基于DSP的左心室辅助装置磁悬浮轴承位移测量

摘 要：针对左心室辅助装置磁悬浮轴承振动特性，设计了以DSP为核心控制器的测控系统。介绍了电涡流位移传感器的工作原理，编写了采集控制程序以及A/D校正算法，采集了轴承动态情况下的位移数据，并用MATLAB进行了实验数据分析得到转子动态位移特性，为后续控制转子稳定悬浮工作提供了数据支持。

关键词：左心室辅助；磁悬浮轴承；TMS320F2812；位移测试

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 03-0000-02

心功能一旦出现衰竭会直接威胁到病人的生命。在美国每年等待心脏移植的病人超过5万人，而实际接受心脏移植的却只有2000人。中国每年有1000万心竭的患者，其中200万到300万人因心衰而死亡，但是每年却只有50个患者有机会接受心脏移植手术[1]。因此，使用人工心脏泵来替代自然心脏的研究已成为医学和工程技术研究的焦点[2]。左心室辅助装置是用机械的方法代替左心室的功能，将血液输到身体的动脉系统中去。电磁轴承以其高转速、无摩擦、寿命长等优点很好的满足了人工心脏的多种苛刻要求，有效地减少了机械磨损对血细胞的碾压破坏等问题[3]。处于高速悬浮转动的转子，会出现因质量不均引起的不平衡振动及噪音干扰等引起输入电压变化等误差，使转子偏离平衡位置[4]。因此，控制转子的动态特性，是人工心脏泵安全性和稳定性的关键因素。

1 电涡流位移传感器

2 磁悬浮轴承控制系统设计

2.1 DSP控制器

对于左心室辅助装置磁悬浮轴承的控制系统，由于要实现较复杂、快速的控制算法，普通的8位或16位单片机在处理速度远不能达到系统要求。本测量系统选用TI公司推出的面向自动控制、工业自动化、最优网络的数字信号处理器TMS320F2812。

该芯片采用了先进的哈弗总线结构，运行速度高达150MIPS。同时还包含有：2个12位8通道高速ADC（80ns转换速度），4个16位通用定时器，强大的中断处理模块支持96个外部中断。片内含有128K×16大容量Flash存储器，还集成了2通道的SCI、SPI、CAN、McBSP等模块，外设资源丰富，能很好的满足系统的要求[5]。

2.2 心脏泵转子位移测控系统结构

通过测量数据及MATLAB分析图表对比分析得到：

（1）转子处于静态时，转子的振动仅与实验室系统中的噪声、温度及转子的材质和几何形状等因素有关。

（2）传感器的分布与转子的实际测量结果密切相关，为了减小个自由度上产生的耦合误差，传感器可以采用差动安装方式，以消除转子加工的同轴误差。

（3）同一传感器在随着转速增加，相对于静止状态，转子相对于平衡位置的方差开始增加，说明随着转速的增加，转子转动的稳定性降低。

（4）静止状态下，轴向探头Z和径向探头Y的振动方差比径向探头X小。提高转速后，转子在Y方向和Z方向上振动方差明显增大，且大于X方向。

（5）在0—2000rad/min转速内，转子轴向稳定性最好，而径向水平方向振动较大，且轴向和径向垂直方向上的稳定性始终好于径向水平方向。

4 结束语

本文采用了TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为左心室辅助装置磁悬浮控制器的主控芯片，该芯片高性能的CPU以及快速的中断相应，有效的提高程序的运行速度和数据采集的准确性，还可使用C语言等高级语言编写更加复杂的算法，这些都是都为磁悬浮轴承控制系统的设计提供了良好的基础，也为后面的实验提供的数据依据。

参考文献：

[1]武文芳，吴兵.人工心脏的历史以及研究进展[J].中国医学装备，2008，5（3）：55-58.

[2]云忠，龚中良，谭建平等.旋转叶轮血泵的发展与展望[J].生物医学工程杂志，2005，22（1）：151-154.

[3]沙宏雷，徐旸，石磊等.电磁轴承在人工心脏领域的应用现状综述[R].中国力学学会学术大会，2005.

[4]王军平，王安，樊文侠.电涡流传感器线圈参数对传感器性能的影响[J].自动化仪表，2001，22（12）：22-24.

[5]顾卫刚.手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.

[6]刘晓军，刘小英，胡业发等.五自由度磁悬浮轴承控制系统的研制[J].机械与电子，2007（5）：34-37.

[7]Radovancevic B，Frazier OH， Duncan JM.Implantaion technique for the HeartMate left ventricular assist device[J].J Card Surg，1992，7：203-207.

[8]Siegenlhaler MP，MartinJ，PemiceK.The Jarvik 2000 is associated with less infections than the HeartMate left ventricular assist device.Eur J Car[J].Diothorae Surg，2003，23：748-754.

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