基于音圈直线电机的脉动生物反应器的驱动方法＊

2019-04-22周雷萌郭国法宁铎黄建兵

科技与创新 2019年7期

周雷萌，郭国法，宁铎，黄建兵

周雷萌，郭国法，宁铎，黄建兵

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021）

脉动生物反应器能够模拟在体心脏瓣膜的流体力学特征，产生搏动性液体，为组织工程心脏瓣膜提供良好的体外培养环境，使得组织工程心脏瓣膜的表皮细胞在植入人体后能够经受人体内高速血流的冲击，不易脱落。为了实现模拟心脏搏动的功能，脉动生物反应器采用音圈直线电机作为系统的动力源，并以STM32微控制器、PWM驱动电路、H桥驱动电路和触摸屏等构成驱动控制系统。经过实际测试，该动力系统响应迅速、运行稳定，能够产生满足人体血流环境的流量和压力差。该驱动控制系统机械结构简单无中间转换机构有利于系统集成化，使用中噪声小，为脉动生物反应器提供临床应用从技术上铺平道路。

音圈直线电机；脉动生物反应器；STM32；H桥驱动电路

心脏瓣膜疾病是心血管系统的常见疾病之一，心脏瓣膜置换术是治疗心脏瓣膜病的有效方法。脉动生物反应器是根据流体动力学原理设计并构建的体外脉动反应器和预适应应力培养系统，以模拟体内心脏瓣膜的血流动力学环境，为心脏瓣膜疾病的有效治疗提供帮助。宾夕法尼亚州立大学的Nafiseh Masoumi等[1]设计的循环拉伸和弯曲的组织工程心脏瓣膜的生物反应器由NEMA 17步进电机、电机驱动器和LabVIEW程序组成的系统进行驱动。埃因霍温科技大学的M.J. Beelen等[2]设计了一种气压驱动控制的心脏瓣膜生物反应器。华中科技大学的史峰等[3]构建的生物反应器有蠕动泵、流室、硅胶管道和储液室组成。第四军医大学的王进等[4]以微控制器作为控制核心，分别利用空气压缩泵（空压机）和真空泵为脉动反应器收缩和舒张的动力源。

要想构建性能优越的脉动生物反应器，其优良的控制、驱动是关键因素。为了给脉动生物反应器提供一个稳定可靠，且输出力和速度可调的动力装置，采用音圈直线电机作为动力源设计一种直线驱动装置，要求该装置可进行直线往复运动，并且可以实现模拟人体血流环境的流量和压力差。

1 动力装置结构及工作原理

1.1 动力装置结构

动力装置如图1所示，该动力装置主要由音圈直线电机、内部装有弹性橡胶囊的液压缸以及通过连接轴与音圈直线电机动子连接在一起的活塞组合而成。液压缸内活塞上部的密闭空间被各自占有一定比例的液体与气体的混合体所充满，弹性橡胶囊固定于该空间并被液体和气体所包围，弹性橡胶囊通过安装有单向阀门的动脉管和静脉管穿过液压缸端盖分别与培养腔和回流槽相连接。

图1 动力装置结构图

1.2 动力装置的工作原理

驱动控制系统上电之后，当活塞向下运动时，液压缸内部和外部形成负压力差，此时静脉管路中的单向阀自动打开而动脉管路中的单向阀自动关闭，回流槽里的培养液将被吸入弹性橡胶囊，以此来模拟心脏的收缩功能；当活塞向上运动时，液压缸内部和外部形成正压力差，此时动脉管路中的单向阀自动打开而静脉管路中的单向阀自动关闭，刚才进入弹性橡胶囊内的培养液将被挤入培养腔内，以此来模拟心脏的舒张功能；当活塞循环上下直线往复运动时，培养液就会循环地被吸入和挤出，形成类似于心脏搏动泵血的功能。

2 控制系统硬件设计

该控制系统的硬件组成部分主要包括STM32微处理器、PWM驱动电路、H桥驱动电路和触摸屏。

2.1 PWM驱动电路

PWM驱动电路如图2所示。为了防止STM32输出的数字PWM信号与模拟信号产生共模干扰，该系统采用光电隔离技术抑制干扰，由STM32产生的PWM信号通过高速光耦6N137进行隔离，可有效将输入和输出通道与控制器隔离，防止干扰进入系统内部，保证系统稳定工作。Q4和Q8构成的功率放大电路对PWM信号进行功率放大，用来驱动H桥驱动电路中的功率场效应管。

图2 PWM驱动电路

2.2 H桥驱动电路

为了实现音圈直线电机的可逆调速，该系统采用如图3所示的H桥驱动电路驱动音圈直线电机。该H桥驱动电路是由4个N沟道MOSFET功率场效应管和4个功率二极管组成，其中，二极管在功率场效应管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。系统有两组开关管，Q1和Q4为一组，Q2和Q3为另一组。同组的开关管同时开通或关断，不同组的开关管则恰好相反。

在每个PWM周期里，当PWM1为高电平时，开关管Q1和Q4导通，此时PWM2为低电平，因此Q2和Q3截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压；当PWM1为低电平时，开关管Q1和Q4截止，此时PWM2为高电平，开关管Q2和Q3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，在一个PWM周期内电枢电压经历了正反两次变化，实现了对电机转向的控制。PWM信号按照一个固定的频率来接通和关断功率场效应管，改变电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而实现对电机速度的控制。

图3 H桥驱动电路

3 结束语

脉动生物反应器为组织工程心脏瓣膜的临床应用提供了可靠的培养环境，为心脏瓣膜疾病的治疗提供了技术支持。但由于人体生理系统是一个复杂的时变系统，简单而单一。基于心率和血流量的流量控制方法并不能最大限度地满足人体正常生理需求，还应该从多方面因素考虑系统的控制方法，从而提出更为精确的驱动控制系统。同时，为了使脉动生物反应器具有快捷、便携的工作特点，除了对脉动生物反应器的机械结构提出要求外，监测系统应该向与受体组织无接触和便于测量的方向发展。只有这样，脉动生物反应器才能实现最佳效果。

［1］Nafiseh Masoumi，M Christian Howell，Katherine L Johnson，et al.Design and testing of a cyclic stretch and flexure bioreactor for evaluating engineered heart valve tissues based on poly（glycerol sebacate）scaffolds［J］.Journal of Engineering in Medicine，2014，228（06）：576-586.

［2］M.J. Beelen， P.E. Neerincx， M.J.G. van de Molengraft，et al.Control of an air pressure actuated disposable bioreactor for cultivating heart valves［J］.Mechatronics，2011，21（08）：1288-1297.

［3］史峰，邓诚，胡行健，等.生物反应器内构建组织工程心脏瓣膜［J］.中华实验外科杂志，2013（02）：315-316.

［4］王进.脉动生物反应器的研制、测试和初步试用［D］.西安：第四军医大学，2008.

［5］林海滨，张镐.基于H桥控制直流电机驱动电路设计［J］.家电科技，2018（05）：42-45.

［6］吴攀，周凤星.基于STM32控制的大功率直流电机调速系统［J］.组合机床与自动化加工技术，2017（04）：111-113.

［7］郭红利，张李娴，钱俊兵，等.音圈电机驱动系统设计与分析［J］.工业仪表与自动化装置，2017（02）：54-58，73.

［8］刘松斌，王海星，李硕恒.基于STM32的直流电机PWM调速系统［J］.化工自动化及仪表，2016，43（08）：834-837.

［9］冯晓梅，李立顺，李红勋，等.直线音圈电机特性研究［J］.微特电机，2014，42（12）：38-40，48.

［10］李伟，谢兴琅，马景兰，等.基于触摸屏的直流电机控制系统［J］.化工自动化及仪表，2014，41（08）：955-958，974.

周雷萌（1986—），男，陕西渭南人，硕士研究生，主要从事嵌入式技术的研究。

陕西省科技统筹项目（编号：2017ZDXM-SF-035）

2095－6835（2019）07－0056－02

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