檀深秋,楊成忠,李進(jìn)軍

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,浙江杭州310018)

0 引 言

考慮到人工心臟血泵的特殊要求,本文設(shè)計(jì)了一種新型的血泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)合為一體的人工心臟血泵,驅(qū)動(dòng)電機(jī)為無刷直流電機(jī)?？v觀國內(nèi)外驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng),雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)效果更佳,因此本文采用無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[1],將模糊控制與PID控制相結(jié)合,使血泵的控制效果得到很好的提升。

1 血泵建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人工心臟的血泵主要由泵體、定子和轉(zhuǎn)子3部分組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 血泵結(jié)構(gòu)

人工心臟血泵由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,血泵磁場(chǎng)是三維的,同時(shí)電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子會(huì)直接與血液相接觸,通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)直接推動(dòng)血液的流動(dòng)。通過研究可以發(fā)現(xiàn)人工心臟的血泵是一種“特殊”的無刷直流電機(jī),定子線圈采用三相星型連接。由晶體管開關(guān)器件組成電子換相電路,采用二導(dǎo)通三相六狀態(tài)方法運(yùn)行,在任意時(shí)刻血泵電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下：

式中,u、ia、e、Te分別為動(dòng)態(tài)過程中電壓、電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值;L為電樞電感;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;GD2為電機(jī)及其它部件的飛輪轉(zhuǎn)矩;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Km為力矩系數(shù),為一常數(shù)。

對(duì)式1—4進(jìn)行拉氏變換,并令全部初始條件為零,整理可得：

式中,IL為負(fù)載電流;TI為電磁時(shí)間常數(shù);Tm為電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由上可得血泵電機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 血泵電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在血泵電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)[3],其結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),β為電流反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR采取串聯(lián)結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換裝置的占空比,從而獲得與電流調(diào)節(jié)器相對(duì)應(yīng)的輸出電壓,以期獲得需要轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)模糊PID控制,電流環(huán)采用常用的PID控制,兩者相結(jié)合控制電機(jī)運(yùn)行。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中,只有電流負(fù)反饋,沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,以獲得允許的最大電磁轉(zhuǎn)矩;達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,以獲得希望的轉(zhuǎn)速。這樣,兩個(gè)調(diào)節(jié)器在不同的時(shí)段分別起主導(dǎo)作用,以此來獲得理想性能。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

由于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器不具有在線整定參數(shù)的功能,因此不能滿足在不同條件下系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的自整定要求,從而影響控制效果的進(jìn)一步提高。自整定模糊PID控制器以偏差和偏差變化率作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻對(duì)PID參數(shù)自整定的要求[3]。利用模糊理論在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正,便構(gòu)成了自整定模糊PID控制器[4],如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器

式中,Kp、Ki和Kd為參數(shù)的初始設(shè)計(jì)值,可由傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)整定方法設(shè)計(jì)?！鱇p、△Ki和△Kd是模糊控制器的3輸出,可根據(jù)被控對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID控制器3個(gè)參數(shù)的取值,實(shí)現(xiàn)了自校正的功能。為便于計(jì)算機(jī)處理,輸入量和輸出量的隸屬函數(shù)均選擇三角形函數(shù)。模糊邏輯推理采取Mamdani類型,模糊蘊(yùn)含關(guān)系如下：

依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)[5],并根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到模糊控制規(guī)則表如表1-3所示：

表2 Ki模糊規(guī)則表

表1 Kp模糊規(guī)則表

表3 Kd模糊規(guī)則表

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

電機(jī)仿真參數(shù)為：線圈等效電阻 R=1Ω;線圈總電感L=0.001H;額定電壓24V;額定電流10A;電動(dòng)機(jī)軸上總飛輪力矩GD2=20;電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2e-4;速度環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Ton=1e-3;PWM功率放大系數(shù)Ks=11。

仿真過程中,轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PID控制,電流環(huán)采用PID控制。仿真結(jié)果如圖5所示,其中虛線表示采用常規(guī)的PID控制器;實(shí)線表示采用模糊PID控制器。從仿真曲線可以容易看出模糊PID控制比常規(guī)PID控制有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào)。

圖5 仿真曲線

實(shí)驗(yàn)過程采用XC866作為主控芯片,控制信息通過IR2136驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器的6個(gè)功率MOSFET。模糊PID控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 流程圖

實(shí)驗(yàn)中血泵速度從2 000rpm上升到4 000rpm,再降到2 000rpm的速度曲線圖如圖7所示,從圖7中可看出,采用模糊PID控制后,響應(yīng)時(shí)間較快,變化過程較平穩(wěn),符合人工心臟血泵控制要求。

圖7 速度曲線圖

4 結(jié)束語

將模糊PID控制技術(shù)引入人工心臟血泵控制系統(tǒng)中,控制過程采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán),模糊PID控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率的變化實(shí)時(shí)更新PID控制器參數(shù)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明模糊PID控制能使人工心臟血泵速度控制具有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào),極大地提高了血泵控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能,取得了較為滿意的控制效果。

[1] 曹少泳,孟丹,程小華.基于DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制程序軟件設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2007,40(6)：65-69.

[2] 曾令美,關(guān)軍明.基于模糊控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2006,5(5)：88-90.

[3] 陳德地,王榮.自適應(yīng)模糊PID控制在BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(5)：418-421.

[4] 史浩,潘再平.無刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)及仿真分析[J].微電機(jī),2005,38(5)：42-44.

[5] Eiji Okamoto,Tsutomu Makino.Development of a miniature motor-driven pulsatile LVAD drivenby a fuzzy controller[J].The Japanese Society for Artificial Organs,2007,10(8)：158-164.