СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ИМПЛАНТИРУЕМОГО РОТАЦИОННОГО ЭЛЕКТРОНАСОСА КАРДИОПРОТЕЗА С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ СВОЙСТВА ЖИВУЧЕСТИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO CONTROL THREE-PHASE VALVE ELECTRIC MOTOR OF IMPLANTED ROTARY ELECTRIC PUMP OF CARDIOPROSTHESIS WITH PROVISION OF LIVENESS PROPERTY (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электропривода устройств и механизмов, требующих обеспечения качества повышенной живучести, в частности к области управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемых электронасосов крови.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно [1], что около 7% отказов имплантируемых электронасосов происходит из-за обрыва проводов, подводящих электропитание к обмотке якоря двигателя электронасоса, находящегося внутри пациента. Устранение такого отказа возможно только путем операционной замены отказавшего насоса на исправный насос. Время, проходящее от момента обнаружения отказа до доставки пациента на операцию по замене, не оставляет ему шансов на выживание. В этой связи, обеспечение свойства живучести электронасоса оказывается актуальной задачей. Если, несмотря на произошедший обрыв фазы, двигатель будет продолжать вращать насос, то появляется достаточно времени после получения сигнала об обрыве для подготовки к операции по замене имплантата.
Известен способ управления трехфазным вентильным электродвигателем - вентильный электропривод - с обеспечением свойства живучести [2], в котором отслеживаются сигналы датчиков тока, включенных в каждую фазу, и при отсутствии тока в одной из фаз ее выключают из цепи путем пережигания плавкой вставки, включенной между источником питания и фазной обмоткой. Две оставшиеся работоспособными фазы независимо коммутируют в соответствии с сигналами датчика положения ротора, образуя поочередно несколько положений вектора магнитодвижущей силы - МДС якоря в пространстве, за которыми и следует ротор, продолжая вращаться. Для реализации способа управления по способу [2] в силовом электронном преобразователе вентильного электродвигателя установили три независимые однофазные мостовые схемы коммутатора, в диагональ каждой из которых включили одну фазу трехфазной обмотки якоря и защитный элемент в виде плавкой вставки.
Однако в способе управления по изобретению [2] необходимо выводить от трехфазной обмотки якоря все шесть выводов - и начала, и концы каждой фазы, что затрудняет выполнение проводной связи между электромеханическим преобразователем, находящимся внутри пациента, и электронным блоком, установленным снаружи, из-за увеличения общего сечения кабеля. Кроме того, наличие плавкой вставки и устройства ее пережигания при обнаружении отказа усложняет аппаратную часть.
Известен также способ управления вентильным электродвигателем с обеспечением свойства живучести [3], который состоит в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции диагностируют рабочее состояние каждой из трех фаз и, в случае обнаружения отказа в одной из фаз, микроконтроллерная система управления изменяет задание на формирование фазных токов оставшихся фаз таким образом, чтобы обеспечить продолжение вращения ротора двигателя. К недостаткам [3] можно отнести достаточно сложную схему управления, необходимую для обработки алгоритма восстановления работоспособности двигателя при отказе в одной из трех однофазных ячеек силового коммутатора, повышенную сложность алгоритма управления, а также наличие шести выводов от трехфазной обмотки якоря.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, по наибольшему количеству сходных признаков, является способ управления, в котором для реализации используется управляющий микроконтроллер [4], который вырабатывает управляющие сигналы на основе обработки информации, поступающей от датчика положения ротора, датчиков тока и задатчика частоты вращения по заложенному в него программному алгоритму управления, таким образом, чтобы фаза токов оставалась неизменной, а амплитуда менялась по заложенному в программу заданному закону.
К недостаткам изобретения [4] можно отнести необходимость выводить от обмотки якоря вдвое больше выводов, а также то, что микроконтроллер не только использует предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов, но и выполняет вычисление управляющего воздействия в процессе управления, что существенно снижает быстродействие системы.
Возникает необходимость в создании такого способа управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза, который обеспечивал бы реализацию свойства живучести трехфазного вентильного электродвигателя, содержащего один трехфазный мостовой инвертор и имеющего лишь три вывода от обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда».
Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является создание такого способа управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести, который обеспечивал бы реализацию свойства живучести трехфазного вентильного электродвигателя, содержащего один трехфазный мостовой инвертор и имеющего лишь три вывода от обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда».
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести, заключающийся в том, что по сигналу датчиков тока выявляют отказ в цепи одной из трех фаз обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда», затем, для обеспечения свойства живучести, посредством микроконтроллерного устройства управления подают сигнал на срабатывание защитного элемента отказавшей фазы, осуществляют процесс автокоммутации работающих двух фаз, обеспечивая создание вращающего момента двигателя, причем в качестве защитного элемента используют силовые ключи той стойки трехфазного мостового инвертора вентильного электродвигателя, к которой подключена отказавшая фаза, а остальные ключи, образующие однофазный мостовой инвертор, коммутируют посредством микроконтроллерного устройства управления, осуществляя последовательную выборку заранее записанных управляющих кодов из соответствующих состоянию обмотки якоря и положению ротора ячеек памяти.
А также предложен способ управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести, в котором, при отказе в цепи одной из фаз, используют сформированные и занесенные в память микроконтроллера сигналы управления однофазным мостовым инвертором, в диагональ которого включены оставшиеся работоспособными соединенные последовательно две фазы таким образом, что трехфазный вентильный двигатель с вращающимся магнитным полем, при отказе в цепи одной из фаз, преобразуют в однофазный двигатель с пульсирующим полем, чем обеспечивают свойство живучести при неисправности, чем, в случае необходимости, в том числе, поддерживают вспомогательное кровообращение, при этом признак наличия неисправности, а также звуковой и световой сигналы, оповещающие о наличии неисправности и времени ее возникновения, вырабатывают посредством микроконтроллера, кроме того, наличием лишь трех выводов от обмотки обеспечивают малое сечение жгута проводов, выходящих от имплантата наружу, при этом в качестве защитного элемента используют силовые ключи той стойки трехфазного мостового инвертора вентильного электродвигателя, к которой подключена отказавшая фаза, а остальные ключи, образующие однофазный мостовой инвертор, коммутируют посредством микроконтроллерного устройства управления по заданному процессу, обеспечивающему создание пульсирующего вектора магнитодвижущей силы, в соответствии с положением ротора.
Согласно предлагаемому изобретению, в качестве защитного элемента используют силовые ключи той стойки трехфазного мостового инвертора вентильного электродвигателя, к которой подключена отказавшая фаза, а остальные ключи, образующие однофазный мостовой инвертор, коммутируют посредством микроконтроллерного устройства управления по записанному в память заданному процессу, обеспечивающему создание пульсирующего вектора МДС, в соответствии с положением ротора. Другими словами, предлагаемый способ основан на обеспечении живучести трехфазного вентильного электродвигателя имплантируемого насоса кардиопротеза при отказе в цепи одной из фаз путем использования сформированных и занесенных в память микроконтроллера сигналов управления однофазным мостовым инвертором, в диагональ которого включены оставшиеся работоспособными соединенные последовательно две фазы.
В отличие от известных способов, в которых защитный элемент отключает всю отказавшую электрическую цепь, включая фазу обмотки якоря и соединенные с ней силовые ключи инвертора, а для этого каждая фаза имеет свой индивидуальный однофазный инвертор, предлагаемый способ управления, по существу, превращает трехфазный вентильный двигатель с вращающимся магнитным полем, при отказе в цепи одной из фаз, в однофазный двигатель с пульсирующим полем, за счет чего позволяет обеспечить свойство живучести при такой неисправности, при этом микроконтроллер вырабатывает признак наличия неисправности, а также звуковой и световой сигналы, оповещающие о наличии неисправности и времени ее возникновения. Благодаря тому что двигатель продолжает работать, появляется запас времени на подготовку нового, исправного экземпляра и проведение замены имплантируемого устройства. Кроме того, наличие лишь трех выводов от обмотки обеспечивает малое сечение жгута проводов, выходящих от имплантата наружу.
На Фиг.1 представлена функциональная схема трехфазного вентильного электродвигателя, где
ЭМП - электромеханический преобразователь энергии, конструктивно совмещенный с насосом,
СК - силовой коммутатор,
БДТ - блок датчиков тока,
АкБ - аккумуляторная батарея,
СД - светодиод,
СР - сирена,
УМК - управляющий микроконтроллер,
ЦПЭ - центральный процессорный элемент,
ОЗУ и ПЗУ - запоминающие устройства, оперативное и постоянное соответственно,
Рег. Шим - встроенные регуляторы, в том числе с широтно-импульсной модуляцией, порт вывода - порт, из которого выводятся управляющие воздействия, порт ввода - порт для ввода информации от датчиков.
Имплантируемым элементом является электромеханический преобразователь энергии - ЭМП со встроенным насосом. Питание к его обмотке якоря подводят жгутом из трех силовых проводов от силового коммутатора - СК, выполненного по схеме трехфазного мостового частотно-управляемого инвертора. Управление СК осуществляют от микроконтроллера, в порт ввода которого поступают сигналы от трех датчиков тока - БДТ в фазах ЭМП и сигнал задания частоты вращения. Сигнал о положении ротора вырабатывается при векторном управлении посредством осуществления вычислений в процессоре по векторной диаграмме двигателя. Первичным автономным источником электропитания является аккумуляторная батарея - АкБ. Светодиод - СД и сирену - СР используют в качестве сигнальных устройств.
На Фиг.2 приведена упрощенная принципиальная схема силового коммутатора с указанием для определенности номеров ключей - 1, 2, 3, 4, 5, 6 и схема подключенной к нему трехфазной обмотки якоря ЭМП с обозначением фаз А, В, С. Напряжение источника питания обозначено=Uп.
На Фиг.3, где
Ф1 и Ф2 - начальное и конечное положения оси ротора при нахождении вектора МДС в положении F1,
F1, F2, F3, F4, F5, F6 - шесть последовательных положений вектора МДС, представлена пространственная диаграмма шести последовательных положений вектора МДС, создаваемого обмоткой якоря при автокоммутации и двух положений вектора потока ротора при трехфазном режиме работы.
На Фиг.4, где
Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, Ф5, Ф6 - шесть последовательных положений оси ротора, фиксируемых датчиком положения,
F1 и F2 - два последовательных положения вектора МДС,
представлена диаграмма двух положений вектора МДС якоря и шести положений вектора потока ротора при обрыве в цепи фазы С.
На Фиг 5, где
A
B
C
U, U, U - фазные напряжения,
AB
AC
BC
U, U, U - линейные напряжения,
Т - период,
даны временные диаграммы: трех каналов устройства выработки кода о текущем положении ротора ЭМП - три верхних графика, работы силовых ключей СК - шесть последующих графиков, а также линейных и фазных напряжений обмотки якоря при трехфазном режиме работы вентильного двигателя при отсутствии обрыва в цепи одной из фаз.
На Фиг.6, где
A
B
C
U, U, U - фазные напряжения,
AB
AC
BC
U, U, U - линейные напряжения,
Т - период,
представлены временные диаграммы сигналов о положении ротора - три верхних графика, работы силовых ключей - шесть последующих графиков, линейных и фазных напряжений обмотки якоря при обрыве в цепи одной из фаз - в цепи фазы С, см. Фиг.2.
Представлена также Таблица 1 однозначного соответствия выходных кодов микроконтроллера, управляющих силовыми ключами СК, кодам, характеризующим пространственное положение ротора для трехфазного режима работы.
Представлена Таблица 2 соответствия управляющих кодов, вырабатываемых МК согласно настоящему изобретению при обрыве в цепи одной из фаз - фазы С обмотки якоря ЭМП.
Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. При отсутствии обрывов в цепях обмотки якоря, другими словами, при нормальном трехфазном режиме работы вентильного двигателя, МК формирует двухбайтовые коды, являющиеся адресами ячеек памяти, в которых хранят соответствующие электрической схеме соединений, заранее определенные управляющие коды. Старший байт адресного кода содержит в своем младшем полубайте код, вырабатываемый датчиками тока. В частности, отсутствию обрыва в цепи фазы соответствует логическая единица в определенном разряде кода датчиков тока. Таким образом, двоичный - В код 0111 в младшем полубайте адреса означает отсутствие обрывов в цепях всех трех фаз. И этот код отсылает к той области памяти, в которой хранят шесть управляющих кодов для реализации автокоммутации при нормальном трехфазном режиме. Младший полубайт адреса содержит код, характеризующий текущее положение ротора, полученный расчетным путем в процессоре с использованием уравнений, описывающих векторную диаграмму - векторное управление.
Таким образом, например, как показано на Фиг.5, двоично-дясятичный код - BCD адреса 8704 означает, что обрывов нет - младший полубайт старшего байта 7В=0111BCD, а ротор находится в пространственном положении, которому соответствует код 04В=0000 0100BCD. Из ячейки памяти с этим адресом содержимое - управляющий двоичный код 00100100В - выставляется в порт вывода и в соответствии с ним замыкаются ключи 3 и 6 СК, показанного на Фиг.2, ток протекает по фазам А и С, обеспечивая такое положение вектора МДС по отношению к текущему положению ротора, при котором создается вращающий момент нужного направления.
При повороте ротора до положения, при котором произойдет смена кода, адрес изменится и в порт вывода поступит новый управляющий код из ячейки с этим адресом. Процесс коммутации происходит в соответствии с Таблицей 1.
Согласно предлагаемому способу, процесс управления дополнен циклом опроса датчиков тока и отсылкой по результатам этого опроса в разные области памяти, хранящие управляющие коды. Как сказано выше, если результат опроса датчиков тока дает код 0111В, то область памяти определяется старшим байтом в двоично-десятичном коде, например 87BCD.
При обрыве в цепи одной из фаз обмотки якоря в цикле опроса датчиков тока изменится код. Например, при обрыве в цепи фазы С в цикле опроса будет получен код 0110В. Этот код поступает в качестве младшего полубайта старшего байта адреса и отсылает к другой области памяти, в которой хранятся иные управляющие коды, соответствующие тем же кодам, характеризующим текущее положение ротора, как показано в Таблице 2. Два разряда управляющего кода, связанные с силовыми ключами фазы С, содержат логический нуль и отключают стойку трехфазного инвертора, к которой подсоединена фаза С, а 4 разряда управляющего кода обеспечивают работу однофазного мостового инвертора, образованного оставшимися двумя стойками, к которым подсоединены исправные фазы А и В обмотки якоря.
Аналогично организованы еще две области памяти, соответствующие случаям обрыва в цепи фазы А и в цепи фазы В. И обращение к ним идет по коду, полученному в цикле опроса датчиков тока.
Таким образом, предлагаемый способ управления обеспечивает организацию процесса опроса датчиков тока, а также предусматривает выделение четырех областей памяти и записи в каждую из них соответствующих управляющих кодов, заранее составленных в соответствии с фактической электрической схемой цепи обмотки якоря и необходимым законом формирования вращающего момента при наличии этой схемы.
При переходе с трехфазного режима работы фактически на однофазный режим вращающий момент понизится, что при том же моменте нагрузки приведет к снижению частоты вращения. Для ее восстановления до прежнего значения необходимо использовать сравнение текущей частоты с заданной частотой и увеличение коэффициента заполнения встроенной в МК цифровой ШИМ или напряжения питания.
Каждый раз, когда в цикле опроса датчиков тока появляется код, отличный от кода 0111В, свидетельствующий о возникновении неисправности и предотвращении отказа за счет применения предложенного способа управления, МК вырабатывает сигналы, подаваемые на соответствующие исполнительные устройства - светодиод и сирену, которые являются сигналами светового и звукового оповещения о неисправности и необходимости подготовиться к операции по замене имплантата. В системе также предусмотрено отключение звукового сигнала. Но световой сигнал не отключается.
В предлагаемом изобретении способ управления трехфазным вентильным электродвигателем позволяет обеспечить свойство живучести при наличии лишь трехфазного мостового инвертора с шестью силовыми ключами и тремя проводами связи его с обмоткой якоря электромеханического преобразователя, находящегося в пациенте.
Таким образом, достигнут технический результат созданием такого способа управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести, который обеспечивает реализацию свойства живучести трехфазного вентильного электродвигателя, содержащего один трехфазный мостовой инвертор и имеющего лишь три вывода от обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда».
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предлагаемые варианты изобретения относятся, в основном, к трехфазным вентильным электродвигателям устройств и механизмов, требующих обеспечения качества повышенной живучести, в частности к области управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемых электронасосов крови.
Предложены варианты такого способа управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести, который обеспечивает реализацию свойства живучести трехфазного вентильного электродвигателя, содержащего один трехфазный мостовой инвертор и имеющего лишь три вывода от обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда».
Способ управления трехфазным вентильным электродвигателем с обеспечением свойства живучести может быть использован не только для привода имплантируемого ротационного электронасоса, но и там, где прекращение функционирования на доли-единицы часов может привести к нарушению безопасной эксплуатации оборудования с риском для персонала, привести к значительным экономическим потерям при авариях на необслуживаемых объектах с безостановочным либо продолжительным циклом работы, например в приводе технологических центрифуг и сепараторов.
Таким образом, изобретение промышленно применимо и может широко использоваться в области электроприводных устройств и механизмов, требующих обеспечения качества повышенной живучести, в частности к области управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемых электронасосов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Evgenij v. Potapov, Friedrich Kaufmann, Alexander Stepanenko, Ewald Hening, Juliane Vierecke, Alexandra Löw, Elke Lehmkuhl, Nikolay Dranishnikov, Roland Hetzer and Thomas Krabatsch: PUMP EXCHANGE FOR CABLE DAMAGE IN PATIENTS SUPPORTED WITH HEARTMATE II LEFT VENTRICULAR ASSIST DEVICE. ASAIOJournal. 58(6):578-582, 2012.
2. Патент РФ №2447561, МПК Н02Н 7/09, oпубл. 10.04.2012.
3. А.с. СССР №1746482, МКИ 3 Н02Р 7/42, oпубл. В БИ, 1992, №25.
4. Патент РФ №2311721, МПК Н02Р 6/12; Н02Р 6/16, oпубл. 27.11.2007.
Таблица 1
Код BCD положения ротора и неисправности
Код В положения ротора и состояние фаз (неисправности)
Управляющий код В
8705
10000111 00000101
00 000110
8704
10000111 00000100
00 100100
8706
10000111 00000110
00 100001
8702
10000111 00000010
00 001001
8703
10000111 00000011
00 011000
8701
10000111 00000001
00 010010
Таблица 2
Код BCD положения ротора и неисправности
Код В положения ротора и состояние фаз (неисправности)
Управляющий код В
8705
10000111 00000101
00 000110
8704
10000111 00000100
00 000110
8706
10000111 00000110
00 001001
8702
10000111 00000010
00 001001
8703
10000111 00000011
00 001001
8701
10000111 00000001
00 000110