制方案。實(shí)測(cè)的速度響應(yīng)曲線顯示，電機(jī)從1 000 r/min加速到3 000 r/min只要2 s，而且可在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，脈動(dòng)速度僅為125 r/min，滿足人工心臟運(yùn)行要求。

3 總結(jié)

本文綜述了永磁電機(jī)在人工心臟領(lǐng)域的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了不同類型電機(jī)的特點(diǎn)并介紹了具體的應(yīng)用案例，而后列舉了血泵用永磁電機(jī)常用的控制算法和實(shí)際使用效果。可以看到，人工心臟經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)做到了小型化、輕量化，以便長(zhǎng)期植入人體。而磁懸浮電機(jī)的出現(xiàn)，更是降低了人工心臟溶血和血栓的風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，人工心臟還存在諸如經(jīng)皮電纜易感染、控制系統(tǒng)復(fù)雜、使用壽命短等問(wèn)題，相關(guān)研究工作還需持續(xù)進(jìn)行。