基于音圈直線電機的脈動生物反應器的驅動方法＊

周雷萌，郭國法，寧鐸，黃建兵

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基于音圈直線電機的脈動生物反應器的驅動方法＊

周雷萌，郭國法，寧鐸，黃建兵

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021）

脈動生物反應器能夠模擬在體心臟瓣膜的流體力學特征，產生搏動性液體，為組織工程心臟瓣膜提供良好的體外培養環境，使得組織工程心臟瓣膜的表皮細胞在植入人體后能夠經受人體內高速血流的沖擊，不易脫落。為了實現模擬心臟搏動的功能，脈動生物反應器采用音圈直線電機作為系統的動力源，并以STM32微控制器、PWM驅動電路、H橋驅動電路和觸摸屏等構成驅動控制系統。經過實際測試，該動力系統響應迅速、運行穩定，能夠產生滿足人體血流環境的流量和壓力差。該驅動控制系統機械結構簡單無中間轉換機構有利于系統集成化，使用中噪聲小，為脈動生物反應器提供臨床應用從技術上鋪平道路。

音圈直線電機；脈動生物反應器；STM32；H橋驅動電路

心臟瓣膜疾病是心血管系統的常見疾病之一，心臟瓣膜置換術是治療心臟瓣膜病的有效方法。脈動生物反應器是根據流體動力學原理設計并構建的體外脈動反應器和預適應應力培養系統，以模擬體內心臟瓣膜的血流動力學環境，為心臟瓣膜疾病的有效治療提供幫助。賓夕法尼亞州立大學的Nafiseh Masoumi等[1]設計的循環拉伸和彎曲的組織工程心臟瓣膜的生物反應器由NEMA 17步進電機、電機驅動器和LabVIEW程序組成的系統進行驅動。埃因霍溫科技大學的M.J. Beelen等[2]設計了一種氣壓驅動控制的心臟瓣膜生物反應器。華中科技大學的史峰等[3]構建的生物反應器有蠕動泵、流室、硅膠管道和儲液室組成。第四軍醫大學的王進等[4]以微控制器作為控制核心，分別利用空氣壓縮泵（空壓機）和真空泵為脈動反應器收縮和舒張的動力源。

要想構建性能優越的脈動生物反應器，其優良的控制、驅動是關鍵因素。為了給脈動生物反應器提供一個穩定可靠，且輸出力和速度可調的動力裝置，采用音圈直線電機作為動力源設計一種直線驅動裝置，要求該裝置可進行直線往復運動，并且可以實現模擬人體血流環境的流量和壓力差。

1 動力裝置結構及工作原理

1.1 動力裝置結構

動力裝置如圖1所示，該動力裝置主要由音圈直線電機、內部裝有彈性橡膠囊的液壓缸以及通過連接軸與音圈直線電機動子連接在一起的活塞組合而成。液壓缸內活塞上部的密閉空間被各自占有一定比例的液體與氣體的混合體所充滿，彈性橡膠囊固定于該空間并被液體和氣體所包圍，彈性橡膠囊通過安裝有單向閥門的動脈管和靜脈管穿過液壓缸端蓋分別與培養腔和回流槽相連接。

圖1 動力裝置結構圖

1.2 動力裝置的工作原理

驅動控制系統上電之后，當活塞向下運動時，液壓缸內部和外部形成負壓力差，此時靜脈管路中的單向閥自動打開而動脈管路中的單向閥自動關閉，回流槽里的培養液將被吸入彈性橡膠囊，以此來模擬心臟的收縮功能；當活塞向上運動時，液壓缸內部和外部形成正壓力差，此時動脈管路中的單向閥自動打開而靜脈管路中的單向閥自動關閉，剛才進入彈性橡膠囊內的培養液將被擠入培養腔內，以此來模擬心臟的舒張功能；當活塞循環上下直線往復運動時，培養液就會循環地被吸入和擠出，形成類似于心臟搏動泵血的功能。

2 控制系統硬件設計

該控制系統的硬件組成部分主要包括STM32微處理器、PWM驅動電路、H橋驅動電路和觸摸屏。

2.1 PWM驅動電路

PWM驅動電路如圖2所示。為了防止STM32輸出的數字PWM信號與模擬信號產生共模干擾，該系統采用光電隔離技術抑制干擾，由STM32產生的PWM信號通過高速光耦6N137進行隔離，可有效將輸入和輸出通道與控制器隔離，防止干擾進入系統內部，保證系統穩定工作。Q4和Q8構成的功率放大電路對PWM信號進行功率放大，用來驅動H橋驅動電路中的功率場效應管。

圖2 PWM驅動電路

2.2 H橋驅動電路

為了實現音圈直線電機的可逆調速，該系統采用如圖3所示的H橋驅動電路驅動音圈直線電機。該H橋驅動電路是由4個N溝道MOSFET功率場效應管和4個功率二極管組成，其中，二極管在功率場效應管關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續流回路。系統有兩組開關管，Q1和Q4為一組，Q2和Q3為另一組。同組的開關管同時開通或關斷，不同組的開關管則恰好相反。

在每個PWM周期里，當PWM1為高電平時，開關管Q1和Q4導通，此時PWM2為低電平，因此Q2和Q3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當PWM1為低電平時，開關管Q1和Q4截止，此時PWM2為高電平，開關管Q2和Q3導通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，在一個PWM周期內電樞電壓經歷了正反兩次變化，實現了對電機轉向的控制。PWM信號按照一個固定的頻率來接通和關斷功率場效應管，改變電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而實現對電機速度的控制。

圖3 H橋驅動電路

3 結束語

脈動生物反應器為組織工程心臟瓣膜的臨床應用提供了可靠的培養環境，為心臟瓣膜疾病的治療提供了技術支持。但由于人體生理系統是一個復雜的時變系統，簡單而單一。基于心率和血流量的流量控制方法并不能最大限度地滿足人體正常生理需求，還應該從多方面因素考慮系統的控制方法，從而提出更為精確的驅動控制系統。同時，為了使脈動生物反應器具有快捷、便攜的工作特點，除了對脈動生物反應器的機械結構提出要求外，監測系統應該向與受體組織無接觸和便于測量的方向發展。只有這樣，脈動生物反應器才能實現最佳效果。

［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，鄧誠，胡行健，等.生物反應器內構建組織工程心臟瓣膜［J］.中華實驗外科雜志，2013（02）：315-316.

［4］王進.脈動生物反應器的研制、測試和初步試用［D］.西安：第四軍醫大學，2008.

［5］林海濱，張鎬.基于H橋控制直流電機驅動電路設計［J］.家電科技，2018（05）：42-45.

［6］吳攀，周鳳星.基于STM32控制的大功率直流電機調速系統［J］.組合機床與自動化加工技術，2017（04）：111-113.

［7］郭紅利，張李嫻，錢俊兵，等.音圈電機驅動系統設計與分析［J］.工業儀表與自動化裝置，2017（02）：54-58，73.

［8］劉松斌，王海星，李碩恒.基于STM32的直流電機PWM調速系統［J］.化工自動化及儀表，2016，43（08）：834-837.

［9］馮曉梅，李立順，李紅勛，等.直線音圈電機特性研究［J］.微特電機，2014，42（12）：38-40，48.

［10］李偉，謝興瑯，馬景蘭，等.基于觸摸屏的直流電機控制系統［J］.化工自動化及儀表，2014，41（08）：955-958，974.

周雷萌（1986—），男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事嵌入式技術的研究。

陜西省科技統籌項目（編號：2017ZDXM-SF-035）

2095－6835（2019）07－0056－02

TH873.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.056

〔編輯：張思楠〕