1、分類號密級編號午初大學碩士學位論文論文題目大間隙磁力驅(qū)動血泵調(diào)速控制及在線檢測系統(tǒng)研究學科、專業(yè)機械電子工程研究生姓名支，亙拓導(dǎo)師姓名及專業(yè)技術(shù)職務(wù)譚建平教授年月原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在在論文中作了明確的說明。作者簽名：主出互拯日期：趔年名月血日關(guān)于學位論文使用授權(quán)說明本人了解中南大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留學位論文，

2、允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學位論文；學?？筛鶕?jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學位論文。日期：地年白血日中南人學碩上學位論文摘要摘要隨著計算機通信技術(shù)的高速發(fā)展，上位機監(jiān)控技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。本文以國內(nèi)外步進電機調(diào)速控制研究為背景，針對在目前外磁血泵調(diào)速控制領(lǐng)域內(nèi)機理性研究尚少的現(xiàn)象，分析探討了多種適用于軸流式血泵升速過程的調(diào)速模型，并以作為軟件控制平臺對調(diào)速模型分別進行求解和離散，獲得相應(yīng)地調(diào)速控制參數(shù)，再通過上位機串行通信技術(shù)實時將參數(shù)傳遞給單片機，最終實現(xiàn)了對血泵升速過程的曲線規(guī)劃控制。此外，針對目前

3、外磁驅(qū)動實驗系統(tǒng)存在人為工作量大、智能化控制程度不高和在線檢測技術(shù)不完善等問題，利用上位機與智能儀表或單片機的串行通信技術(shù)，建立基于的上位機在線檢測系統(tǒng)，并根據(jù)溫度和流量等采集信號的特點采取了相應(yīng)的數(shù)字濾波方法進行濾波分析處理，能夠滿足系統(tǒng)檢測要求。本文主要研究內(nèi)容如下：根據(jù)機與單片機、機與智能渦輪流量計之間串口通信數(shù)據(jù)對象本身的特點，規(guī)定了不同的通信協(xié)議，設(shè)計了不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，在通信過程中采用按序輪詢的方法保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緊湊性和完整性。以為控制分析平臺，提出了軸流式血泵調(diào)速控制參數(shù)求解公式，并建立了由三種初始條件參數(shù)控制的基本曲線法模型和血泵三段曲線升速模型，通過上位機離散獲得相應(yīng)的調(diào)速控

4、制參數(shù)，可滿足系統(tǒng)各種實驗研究需求?；谘脛恿W模型，利用標準四階龍格庫塔算法求解和分析模型，得到相應(yīng)的時域曲線和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定點的分布情況，并提出了基于埃爾米特插值算法原理的等分時間法和等分轉(zhuǎn)速法等兩種離散方法，最后給出了血泵調(diào)速控制具體實現(xiàn)方法，達到了可控性強和精確性高等目的。基于數(shù)字傳感器與單片機組成的測溫電路，建立上位機溫度采集系統(tǒng)；建立以智能渦輪流量計為核心的上位機流量檢測采集系統(tǒng)，利用對象訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作與處理。整個系統(tǒng)在線檢測設(shè)計研究達到了采集可靠、功能完善和可控性強等目的。搭建了大間隙磁力驅(qū)動系統(tǒng)檢測實驗裝置，進行了基本曲線法中南人學碩：學位論文摘要和血泵三段曲線法等調(diào)

5、速模型驅(qū)動性能比較實驗，結(jié)果表明了在相同條件下曲線調(diào)速模型在快速性和平穩(wěn)性方面更優(yōu)；對電磁體內(nèi)的硅鋼片進行了溫度測量實驗和血泵出口流量檢測采集實驗，得到相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)與曲線，并對采集信號做了相應(yīng)濾波分析，利用累積示值法整體上分析流量檢測精度為以內(nèi)，驗證了上位機系統(tǒng)的可行性，提供了可借鑒的在線檢測手段和方法。關(guān)鍵詞軸流式血泵，串行通信，調(diào)速控制，在線檢測中南人學碩：學位論文，：，中南人學碩：學位論文，：；中南大學碩上學位論文日錄目錄摘要目錄第一章文獻綜述一課題來源背景與意義課題來源課題背景與意義血泵及其驅(qū)動技術(shù)研究現(xiàn)狀血泵發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀血泵驅(qū)動技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀調(diào)速控制在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用調(diào)速

6、控制在步進電機領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀調(diào)速控制在血泵領(lǐng)域上的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上位機監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)控制軟件應(yīng)用現(xiàn)狀溫度測量方法研究現(xiàn)狀流量測量方法研究現(xiàn)狀本文研究內(nèi)容第二章大間隙磁力驅(qū)動上位機系統(tǒng)整體設(shè)計軸流式血泵工作原理及性能結(jié)構(gòu)軸流式血泵工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)軸流式血泵性能指標及其系統(tǒng)要求大間隙行波磁場驅(qū)動系統(tǒng)行波磁場發(fā)生器物理結(jié)構(gòu)行波磁場發(fā)生器控制系統(tǒng)大間隙磁力驅(qū)動血泵外磁驅(qū)動原理及耦合過程分析大間隙磁力驅(qū)動血泵外磁驅(qū)動原理大間隙磁力驅(qū)動血泵耦合過程分析大間隙磁力驅(qū)動血泵動力學特性上位機系統(tǒng)整體設(shè)計介紹上位機系統(tǒng)硬件布局上位機系統(tǒng)界面功能設(shè)計本章小結(jié)第三章大間隙磁力驅(qū)動系統(tǒng)血泵調(diào)速控制研究軸流

7、式血泵升速過程調(diào)速控制系統(tǒng)原理軸流式血泵升速過程調(diào)速模型數(shù)學建模直線升速法拋物線法指數(shù)曲線法血泵三段曲線法血泵動力學模型法中南大學碩：學位論文目錄軸流式血泵升速過程調(diào)速模型軟件設(shè)計軟件建模調(diào)速控制參數(shù)求解公式調(diào)速控制參數(shù)離散求解過程通信協(xié)議的規(guī)定單片機串行中斷服務(wù)程序控制血泵運行的單片機主程序軸流式血泵升速過程調(diào)速模型硬件設(shè)計硬件總體設(shè)計串行通信硬件設(shè)計本章小結(jié)第四章大間隙磁力驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)在線檢測研究系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)檢測過程及傳感器選型要求基于傳感器的溫度在線檢測系統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器基本參數(shù)和工作原理介紹與單片機組成的測溫系統(tǒng)設(shè)計溫度在線檢測系統(tǒng)上位機設(shè)計基于智能渦輪流量計的流量在線檢測系統(tǒng)型智

8、能渦輪流量計介紹機與智能渦輪流量計的通信設(shè)計流量在線檢測系統(tǒng)上位機設(shè)計數(shù)字濾波處理常用數(shù)字濾波方法血泵檢測系統(tǒng)數(shù)字濾波設(shè)計本章小結(jié)第五章實驗研究實驗系統(tǒng)設(shè)計實驗系統(tǒng)架設(shè)構(gòu)想實驗系統(tǒng)裝置搭建實驗過程及實驗結(jié)果分析調(diào)速模型驅(qū)動性能比較實驗溫度測量采集實驗流量測量采集實驗本章小結(jié)？第六章全文總結(jié)與工作展望全文總結(jié)研究工作展望參考文獻致謝攻讀碩士學位期間的主要研究成果中南人學碩：學位論文第一章文獻綜述第一章文獻綜述課題來源背景與意義課題來源本課題“大間隙磁力驅(qū)動血泵調(diào)速控制及在線檢測系統(tǒng)研究”來源于教育部博士學科點專項基金資助項目“大問隙磁力傳動能量傳遞規(guī)律研究及應(yīng)用（項目編號：）和國家項目“可植入式

9、微型人工心臟的多層次優(yōu)化設(shè)計及臨床應(yīng)用（項目編號：）子課題“微型血泵外磁驅(qū)動裝置研發(fā)。課題背景與意義（）課題背景隨著磁力傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，微型軸流式血泵的驅(qū)動控制已成為機械傳動研究領(lǐng)域的熱點【一釘。本課題組以軸流式血泵外磁驅(qū)動為背景，提出了一種行波磁場驅(qū)動的大間隙磁力傳動系統(tǒng)，利用體外磁源作為血泵供能方式，不僅有效滿足了血泵系統(tǒng)的供能需求，同時它通過非接觸式磁場驅(qū)動，從結(jié)構(gòu)上避免了密封，滲漏以及人體排異性等傳統(tǒng)血泵驅(qū)動方式難以克服的工程與醫(yī)學上的困難，降低了驅(qū)動系統(tǒng)在材料和結(jié)構(gòu)上的要求，同時減少了感染的機會，具有重要的創(chuàng)新性。軸流式血泵大間隙磁力驅(qū)動方式為步進驅(qū)動方式，其轉(zhuǎn)速的變化是由行波磁

10、場交變頻率控制，在課題前期研究中，根據(jù)經(jīng)驗化的階梯型加速形式，設(shè)置血泵的調(diào)速控制參數(shù)的大小，調(diào)速控制方面理論研究尚少；在實驗比較研究中，需中斷實驗多次修改底層程序，實驗操作麻煩，人為工作量大；在系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)（溫度和流量等）測量中，尚未有專門的傳感器進行檢測，測量實驗比較繁瑣，精確度不高。（）研究意義本文針對目前系統(tǒng)血泵調(diào)速控制尚停留在經(jīng)驗判斷上，提出了幾種具體的用于血泵升速過程的調(diào)速模型及其調(diào)速控制參數(shù)的求解方法，并給出了具體實現(xiàn)調(diào)速控制的軟硬件設(shè)計方法，同時為了解決以往對血泵動力學模型用現(xiàn)場可控性差、離散參數(shù)求解麻煩和人工操作量大等缺點，利用編寫了一套科學而合理的算法求解和離散血泵動力學模型

11、；針對現(xiàn)有實驗系統(tǒng)智能化控制程度不高和檢測系統(tǒng)不完善等問題，利用建立上位機實時控制與在線檢測系統(tǒng)，來實現(xiàn)人機交互，完成實時狀態(tài)參數(shù)的采集、數(shù)值分析、繪圖顯示、保存和打印中南人學碩：學位論文第一章文獻綜述報表，會大大地提高實驗效率，為以后軸流式血泵的臨床應(yīng)用提供了可借鑒的手段和方法。整個研究對于完善大間隙磁力驅(qū)動智能控制系統(tǒng)、調(diào)速控制曲線求解與離散方法以及大間隙系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)在線檢測手段和方法等方面具有實際的指導(dǎo)意義和理論依據(jù)。血泵及其驅(qū)動技術(shù)研究現(xiàn)狀血泵發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀本文研究的主要對象軸流式血泵屬于人工心臟的一種，是用于連接心臟動脈瓣膜或植入心臟內(nèi)部，最初旨在替代或者輔助生理心臟的泵血功能。

12、從研究涉及領(lǐng)域和臨床應(yīng)用目的等方面來看，其研究種類要分為心室輔助裝置（）和全人工心臟（）等兩類【?！俊Ｈ斯ば呐K（）完全取代自然心臟的功能，維護全身的血液循環(huán)狀況。目前在臨床上應(yīng)用的為：氣動式和液動式。心室輔助裝置（）是應(yīng)用機械或生物機械手段部分或全部替代心臟的泵機能以維持全身良好的血液循環(huán)的方法，它可分為左心室輔助裝置（）【、右心室輔助裝置（）、雙心室輔助裝置（）。其目的是改善循環(huán)功能不全或暫時維持患者的循環(huán)狀況，從而維護全身組織的正常循環(huán)【，比如便攜式的】。目前臨床應(yīng)用的是隔膜泵和葉輪泵。在早期開發(fā)的血泵采用的是隔膜泵是模仿自然心臟而設(shè)計的。其缺點是體積大不易植入、易感染；另外由于與血液的

13、接觸面積大，溶血的情況也比較嚴重。于是結(jié)構(gòu)相對簡單、體積小、可植入式的葉片泵就成為人們研究的重點。“葉輪泵【】是一類非仿生性的血泵，主要可分為離心泵【靠和軸流泵兩種形式。離心泵中的流體是徑向運動，依靠離心力來增加其壓能，；而軸流泵中的流體是軸向運動的，它是利用旋轉(zhuǎn)葉輪的擠壓推進將能量傳遞給液體。與離心泵相比，軸流泵具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、易于植入等優(yōu)點，同時軸流泵的血液破壞程度更輕【，因此逐漸受到更多科研人員的關(guān)注。目前美國、德國、日本】以及英國的】等是目前幾種具有代表性的植入式微型血泵。截止到年底，已經(jīng)通過認證的軸流泵有、和。近年來，李國榮等就傳統(tǒng)全人工心臟和隔膜泵輔助裝置在臨床應(yīng)用中的

14、不合理性提出了“功能性全人工心臟”【卯。它只是功能上取代生理心臟但是能避免損傷心臟和血管等機體的機械裝置，能實現(xiàn)與傳統(tǒng)機械瓣膜類似的效果，同樣具有血泵的功能。它也可以直接使用與動脈管外形特征相似的特制軸流泵實現(xiàn)體積小、創(chuàng)傷小和與機體結(jié)合度高等目標剛。從容積式隔膜泵到葉片式血泵，延至目前軸流式血泵的大量研究，可以看出中南人學碩上學位論文第一章義獻綜述研制出體積小，生理相容性好、植入性強和異物少的可植入式血泵，是血泵未來發(fā)展的總體趨勢。血泵驅(qū)動技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀在微型血泵漫長的研究歷程中，其驅(qū)動方式成為微型血泵臨床化的關(guān)鍵技術(shù)之一。血泵的驅(qū)動系統(tǒng)是將電能或其它能量轉(zhuǎn)化為壓力能的能量轉(zhuǎn)化（或傳遞）系

15、統(tǒng)，常用的驅(qū)動方式有五種：機械式驅(qū)動、氣動式驅(qū)動、液壓式驅(qū)動、電動式和磁力式驅(qū)動系統(tǒng)【】。其驅(qū)動能源的提供方式本質(zhì)上分為體內(nèi)蓄能、經(jīng)皮導(dǎo)線輸能和無線外磁輸能等三種方式。目前體內(nèi)蓄能驅(qū)動方式和經(jīng)皮導(dǎo)線輸能驅(qū)動方式在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。】采用直線電機驅(qū)動的全人工心臟進行了一種動物實驗?！刻岢鲆环N電機驅(qū)動的人工心臟泵及其經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法。設(shè)計了一種電機直接驅(qū)動的無密封式離心血泵?！尽康仍O(shè)計了一種利用磁性懸浮的軸流式血泵，該血泵利用磁性定子產(chǎn)生局部磁場空間使得葉輪處于懸浮狀態(tài)。研究了一種用于人工心臟驅(qū)動的大功率直線脈沖電機結(jié)構(gòu)及其運動學等特性。美國博士與休航局太空中心的合作【最新研制的主動脈輔助

16、裝置（）對已有人工心臟進行了改造。】等提出了一種無軸承、無密封、無機械磨損的磁懸浮軸流泵。陳海燕【】等提出了經(jīng)皮傳能系統(tǒng)的構(gòu)成及相關(guān)工作原理，并針對不同形狀的鐵芯、不同大小尺寸的線圈的耦合性能進行了仿真分析，得到了相關(guān)結(jié)論；錢坤喜、曾培】等通過改善離心式葉輪血泵無刷直流驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方式，使得血泵性能改善，可靠性提高。藺嫦燕【】研制的血泵由泵體、葉輪、直流無刷電機、隔膜、一對磁片、支撐架和導(dǎo)流槽等部件構(gòu)成。俞曉青、丁文祥等【】研究的磁耦合驅(qū)動軸流式血泵，其電機采用自制的中空無刷直流電機，實驗表明其流體力學特性能滿足臨床輔助循環(huán)的要求。綜上所述，較大部分血泵驅(qū)動方式都是通過體內(nèi)儲能的方式

17、向體內(nèi)植入的驅(qū)動系統(tǒng)提供能源，比如內(nèi)置電池導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，并且由于需要定時更換增加了手術(shù)性困難和術(shù)后創(chuàng)傷；而經(jīng)皮導(dǎo)線驅(qū)動方式由于導(dǎo)線或?qū)Ч艿倪B接容易造成體內(nèi)感染和排異性差等問題，不適合長期使用，影響著微型血泵臨床應(yīng)用普及化的進程。針對血泵外磁場驅(qū)動方面的研究，“外磁場驅(qū)動這一概念最初提出是源于李國榮博士年在國際上首次提出“動力性主動脈瓣的技術(shù)思想【訓】。外磁場耦合驅(qū)動血泵是從能量傳動的角度思考，有效解決了以往血泵存在供能不足的問題。其主要方法在血泵周圍產(chǎn)生可調(diào)頻的交變磁場，通過磁場耦合驅(qū)動體內(nèi)血泵旋轉(zhuǎn)【】。這種外磁場耦合驅(qū)動的方式很多，根據(jù)血泵驅(qū)動的要求，它們都中南人學碩士學位論文第一章

18、文獻綜述存在一定的優(yōu)劣性。勵磁線圈驅(qū)動法就是利用可變頻脈沖電路分時勵磁不同的線圈，達到驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子的目的，但線圈內(nèi)渦流而致線圈發(fā)熱比較嚴重【。李國榮博士【】針對植入式心臟輔助裝置提出了新的想法一動力性主動脈瓣。該裝置相當于軸流式血泵，將交變磁場驅(qū)動源置于體外。經(jīng)過模擬實驗，體現(xiàn)了實現(xiàn)體外磁驅(qū)動的可能性。美國工程學院機械工程系和生物磁能工程實驗室的，八由圖同軸縱向旋轉(zhuǎn)磁場耦合驅(qū)動螺旋血泵圖對磁極同軸耦合原理圖等【，針對植入式心臟外型無密封（）血泵，提出了同軸縱向耦合的驅(qū)動方式（如圖）。利用高數(shù)方法研究了驅(qū)動裝置之間的磁耦合，并通過對磁驅(qū)動螺旋式血泵的扭矩性能大小和力進行了分析，利用磁場仿真技術(shù)研

19、究了不同磁耦合陣列的磁場分布（如圖）、磁力矩和磁力大小，并對驅(qū)動磁件之間的距離耦合效應(yīng)也進行了研究。張錫文等【】提出了一種能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁力驅(qū)動裝置，可以為植入體內(nèi)的人工血泵提供充足的驅(qū)動力。該裝置利用徑向充磁的永磁體作為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子具有三對極，呈對稱分布，轉(zhuǎn)子外部是由線圈和硅鋼片組成的定子，在定子的圓周上分布有若干槽，槽內(nèi)繞有線圈。當血泵工作時，則通過可變頻脈沖器分時勵磁驅(qū)動不同的線圈組，達到驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的目的。高殿榮、張前等【】提出了的一種利用外磁場驅(qū)動的可植入式磁懸浮錐形旋轉(zhuǎn)葉輪轉(zhuǎn)子血泵，該血泵集驅(qū)動與控制于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，有效地解決了因穿皮導(dǎo)線引起的體內(nèi)感染和排異性等生理問題。由

20、上面研究情況可知，目前血泵外磁驅(qū)動的研究集中在無經(jīng)皮導(dǎo)線、無體內(nèi)感染和驅(qū)動能源充足等三個方面。但目前的外磁驅(qū)動研究遠未達到臨床實用化的階段，血泵葉輪的旋轉(zhuǎn)一般還是依靠體外旋轉(zhuǎn)的交變磁場來產(chǎn)生，滯后性較大、可靠性低和可控性差，因此對靠外磁交變磁場驅(qū)動的血泵進行變頻調(diào)速控制的過程是提高血泵運行穩(wěn)定和可靠的必經(jīng)之路。調(diào)速控制在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用對于一般性的機電產(chǎn)品，在位移長短、速度大小、時間快慢、平穩(wěn)性或者光中南人學碩士學位論文第一章文獻綜述滑性等性能方面有目標性要求時，歸根到底都會從其動力機構(gòu)的速度調(diào)節(jié)入手。調(diào)速硬件上采用變頻器，通過速度指令改變輸出電壓或者電流頻率使動力機構(gòu)達到運動目的。然而按照設(shè)

21、定的曲線進行速度調(diào)節(jié)控制，能準確地把握它的運行狀態(tài)，是調(diào)速控制中不可或缺的部分。大間隙磁力驅(qū)動類似步進電機原理，所以在此先討論調(diào)速控制在步進電機方面的研究現(xiàn)狀。步進電機作為數(shù)控加工系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其調(diào)速控制的方法和模式一直以來是研究人員關(guān)注的焦點。調(diào)速控制在步進電機領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機。根據(jù)脈沖信號來調(diào)整電機轉(zhuǎn)動的角度，并且是一步一步地實現(xiàn)的，因此非常適合單片機控制【】。步進電機可以由脈沖信號直接驅(qū)動，構(gòu)成簡單而又實用的開環(huán)系統(tǒng)。易知脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。通過單片機對其進行變頻調(diào)速，首先要實現(xiàn)脈沖分配，就是決定步進電機驅(qū)動電路的通電換相，具體有兩種脈沖分配

22、方法：軟件法和硬件法。軟件法就是利用單片機口生成控制字向驅(qū)動電路發(fā)送控制脈沖，使得步進電機進行通電換相；硬件法就是使用脈沖分配器芯片，比如集成電路芯片。前者節(jié)省了硬件資源，降低對芯片性能的依賴，增強了換相設(shè)計的靈活性；后者采用集成芯片，節(jié)省了的資源，提高了抗干擾能力，控制穩(wěn)定性強，兩種方法各有優(yōu)劣性。步進電機的速度控制就是對脈沖頻率的控制，如果采用硬脈沖分配方式，就只需控制步進電機的脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，廣泛采用技術(shù)來調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系；如果采用軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調(diào)速，主要有軟件延時法和定時器中斷法等兩種方法。然而調(diào)整指定轉(zhuǎn)速之間的時間間隔是體現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與

23、時間之間的特殊關(guān)系，并且通過運行曲線來呈現(xiàn)。由于步進電機在運行過程中對啟動頻率和速度加速度變化有特殊的要求，就是保證不在不失步和過沖的前提下，用最短的時間調(diào)速到指定轉(zhuǎn)速，并且保證一定的位置精度。因此，選擇合理的運行規(guī)律曲線，成為步進電機速度調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵【訓。步進電機經(jīng)驗化的調(diào)速控制規(guī)律一般有種，分別為直線型、拋物線型和指謄、篁、，、”（）直線型（）指數(shù)型（）拋物線型圖卜常見的步進電機升降速運行曲線數(shù)型，如圖所示。中南大學碩十學位論文第一章文獻綜述直線型是以恒定的加速度進行升降，容易編程實現(xiàn)，平穩(wěn)性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。由于加速度恒定，要求的轉(zhuǎn)矩不變，但是實際上步進電機的電磁轉(zhuǎn)

24、矩是變化的，因此可能因為轉(zhuǎn)矩不足而導(dǎo)致失步現(xiàn)象。對于步進電機來說，采用指數(shù)型曲線或者拋物線型是最好的選擇，主要是因為步進電機電磁力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系呈現(xiàn)非線性規(guī)律。它們的加速度是變化的，速度變化平滑，平穩(wěn)性好，具有較好的速度跟蹤性能。雖然相對于直線型調(diào)速控制，這些非線性曲線的調(diào)速方式失步較少，但在穩(wěn)定性上尚有待提高。為了獲得更高實時跟蹤性的調(diào)速控制規(guī)律，使步進電機快速而平穩(wěn)地達到所要求的速度并且不失步或過沖，其關(guān)健在于使調(diào)速過程中的加速度所要求的電磁轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的轉(zhuǎn)矩，但又不能超過這個轉(zhuǎn)矩【。對各個變速過程中的頻率控制進行優(yōu)化，運用軟件計算出調(diào)速特性曲線【。對于一些

25、非線性的調(diào)速曲線，需用離散法將其離散化，離散后速度并不是一直上升的，而是每升一級都要在該級上保持一段時間址，因此實際調(diào)速軌跡呈階梯狀，如果速度是等距分布的，則在該速度級上的保持時間將不一樣長，然后將離散的轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格存入程序存儲器中，運行時利用查表的方法獲得相應(yīng)定時常數(shù)，相對計算法來說節(jié)省大量的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)效率【】。綜上所述，步進電機處理轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系體現(xiàn)在選擇合理的運行規(guī)律曲線來實現(xiàn)良好調(diào)速性能。其調(diào)速控制通常采用經(jīng)驗化的直線法和拋物線法等基本曲線法，但其速度或者加速度變化不連續(xù)，易引起高速失步或者系統(tǒng)沖擊現(xiàn)象。因此尋找具有加速度和速度連續(xù)可變的良好調(diào)速

26、性能的曲線形式，是實現(xiàn)系統(tǒng)快速而平穩(wěn)運行的一種合理的方法。曲線調(diào)速控制在步進電機上的應(yīng)用現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的曲線控制算法是由加拿大著名學者于年首次提出的【】，其算法簡單、控制精度高且實時性強，加速度連續(xù)，速度變化平滑，具有良好的加減速性能，在數(shù)控的走刀加工領(lǐng)域中應(yīng)用較多。傳統(tǒng)的曲線調(diào)速控制算法是將加減速過程分為七個階段，如圖所示，即：加加速段（）、勻加速段（）、減加速段（）、勻速段（協(xié)、加減速段（）、勻減速段）和減減速段（），因具有加速度和速度的連續(xù)等特點，所以已被廣泛應(yīng)用。然而由于應(yīng)用領(lǐng)域多樣，生產(chǎn)研究需求的不同，各種改進的曲線調(diào)速控制算法也層出不窮。中南人學碩：學位論文第一章文獻綜述¨蓑

27、，鼉制毯吲文搿曩曩圖卜傳統(tǒng)曲線加減速過程朱曉春等【】針對現(xiàn)有曲線存在分段復(fù)雜和公式龐大的問題，提出了易控的曲線加減速算法，根據(jù)數(shù)控加工系統(tǒng)中瞬時進給速度與目標速度的比較值和降速區(qū)的距來進行曲線加減速算法實時控制，該方法為高速高精度數(shù)控系統(tǒng)的研制提供了理論支撐。蔡錦達，石恩琪等【】在切紙機送料步進電機的調(diào)速控制中，根據(jù)步進電機的矩頻特性，提出了符合實際情況的加減速曲線，并利用分段離散的方法處理曲線得到每個時間階段所需要的頻率脈沖數(shù)，最后通過單片機將脈沖數(shù)固化于程序表中來實現(xiàn)曲線調(diào)速控制，相對直線加速，時間減少而且平穩(wěn)性也得到提高。等【提出了一種改進的輸入成形算法，可以促進解決與平板顯示器生產(chǎn)效益

28、相關(guān)的速度曲線的階梯時間。通過設(shè)定一些限制條件，利用類整形輸入的原理，將曲線的整形命令輸入便可以輕松獲得延時時間和曲線時間，相對傳統(tǒng)的曲線梯形命令算法，該算法減少了穩(wěn)定時間，提高了效率。陳緒兵等】在刀具高速加工技術(shù)領(lǐng)域里，提出了在直線段、圓弧段、曲線段等基本軌跡曲線模型下，利用無柔性沖突的曲線控制模式，以最短時間為優(yōu)化目標，建立了約束條件下的速度規(guī)劃方程，從而為高速加工軌跡的綜合評價提供了客觀依據(jù)。石川掣刪根據(jù)軌跡段得特征，提出了曲線調(diào)速規(guī)劃方法，并歸納出規(guī)劃中可能出現(xiàn)的種曲線加減速方式，針對每種方式，利用解析式或者迭代法的方法，給出了對每種方法的驗證過程，并成功地應(yīng)用到型數(shù)控系統(tǒng)中。綜上所述

29、，在數(shù)控走刀加工領(lǐng)域中，曲線具有加速度連續(xù)和速度變化平滑等基本曲線特點，在算法上簡單，變速階段層次分明，并且在算法實現(xiàn)和曲線中南人學碩：學位論文第一章文獻綜述結(jié)構(gòu)上有較大空間的可變性，可以根據(jù)具體的目標來優(yōu)化曲線，因此曲線加減速模式下的曲線規(guī)劃也是研究人員在應(yīng)用中關(guān)注的焦點。調(diào)速控制在血泵領(lǐng)域上的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀血泵的速度控制關(guān)鍵是由其驅(qū)動方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定的。不同的血泵驅(qū)動方式，其驅(qū)動控制策略也將不同。并且每種速度控制策略都為了使血泵達到一定的性能要求，使血泵的應(yīng)用朝臨床化方向發(fā)展。血泵調(diào)速控制在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。常宇【】等人提出了基于的血泵雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，并利用設(shè)計了帶有電壓轉(zhuǎn)換功能的調(diào)速

30、模塊，該系統(tǒng)血泵是一種三相繞組通電的方式，可以通過比較和編碼的方法調(diào)節(jié)電壓進行閉環(huán)速度控制。徐先懂【等根據(jù)能量守恒原理，提出基于心室功的控制算法，設(shè)計了采用雙閉環(huán)控制的外磁電機血泵調(diào)速系統(tǒng)，是一種以心室功為控制目標通過反饋信號來調(diào)節(jié)速度的調(diào)速控制策略。馬春生【】等提出了一種用于軸流式血泵無位置傳感器永磁無刷直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計，該系統(tǒng)是通過控制和調(diào)節(jié)驅(qū)動血泵的電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對血泵調(diào)速控制。血泵調(diào)速控制在國外的研究現(xiàn)狀。等討論了高速磁懸浮軸流式血泵系統(tǒng)的設(shè)計以及其動力學特性參數(shù)估計，該系統(tǒng)血泵是由三相永磁無刷無位置傳感器電機驅(qū)動，通過控制器和放大器根據(jù)反電動勢過零點原理來調(diào)節(jié)速度?！康?/p>

31、針對血泵發(fā)明了一種適應(yīng)性速度控制方法，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來保持在指定點的脈動系數(shù)。其中的脈動系數(shù)可以通過特定時間內(nèi)流量的最大值和最小值之差來測量脈動系數(shù)，而速度則通過電流變化來進行調(diào)節(jié)。發(fā)明了一種植入式血泵的速度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)本質(zhì)上由無刷直流電機轉(zhuǎn)子作為血泵轉(zhuǎn)子，其速度通過傳統(tǒng)方式控制，通過單片機處理信號對電機的電磁力進行切換，單片機周期性地檢測指定點信號直到檢測到心室功能障礙，然后減弱關(guān)鍵點信號，最終使得血泵一直工作在最優(yōu)速度以滿足患者的生理需要。縱觀上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，血泵調(diào)速控制研究大多集中在血泵驅(qū)動方式為電機帶動的經(jīng)皮導(dǎo)線式的。它們可以實現(xiàn)較精確的閉環(huán)控制，調(diào)速控制大多也停留在對驅(qū)動電機的

32、反饋調(diào)節(jié)和脈沖波形調(diào)整等方面。但是大間隙外磁驅(qū)動原理類似步進電機，屬于開環(huán)數(shù)字信號控制，因此為了使系統(tǒng)快速而平穩(wěn)地達到目標速度，選擇合理的運行曲線才是目前外磁驅(qū)動系統(tǒng)研究的關(guān)鍵之一。上位機監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用現(xiàn)狀隨著通信技術(shù)和信息化的高速發(fā)展，高質(zhì)量產(chǎn)品和精密控制成為生產(chǎn)企業(yè)機構(gòu)重點開發(fā)項目，因此監(jiān)控系統(tǒng)作為企業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程檢測、控制和調(diào)度的有效手段，隨著高科技化的需求而被廣泛應(yīng)用。監(jiān)控系統(tǒng)涉及到監(jiān)測和控制，監(jiān)控中南人學碩。：學位論文第一章文獻綜述系統(tǒng)的構(gòu)建要根據(jù)適用成本、檢測環(huán)境、檢測物理參數(shù)和檢測傳感器的不同涉及到不同的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和不同的工業(yè)控制軟件的選擇搭配。工業(yè)控制軟件應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)上目

33、前應(yīng)用比較多的是組態(tài)軟件和。前者由于存在強大的模塊集成功能，較多應(yīng)用在于企業(yè)里的大型設(shè)備和生產(chǎn)線上。然而引入了面向?qū)ο蟮木幊虣C制，巧妙的將編程的復(fù)雜性封裝起來，只需使用窗體和控件等可視化界面設(shè)計程序，從而降低了程序設(shè)計的難度，因此越來越多的設(shè)計人員偏愛于采用作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機開發(fā)軟件。等利用的通信控件，結(jié)合透明動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式，應(yīng)用到工業(yè)自動化設(shè)備中表明運行可靠，性能穩(wěn)定，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?。，等結(jié)合和控制器，利用算法實現(xiàn)對反應(yīng)器內(nèi)部溫度變量的控制，基于開發(fā)了用戶界面（）和基于單片機設(shè)計調(diào)節(jié)器，包括串行通信、動態(tài)數(shù)據(jù)處理，繪圖顯示等軟硬件設(shè)計【】。等針對煤礦采用有線通信方式無法靈活收

34、集信息等問題，提出了利用開發(fā)無線通信模式的監(jiān)測系統(tǒng)，并利用總線網(wǎng)路進行數(shù)據(jù)傳輸，功能上能實現(xiàn)超限制氣體濃度報警，實時顯示人員具體位置信息【。有關(guān)研究人員利用、和設(shè)計了一個上位機監(jiān)控系統(tǒng)，來監(jiān)控整個紅霉素發(fā)酵過程【，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法原理來預(yù)測茵絲濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度，再利用參數(shù)值的狀況生成控制量發(fā)送給下位機實現(xiàn)實時控制。液壓在線監(jiān)測與故障診斷儀的上位機軟件采用實現(xiàn)了以單片機為核心的下位機所采集數(shù)據(jù)的保存、波形顯示、信號處理和系統(tǒng)狀態(tài)識別功能。以檢測儀設(shè)計為例，介紹了上、下位機串口通信的軟件設(shè)計以及各個功能模塊的界面設(shè)計，給出了中調(diào)用工具箱函數(shù)實現(xiàn)信號處理的方法【】。綜上所述，利用開發(fā)上位機監(jiān)

35、控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)串行通信、動態(tài)數(shù)據(jù)處理和實時控制等功能，編程簡單，開發(fā)周期短，控件豐富，在設(shè)計上具有很強的靈活性。溫度測量方法研究現(xiàn)狀溫度測量在工業(yè)生產(chǎn)或者科學實驗研究中是一個十分常見而又重要的過程參數(shù)，并且影響著系統(tǒng)中其他狀態(tài)和參數(shù)。因此為了實現(xiàn)準確的溫度測量，其方法的選擇是至關(guān)重要的。測溫的方法有很多，比如熱電偶測溫法、熱電阻測溫法、紅外測溫法（）和數(shù)字智能溫度傳感器測溫法，但每種都存在各自的優(yōu)劣性，各種方法的研究現(xiàn)狀如下：熱電偶測溫法的基本原理就是利用兩種不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體構(gòu)成一中南大學碩十學位論文第一章文獻綜述個閉合回路，將它們置于測溫對象上，在利用熱電偶的熱電效應(yīng)或者塞貝克效應(yīng)進

36、行工作，比如張睿等利用熱電偶放大器設(shè)計一個小型測溫系統(tǒng)，該芯片將熱電偶和運算放大器集成在一個芯片中，同時需要利用轉(zhuǎn)換芯片對溫度模擬信號進行轉(zhuǎn)換，再傳送到對應(yīng)的單片機中。從此可以看出利用熱電偶測溫法需利用到轉(zhuǎn)換，硬件和程序上都增加了復(fù)雜度，并且熱電偶因易受電磁干擾，測量精度受限。熱電阻測溫法是利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化的規(guī)律，由熱電阻的電阻變化值來計算相應(yīng)點的溫度值，比如趙偉等【】利用鉑熱電阻來構(gòu)建測溫系統(tǒng)，并且提出了利用一元四次方程理論求解得到簡易的溫度電阻解析式，具有一定的實用價值。紅外線測溫法是利用紅外線傳感器進行非接觸式測量對象溫度的方法。比如張艷等【】采用紅外溫度傳感器紅外測溫探頭，以熱電

37、堆傳感器為測溫軟件，研制對高壓開關(guān)柜的溫度實時檢測系統(tǒng)。由于這種測量方式是屬于非接觸式的，易受環(huán)境干擾，而且因安裝不便比較不具有可移植性。數(shù)字智能溫度傳感器測溫法是利用高度集成的智能數(shù)字芯片對溫度進行測量、運算放大和轉(zhuǎn)換等所有操作，因為內(nèi)部存在溫度系數(shù)振蕩器使之具備較高的測溫精度，比如劉雨剛等【】利用的測溫原理減少非線性誤差，利用最小二乘估計線性處理，使得測溫精度從提高到。張海【】利用單片機和構(gòu)建了最簡測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的測溫裝置，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和精確度高等優(yōu)點。綜上所述，因為半導(dǎo)體或者導(dǎo)體材料的限制，傳統(tǒng)的熱電阻和熱電偶測溫方法都易受環(huán)境干擾，同時需要模擬信號放大器和轉(zhuǎn)換芯

38、片等其他器件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，程序繁瑣，精度和可靠性都比較低。而）結(jié)合了高度集成、單總線和智能計算處理等技術(shù)，將它與單片機組成測溫系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)可靠、精確度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和抗干擾能力強等特點。因此利用數(shù)字智能溫度傳感器測量溫度是本文首選的測溫方法。流量測量方法研究現(xiàn)狀在國內(nèi)外研究中，流量測量的方法層出不窮，都是采用一些特殊結(jié)構(gòu)性能的流量計來測量流道中的流量，根據(jù)測量流量的性質(zhì)和大小，有差壓式流量計、超聲波流量計、彎管流量計、容積式流量計、文丘流量計、熱式流量計、電磁流量計、質(zhì)量流量計和渦輪流量計等等。下面將介紹流量測量方法的研究現(xiàn)狀。蔡武副】匯集了余種儀表性能，并分析了小流量和微小流量儀

39、表的共性特點，提出了若儀表運行于低雷諾數(shù)區(qū)，必須要經(jīng)實流校準。浮子流量計工作原理是通過改變通流面積來改變流量，以浮子高度的變化來測量流量，滿度流量可中南人學碩：學位論文第一章文獻綜述以小至引，但是由于通過視覺讀數(shù)，無輸出信號，因此不能進行流量采集與控制。熱式流量計是通過對流道中的流體預(yù)先進行加熱，然后再根據(jù)加熱的與未加熱的流體溫度差來換算求得流體的流量，這種方法能夠精確測量很小流量，但是若流速較快時，由于流體升溫跟不上，則導(dǎo)致精度降低。等【川根據(jù)目前的校準調(diào)整和技術(shù)條件下，利用定點水準因子的方法可以有效地克服影響渦輪流量傳感器非線性的因數(shù)，并且提高測量精度，擴大流通范圍。張紅琴【】利用渦輪流量

40、計的智能表頭，采用表頭顯示的累積流量來計算流量計的示值誤差，能夠測量較小能量，并且擴大了流量測量的量程范圍。綜上所述，智能渦輪流量計具有高精度、體積小、抗干擾能力強、測量范圍寬和通信能力等特點，由于現(xiàn)場智能表頭能夠顯示流量和累積流量，并且可以進行段系數(shù)修正，能夠滿足更多的校驗要求和實驗要求。本文研究內(nèi)容本文通過建立了機與單片機、機與智能儀表之間的串口通信模型，根據(jù)行波磁場發(fā)生器的時序特點提出了調(diào)速控制參數(shù)求解公式，基于建立了多種調(diào)速模型并以此通過軟硬件設(shè)計實現(xiàn)了血泵升速曲線的規(guī)劃控制：基于血泵動力學模型，在里利用標準四階龍格庫塔算法求解和分析模型，并基于埃爾米特插值算法原理建立等分時間法和等分轉(zhuǎn)速法等兩種離散方法離散模型；建立了以數(shù)字智能溫度傳感器為核心的單片機溫度檢測系統(tǒng)及其與機實時通訊的上位機溫度采集系統(tǒng)；建立了以渦輪智能流量