Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển bơm vuốt ứng dụng trong y tế

Trên cơ sở phân tích tình hình thực tế về tình trạng trang thiết bị và nhu cầu cấp thiết tại các khoa điều trị tại Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức, tôi đã có ý tưởng thiết kế một thiết bị vớ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN VIỆT ANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM VUỐT ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS VŨ DUY HẢI

LỜI CAM ĐOAN

Mục đích nghiên cứu của đề tài luận văn này dựa trên khả năng ứng dụng các khoa học kỹ thuật hiện đại vào quá trình chăm sóc sức khỏe y tế Trên cơ sở phân tích tình hình thực tế về tình trạng trang thiết bị và nhu cầu cấp thiết tại các khoa điều trị tại Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức, tôi đã có ý tưởng thiết kế một thiết bị với mục đích kiểm soát lưu lượng bơm truyền của các dung dịch được sử dụng trong y

tế Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của TS Vũ Duy Hải - Giám đốc Trung tâm điện tử y sinh - Trườn Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã nghiên cứu từ lý thuyết về các vấn

đề như: Ứng dụng bơm vuốt trong y tế, thiết kế một mạch điều khiển tốc độ bơm vuốt phục vụ cho các thiết bị chẩn đoán và điều trị bệnh Ưu điểm của bơm vuốt là kiểm soát chính xác lưu lượng dung dịch bơm được sử dụng theo cài đặt của bác sĩ Tôi xin cam đoan những nội dung của luận văn này là hoàn toàn trung thực, chính xác và chưa được ai công bố trong các công trình khoa học nào khác

TÁC GIẢ

TRẦN VIỆT ANH

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn cùng sản phẩm này em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy giáo, cô giáo tại Bộ môn Điện tử y sinh - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đồng kính gửi lời cảm ơn tới các bác sĩ, các đồng nghiệp tại Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Vũ Duy Hải - Giám đốc Trung tâm Điện Tử Y sinh - Đại học Bách khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này với sự nhiệt tình và ân cần chỉ bảo, đồng thời cung cấp cho em những kiến thức chuyên môn để em có thể hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này

Em hy vọng rằng sản phẩm trong đề tài luận văn này sẽ được ứng dụng rộng rãi và phát triển hơn nữa ngoài thực tế tại các bệnh viện góp phần nâng cao hiệu quả điều trị bệnh để phục vụ tốt hơn nữa cho sự nghiệp chăm sóc sức khỏe nhân dân

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM VUỐT 3

1.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BƠM VUỐT 3

1.1.1 Khái niệm về bơm vuốt 3

1.1.2 Đặc tính kỹ thuật của bơm vuốt 4

1.2 Phân loại và các ứng dụng của bơm vuốt 5

1.3 Tầm quan trọng và ứng dụng của bơm vuốt trong y tế 9

1.3.1 Ứng dụng trong các thiết bị cận lâm sàng 9

1.3.2 Ứng dụng trong các thiết bị lâm sàng 13

1.3.2.1 Bơm truyền dịch 13

1.3.2.2 Thiết bị thận - lọc máu 16

1.3.3 Ứng dụng trong các thiết bị y tế khác 19

1.4 Tổng kết chương I 21

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BƠM VUỐT 22

2.1 Khái quát động cơ bước 22

2.1.1 Khái niệm động cơ bước 23

2.1.2 Cấu tạo động cơ bước 23

2.1.3 Phân loại động cơ bước 24

2.1.3.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu 25

2.1.3.2 Động cơ bước biến trở từ 29

2.1.3.3 Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) 30

2.2 Nguyên lý hoạt động 32

2.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước 34

2.4 Tổng kết chương II 37

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM VUỐT 38

3.1 Mục đích thiết kế 38

3.2 Xây dựng bộ thông số hệ thống 38

3.3 Xây dựng sơ đồ khối chức năng 38

3.4 Xây dựng lưu đồ thuật toán tổng quan 40

3.5 Thiết kế chi tiết và lựa chọn linh kiện 41

3.5.1 Thiết kế chi tiết 41

3.5.1.1 Khối nguồn 41

3.5.1.2 Khối điều khiển tốc độ động cơ 43

3.5.1.3 Khối vi xử lý trung tâm 48

b) Sơ đồ mạch nguyên lý 52

3.5.1.4 Khối hiển thị LCD 52

3.5.2 Lựa chọn linh kiện 53

3.5.2.1 Điện trở 53

3.5.2.2 Biến trở, triết áp : 54

3.5.3 Tụ điện 55

3.5.4 Diode 57

3.6 Tổng kết chương III 60

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỬ NGHIỆM 61

4.1 Kết quả thiết kế 61

4.1.1 Khối nguồn 61

4.1.2 Khối điều khiển động cơ bước 61

4.1.3 Khối xử lý trung tâm 62

4.1.4 Khối hiển thị 62

4.2 Đánh giá thử nghiệm 63

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Bơm vuốt hai con lăn 3

Hình 1.2 Bơm vuốt đơn cạnh 6

Hình 1.3 Bơm vuốt đa cạnh 6

Hình 1.4 Bơm vuốt công suất lớn 7

Hình 1.5 Máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động 9

Hình 1.6 Bơm vuốt được gắn trên một máy sinh hóa bán tự động 10

Hình 1.7 Sơ đồ một được dịch của máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động 11

Hình 1.8 Máy xét nghiệm sinh hóa tự động với nhiều bơm vuốt thực hiện quy trình hút mẫu, pha mẫu và đo mẫu tự động 12

Hình 1.9 Sơ đồ đường dịch của thiết bị xét nghiệm sinh hóa tự động 12

Hình 1.10 Bơm truyền dịch cơ bản 14

Hình 1.11 Bơm truyền dịch 15

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý của một bơm truyền dịch 15

Hình 1.13 Chạy thận nhân tạo 16

Hình 1.14 Bơm vuốt trên máy thận nhân tạo 17

Hình 1.15.Hệ thống đường máu (Bên ngoài) 17

Hình 1.16 Hệ thống đường máu (bên trong) 18

Hình 1.17 Sơ đồ dòng chảy máu 19

Hình 1.18 Dao siêu âm phẫu thuật u não Sonopet 20

Hình 1.19 Mô tả cách lắp đặt tay dao siêu âm 21

Hình 2.1 Hình dạng một loại động cơ bước 23

Hình 2.2 Mô hình số hóa động cơ bước 24

Hình 2.3 Cách đấu nối động cơ bước kiểu đơn cực 25

Hình 2.4 Hình minh họa cấp xung điều khiển 27

Hình 2.5 Cách đấu nối động cơ bước kiểu lưỡng cực 28

Hình 2.6 các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra 28

Hình 2.7 Động cơ bước biến trở từ 29

Hình 2.8 Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) 31

Hình 2.9 Động cơ bơm vuốt T-S107&JY15-12 ODM hãng Long Pump 31

Hình 2.10 Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato(xung 1 cực và xung 2 cực) 32

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực 32

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý cấp điện cho 1 pha cuộn dây 35

Hình 2.13 Điều khiển bằng cấp xung chế độ full-stepper 1 pha của động cơ 35

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H điều khiển động cơ bước 36

Hình 2.15 Sơ đồ chi tiết mạch cầu H 37

Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển động cơ bước 38

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tổng quan 40

Hình 3.3 Sử dụng nguồn 41

Hình 3 4 Sơ đồ khối LM2576 42

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi nguồn 12V sang nguồn 5V 43

Hình 3.6 IC DRV8825 chuyên dụng điều khiển động cơ bước 2 pha 43

Bảng 3.7 Các MODE chọn chế độ dịch bước của động cơ 43

Hình 3.8 Sơ đồ các khối chức năng của IC 44

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng DRV8825 46

Hình 3.10 IC tạo xung dao động NE555 47

Hình 3.11 Cấu tạo bên trong IC 555 47

Hình 3.12 Khối xuất xung PWM cho chân Step để điều khiển tốc độ bơm 48

Hình 3.13a Các chân chức năng của MSP430F5638 49

Hình 3.13b Vi xử lý MSP430F5638 49

Hình 3.14 Sơ đồ mạch nguyên lý 52

Hình 3.15 Khối hiển thị gồm 01 màn hình LCD các vị trí kết nối nguồn nuôi 5V và kết nối với bộ điều khiển trung tâm 52

Hình 3.16 Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử 53

Hình 3.17 Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý 53

Hình 3.18 Các điện trở : 2W – 1W – 0,5W – 0,25W 54

Hình 3.20 Hình dạng biến trở ký hiệu trên sơ đồ 54

Hình 3.21 Cấu tạo của biến trở 54

Hình 3.22 Hình dạng triết áp, cấu tạo trong triết áp 55

Hình 3.23 Cấu tạo tụ gốm, cấu tạo tụ hoá 55

Hình 3.24 Hình dạng của tụ gốm 56

Hình 3.25 Tụ gốm – là tụ không phân cực 57

Hình 3.26 Tụ hoá – Là tụ có phân cực âm dương 57

Hình 3.27 Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode 58

Hình 3.28 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn 58

Hình 3.29 Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điện xoay chiều 58

Hình 3.30 Hình dáng Diode Zener ( Dz ) không đổi 59

Hình 3.31 Ký hiệu của Diode xung 60

Hình 3.32 Diode nắn điện 5A 60

Hình 4.1 Mạch nguồn với đầu ra 5V và 3,3V 61

Hình 4.2 Khối điều khiển tốc độ động cơ bước 61

Hình 4.3 Khối xử lý trung tâm MSP430 62

Hình 4.4 Khối hiển thị 62

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, nền khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ Việc ứng dụng các phát minh khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại đã mang lại những thành tựu to lớn ở mọi lĩnh vực của đời sống kinh tế xã hội Đặc biệt, các phát minh về khoa học kỹ thuật ứng dụng trong y học ngày nay đã hỗ trợ rất đắc lực cho các bác sỹ trong công tác chẩn đoán và điều trị các căn bệnh hiểm nghèo Thiết bị y tế đóng vai trò quan trọng, là nhân tố không thể thiếu trong công tác cứu chữa và điều trị cho bệnh nhân Chính vì thế cần đòi hỏi phải có một đội ngũ cán bộ kỹ thuật có trình độ năng lực để quản lý,bảo dưỡng, sửa chữa và hướng tới khả năng chế tạo các trang thiết bị y tế để phục vụ tốt hơn cho nhu cầu chăm sóc sức khỏe con người

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại thiết bị y tế, chức năng và công dụng của chúng đều được phân ra và ứng dụng để điều trị các bệnh riêng biệt Tại Việt Nam hiện nay thì nói chung các thiết bị y tế dần phát triển, tuy nhiên chủ yếu

là các trang thiết bị phải nhập khẩu ở nước ngoài và số lượng sản xuất trong nước không đáng, công tác nghiên cứu chế tạo chưa thực sự được chú trọng, chủ yếu là công tác sửa chữa bảo dưỡng các trang thiết bị nhập khẩu Trong quá trình làm việc thực tế tại bệnh viện Hữu nghị Việt Đức và công tác tại một số các bệnh viện, em nhận thấy các trang thiết bị hỏng hóc phải mua vật tư linh kiện thay thế nhập khẩu giá thành rất cao Mặt khác, chi phí mua sắm thiết bị cao nên nhiều bệnh viện tuyến dưới không có khả năng đầu tư nhiều thiết bị phục vụ người bệnh Do đó em đã

quyết định thực hiện luận văn :“Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển bơm vuốt ứng dụng trong y tế” với việc thiết kế và sử dụng các vật tư linh kiện có sẵn trong

nước Ngoài mục đích bổ sung kiến thức cho bản thân em cũng hy vọng rằng luận văn của mình sẽ được ứng dụng để thiết kế cho nhiều máy móc phục vụ trong y tế Luận văn của em được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Duy Hải, Phó chủ nhiệm Bộ Môn Điện Tử Y Sinh thuộc Viện Điện tử Viễn thông Về nội dung, luận văn của em được chia ra các phần như sau:

Chương 1: Tổng quan về bơm vuốt

Giới thiệu tổng quan về bơm vuốt, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, các ứng dụng của bơm vuốt trong thực tế và trong lĩnh vực y tế

Chương 2: Lý thuyết điều khiển bơm vuốt

Trên cơ sở nghiên cứu về cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động của bơm vuốt từ đó tìm hiểu nghiên cứu lý điều khiển vận hành hoạt động của bơm vuốt

Chương 3: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển bơm vuốt

Từ việc nghiên cứu các lý thuyết về bơm vuốt để áp dụng thiết kế một mạch điều khiển bơm vuốt cụ thể ứng dụng trong y tế

Chương 4: Kết quả và thử nghiệm

Trình bày kết quả của việc thiết kế bơm vuốt, đưa ra các bảng mạch đã được chế tạo và kết quả thu được từ việc tiến hành chạy thử nghiệm

Qua đề tài tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo

bộ môn Điện tử Y sinh thuộc Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS.Vũ Duy Hải đã tạo điều kiện, giúp

đỡ, chỉ bảo tận tình giúp em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BƠM VUỐT 1.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BƠM VUỐT

1.1.1 Khái niệm về bơm vuốt

Bơm vuốt là một loại bơm dịch chuyển thể tích dương, được sử dụng để bơm nhiều loại chất lỏng khác nhau Các chất lỏng được chứa trong một ống mềm gắn bên trong một máy bơm dạng buồng chứa hình tròn Một số con lăn hoặc cần gạt được gắn trên cánh của một rôtor của một động cơ và ép chặt lên hai thành ống mềm thành từng đoạn Khi cánh rotor quay, một phần của ống chịu ép bị chèn ép kín do lực ép của rôtor lên thành ống, do đó buộc chất lỏng được bơm để di chuyển qua ống từ ngõ hút ra ngõ đẩy Đồng thời lúc này ống mềm hồi phục lại trạng thái

tự nhiên như ban đầu và tiếp tục chu trình hút lưu chất cần bơm Nguyên lý bơm nhu động có ưu điểm là không phá vỡ cấu trúc của lưu chất cần bơm Hiện tượng này giống như một ống chứa đầy chất lỏng với ngón tay của bạn trượt về phía trước ống chất lỏng di chuyển về phía trước Bơm nhu động là nguyên tắc chỉ đơn thuần

là thay thế bằng một ngón tay lăn Thông qua tính đàn hồi của ống phân phối máy bơm ép và quay liên tục để bơm chất lỏng Sự quay liên tục của rotor tạo thành một dòng chảy liên tục thông qua ống mềm Thông thường trên cánh của rôtor sẽ có từ hai hay nhiều con lăn hoặc cần gạt Các thành phần của chất lỏng được dịch chuyển

đi tới đầu ra của bơm

Hình 1.1 Bơm vuốt hai con lăn

Các máy bơm vuốt lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ bởi Eugene Allen năm 1881 Nó được phổ biến bởi bác sĩ phẫu thuật tim Tiến sĩ Michael DeBakey trong khi ông là một sinh viên y khoa năm 1932 [1] ( Dr Michael E DeBakey "Methodist DeBakey Heart & Vascular Center" Retrieved 2010-06-27.)

1.1.2 Đặc tính kỹ thuật của bơm vuốt

Bơm vuốt là giải pháp bơm tuyệt vời cho các ứng dụng bơm các chất có độ

ăn mòn, mài mòn và độ nhớt cao Thiết kế của bơm vuốt không có các van, phớt làm kín nên công việc bảo dưỡng bơm hết sức đơn giản và ít tốn kém Bộ phận duy nhất cần bảo trì của bơm là ống bơm (hose/tube), mà bộ phận này có thể được thay thế thường xuyên Bơm vuốt vận hành rất êm nên thích hợp bơm các chất dịch Một đặc điểm nổi trội khác của bơm vuốt là chỉ có một bộ phận duy nhất (mặt trong của ống bơm) tiếp xúc với dịch bơm nên việc giữ sạch và vệ sinh bơm rất đơn giản Các

ưu điểm của bơm vuốt như sau:

1- Thiết kế không cần phớt làm kín

Bơm vuốt không có phớt làm kín, do vậy hoàn toàn không gây rò rỉ các hóa chất ăn mòn khi hoạt động hay trong quá trình bảo dưỡng

2- Chi phí bảo trì thấp

Bộ phận duy nhất cần thay thế là ống mềm của bơm (hose/tube) Bộ phận này

có giá thành không cao và việc thay thế mất rất ít thời gian Trong truyền dịch và lọc máu thì bộ phận ống mềm này được dùng một lần

3- Bơm kiểu tự mồi và bơm có khả năng chạy khô

Bơm vuốt không cần dịch bơm phải luôn có trong ống bơm Sự co bóp của ống bơm tạo ra phản ứng tự mồi và cho phép bơm bơm được dịch bơm có chứa khí hoặc

xả khí ra

4- Bơm hoạt động êm nhẹ

Bơm hoạt động êm nhẹ, ít gây biến dạng cho dịch bơm Do vậy, bơm vuốt thích hợp bơm các chất dịch hoặc các chất dễ bị biến dạng như các chất kết bông (flocculants) hay nước súp,…

5- Chiều hút cao

Cơ chế phục hồi của ống bơm giúp bơm đạt chiều cao hút lên đến 9.5m nước

6- Khả năng chống ăn mòn cao

Bộ phận tiếp xúc với dịch bơm là ống bơm có nhiều vật liệu khác nhau để chống ăn mòn

7- Khả năng bơm dịch bơm có độ cô đặc cao

Bơm vuốt có thể bơm các vật chất với nộng độ 80% chất rắn vô cơ hay 15% hợp chất hữu cơ

8- Khả năng chạy đảo chiều

Giống một số dòng bơm thể tích khác như bơm trục vít, bơm vuốt có thể chạy đào chiều (đảo giữa đầu hút và đầu xả) Chạy đảo chiều có tác dụng làm sạch đường ống và xử lý chống tắc trong đường ống

9 - Không tổn thất bơm

Bơm vuốt không có hiện tượng hồi lưu dịch chất, bơm hoạt động với lưu lượng chính xác, không có tổn thất trong quá trình bơm do con lăn ép toàn bộ lên thành ống mềm tạo thành một sự kẹp kín

10- Định lượng chính xác

Bơm vuốt khá chính xác về định lượng, lưu lượng thường xuyên dao động ở mức ±0,5 %

11- Bơm đạt tiêu chuẩn vệ sinh tiệt khuẩn

Do không tiếp xúc với dịch bơm nên đảm bảo 100% các dung dịch đi qua là hoàn toàn không bị nhiễm khuẩn Thích hợp trong lĩnh vực y tế

12 - Kiểm soát lưu lượng và tốc độ truyền dịch

Do việc cài đặt điều khiển được tốc độ của bơm vuốt mà lưu lượng và tốc độ truyền dịch hoàn toàn được kiểm soát theo y lệnh để phù hợp với yêu cầu điều trị

1.2 Phân loại và các ứng dụng của bơm vuốt

Trong thực tế có đa dạng rất nhiều loại bơm vuốt tùy thuộc vào công suất sử dụng, tính năng sử dụng và mục đích sử dụng Có nhiều cách phân loại các loại bơm vuốt, có thể phân loại theo đặc điểm cấu tạo và công suất bơm

Phân loại theo đặc điểm cấu tạo: phân loại thành bơm vuốt loại đơn và bơm vuốt loại đa cánh như sau:

- Bơm vuốt cơ bản loại đơn cánh:

Hình 1.2 Bơm vuốt đơn cạnh

Là loại bơm vuốt gồm từ 2 con lăn hoặc hai cần gạt, ép chặt lên thành của ống mềm chứa chất lỏng Loại bơm này chỉ có thể lắp đặt một đường ống mềm chứa chất lỏng đi qua

- Bơm vuốt loại đa cánh:

Hình 1.3 Bơm vuốt đa cạnh

Đây là loại bơm vuốt sử dụng một trục bơm nhưng được lắp nhiều cánh vuốt ống chất lỏng nên có khả năng cùng lúc bơm nhiều loại ống mềm chứa nhiều chất

lỏng khác nhau Tất cả các lưu lượng đường dịch đều được điều khiển đồng bộ bởi một động cơ Tốc độ của các loại động cơ bước 0.002 to 500 mL/min

Phân loại theo công suất bơm: là bơm vuốt công suất nhỏ và bơm vuốt công suất lớn

- Bơm vuốt công suất nhỏ: chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm, thiết bị y tế

với lưu lượng truyền dịch vào khoảng từ cỡ 0.002 ml/min đến 2.4 l/h , áp suất trên dưới 1.5 bar

- Bơm vuốt công suất lớn: Sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, sử dụng

để hút bùn, phế thải lỏng, v.v cần sử dụng để hút những thể tích lớn cỡ hàng m3

Hình 1.4 Bơm vuốt công suất lớn

1.2.2 Các ứng dụng tiêu biểu bơm vuốt trong thực tế

Bơm vuốt thường ứng dụng để bơm lưu chất có đặc tính:

- Chứa chất rắn ( độ cứng lên tới 80%)

- Chất lỏng có độ nhớt cao ( dầu mỡ)

- Chất lỏng có tính ăn mòn cao và dễ vón cục như Vôi

- Dung môi có tính bay hơi cao

Một số lĩnh vực tiêu biểu mà bơm vuốt được sử dụng như là một giải pháp

an toàn và hữu hiệu nhất như:

+ Mỏ khai thác than: dùng để bơm thoát nước

- Xử lý nước đô thị:

+ Xử lý bùn + Định lượng hoá chất (bơm vôi, ferric chlorite) + Than hoạt tính

+ Định lượng Sodium silicate + Định lượng Sodium hypochlorite + Định lượng Sodium bisulphite

- Chất tẩy rửa/ hoá chất:

+ Hydrochloric acid (<38%), Sodium hydroxide + Potassium hydroxide

+ Sơn gốc nước, mủ cao su, Axit Sulphuric, + Chất kết dính,

+ Đinh lượng nước hoa để sản xuất xà phòng

+ Kem đánh răng, dầu gội, xà phòng

- Trang thiết bị y tế:

+ Các máy truyền dịch, máy chạy thận nhân tạo, các thiết bị lọc máy liên tục

+ Các máy xét nghiệm sinh hóa, xét nghiệm huyết học v.v

+ Các máy bơm nước trong hệ thống dao siêu âm, thiết bị tán sỏi đường mật, nội soi khớp gối, v.v

- Cơ sở giết mổ gia cầm;

- Pha chế đồ uống (nhà máy bia,rượu);

- Chế biến cá và thức ăn chăn nuôi, v.v

1.3 Tầm quan trọng và ứng dụng của bơm vuốt trong y tế

Do đặc tính ưu việt có nhiều ưu điểm của bơm vuốt mà ngày nay bơm vuốt được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật chế tạo máy nói chung và chế tạo trang thiết bị y tế nói riêng Đặc biệt trong lĩnh vực y tế, do yêu cầu về tính chính xác về liều lượng, khả năng đảm bảo không xâm lấn đối với dịch bơm, cũng như không tổn thất dịch bơm Vì thế chúng được ứng dụng ngày càng rộng rãi và thay đổi cả về kết cấu lẫn kiểu dáng nhưng nguyên lý bơm thì không thay đổi

1.3.1 Ứng dụng trong các thiết bị cận lâm sàng

Các thiết bị cận lâm sàng là các thiết bị có chẩn đoán thăm dò chức năng , khám bệnh để đưa ra những thông số sinh học của cơ thể người bệnh Từ đó những kết quả thu được từ việc thăm khám bác sĩ mới có thể đưa ra các chỉ định để điều trị Chúng ta phải kể đến đầu tiên là các hệ thống máy xét nghiệm máu như : xét nghiệm sinh hóa, xét nghiệm huyết học, xét nghiệm miễn dịch v.v Để đảm bảo tính chính xác của các xét nghiệm thì bắt buộc các thiết bị phải thực hiện trong một quy trình khép kín từ lúc lấy mẫu bệnh phẩm (máu, huyết thanh của bệnh nhân v.v ) đến khi trả kết quả

Hình 1.5 Máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động Phân tích xét nghiệm sinh hoá là một trong các phương pháp khám bệnh chủ

yếu nhằm để thu nhận một số các phân tích y tế được hệ thống hoá cho phép phát hiện bệnh lý, xu hướng phát triển bệnh lý, giám sát diễn biến của quá trình bệnh lý

Nhiệm vụ chủ yếu của phân tích sinh hóa là thu nhận thông tin chẩn đoán tin cậy về hoạt động chức năng của các hệ thống khác nhau trong cơ thể tạo cơ sở cho việc quyết định điều trị

Đối tượng phân tích xét nghiệm là các vật liệu sinh học lấy từ môi trường bên trong của bệnh nhân như: máu, nước tiểu, bạch huyết, tủy sống, dịch vị, môi trường mô sinh và các chất do cơ thể tạo ra trong quá trình hoạt động sống của nó.v.v…

Đặc điểm cơ bản của phân tích sinh hóa là tính chất của mẫu thử sinh học không bị ảnh hưởng bởi các quá trình xảy ra trong cơ thể sau khi lấy mẫu, vì vậy các mẫu thử chỉ có ý nghĩa đến khi nào chúng còn mang “dấu ấn” của cơ thể được khảo sát Như vậy, mẫu thử là “bức ảnh” tức thời của trạng thái cơ thể, vì thế mọi yếu tố ảnh hưởng đến mẫu thử đều làm sai lệch giá trị của kết quả xét nghiệm

Nguyên lý hoạt động của các thiết bị xét nghiệm phân tích sinh hóa tự động

là pha chế các loại thuốc thử (thuốc tạo phản ứng R1, R2) với nhau và với mẫu bệnh phẩm Sau khi các chất này tạo phản ứng với nhau sẽ biểu thị nồng độ chất cần tìm trong mẫu bệnh phẩm bằng cách chiếu phản ứng tới một bộ cảm biến ánh sáng (detector) Cảm biến này có chức năng thu nhận thông tin bệnh phẩm và chuyển chúng thành những giá trị đã quy ước Quá trình này đòi hỏi phải thực hiện theo một quy trình khép kín Toàn bộ sự dịch chuyển của mẫu bệnh phẩm và thuốc thử đều được dẫn lưu bằng bơm vuốt và pha chúng với nhau tại buồng phản ứng Do các mẫu thử và bệnh phẩm yêu cầu tuyệt đối không bị pha tạp của bất kỳ dung dịch nào và thường được lấy với giá trị rất ít ( dưới 1ml dịch) nên bơm vuốt với những đặc tính mới có khả năng đáp ứng được mọi yêu cầu trên

Hình 1.6 Bơm vuốt được gắn trên một máy sinh hóa bán tự động

+ Quá trình thứ nhất là quá trình bơm vuốt sẽ hút mẫu phản ứng bên trong một ống nghiệm vào buồng đo phản ứng Mẫu này là sự pha trộn có tỉ lệ của bệnh phẩm và thuốc thử tạo phản ứng thể hiện nồng độ của yếu tố cần thăm dò trong cơ thể (Glucose, Ure, Axit uric ) Tại đây mẫu sẽ được giữ lại khoảng vài giây đến vài phút để máy đọc kết quả

+ Quá trình thứ hai là quá trình bơm vuốt sẽ hút toàn bộ mẫu phản ứng từ bên trong buồng phản ứng ra ngoài tới bộ đựng chất thải của máy

Toàn bộ quá trình hoạt động của bơm vuốt không gây ảnh hưởng đến chất lượng của mẫu

Trong thiết bị xét nghiệm sinh hóa bán tự động trên do cấu tạo đơn giản, bơm vuốt chỉ tham gia vào quá trình hút mẫu phân tích để đo và thải mẫu ra ngoài Đối với các thiết bị phân tích tự động như máy xét nghiệm sinh hóa tự động hay các máy xét nghiệm huyết học thì toàn bộ quá trình từ pha mẫu bệnh phẩm, pha dung dịch thuốc thử đều được thực hiện bởi các bơm vuốt Do không sử dụng phớt bơm

và không tiếp xúc trực tiếp với các dung dịch như các loại bơm khác nên sẽ không làm hao tổn dịch bơm, hệ thống bơm kín nên đảm bảo độ chính xác cỡ µl

Chất thải

Hỡnh 1.8 Mỏy xột nghiệm sinh húa tự động với nhiều bơm vuốt thực hiện quy

trỡnh hỳt mẫu, pha mẫu và đo mẫu tự động

Chất xúc rửa

Mô tơ

hút chất thải

ố ng ch

ứa chất

thải

Mô tơ

bơm n-ớc cất Mô tơ

bơm chất xúc rửa

Photometer Chất xúc rửa N-ớc cất

Kim xúc rửa

Kim hút hoá chất Kim hút mẫu

Các lỗ tràn khay đựng mẫu

Hỡnh 1.9 Sơ đồ đường dịch của thiết bị xột nghiệm sinh húa tự động

1.3.2 Ứng dụng trong các thiết bị lâm sàng

Các thiết bị lâm sàng là những thiết bị được sử dụng trực tiếp vào quá trình

điều trị người bệnh Thông thường đối với các thiết bị có chức năng bơm thuốc vào người bệnh với một số lượng lớn, trong thời gian dài cần kiểm soát hoặc các thiết bị lọc máu ngắt quãng hay liên tục đều phải sử dụng bơm vuốt do tính ổn định và những ưu điểm của nó Trong đề tài luận văn này sẽ giới thiệu hai ứng dụng của bơm vuốt trong bơm truyền dịch và thiết bị thận - lọc máu

1.3.2.1 Bơm truyền dịch

Dịch truyền là những dung dịch thuốc vô khuẩn dùng để tiêm truyền nhỏ giọt

vào tĩnh mạch với khối lượng lớn Dịch truyền có nhiều loại với các thành phần hoạt chất ở những nồng độ khác nhau

Truyền dịch có vai trò rất quan trọng trong y học, tuy nhiên vẫn sảy ra các tai biến trong khi truyền dịch làm cho bệnh nhân bị sốc Khi sử dụng dịch truyền để truyền cho bệnh nhân trong bất cứ trường hợp nào cũng cần phải lưu ý nguy

cơ bệnh nhân có thể bị sốc Sốc có thể xảy ra tức thì hoặc trong, hoặc ngay sau khi tiêm Biểu hiện là bệnh nhân bắt đầu thấy rét run đột ngột, sốt, nhiệt độ cơ thể có thể lên 39 – 40oC hoặc cao hơn, mạch nhanh, vã mồ hôi, chân tay lạnh, huyết áp tụt, khó thở, nhịp thở nhanh và nông, bệnh nhân lo lắng bồn chồn, vật vã Nếu không

xử trí kịp thời bệnh nhân có thể sẽ bị tử vong Nguyên nhân gây sốc có thể do chất lượng thuốc hoặc do dụng cụ tiêm truyền không đảm bảo vô trùng, tốc độ truyền quá nhanh, đôi khi do cơ địa bệnh nhân mẫn cảm hoặc dị ứng thuốc, có bọt khí trong dịch truyền

Để giảm thiểu các nguy cơ dẫn đến sốc cho bệnh nhân, ngày nay tại các bệnh viện người ta đã sử dụng các thiết bị công nghệ hỗ trợ, kiểm soát việc truyền dịch vào cơ thể bệnh nhân, đó là các máy bơm truyền dịch

Các chức năng của thiết bị truyền dịch bao gồm: Bơm, kiểm soát tốc độ truyền dịch vào cơ thể; Làm ấm và kiểm soát nhiệt độ dịch truyền; Phát hiện và cảnh báo bọt khí khi có dịch truyền

Để đưa dịch truyền vào cơ thể, mạch sử dụng một bơm vuốt, lưu lượng đưa

và cơ thể tỉ lệ với tốc độ quay của bơm Thiết bị cho phép điều chỉnh tốc độ bằng núm xoay biến trở hoặc cài đặt bằng các phím trên máy

Các bơm truyền dịch có nhiều chức năng kiểm soát và theo dõi quá trình truyền dịch vào bệnh nhân như:

+ Kiểm soát được lưu lượng dịch truyền, tốc độ truyền dịch

+ Kiểm soát nhiệt độ dịch truyền (thường đặt khoảng 37 oC bằng nhiệt độ bên trong cơ thể

+ Cài đặt thiết lập chương trình cho từng loại thuốc, dịch truyền vào cơ thể theo khuyến cáo của nhà sản xuất thuốc

Ngoài ra một số các thiết bị truyền dịch công nghệ cao hơn còn thiết lập các chức năng phát hiện bọt khí trong dịch truyền và xử lý chúng

Hình 1.10 Bơm truyền dịch cơ bản

Trên hình 1.10 giới thiệu một loại bơm truyền dịch cơ bản sử dụng bơm vuốt

để điều khiển tốc độ bơm dịch bằng nút điều chỉnh tốc độ bơm Tốc độ bơm sẽ được hiển thị trên màn hình LED và được tính bằng đơn vị rpm (vòng/phút) Tùy theo tốc

độ được cài đặt mà lưu lượng dịch được truyền qua tương ứng khoảng 0,07 - 1140 ml/phút Hạn chế của bơm truyền dịch trên là không hiển thị trực tiếp lưu lượng dịch truyền bằng đơn vị ml/phút, không có chức kiểm soát nhiệt độ tuy nhiên có bộ phận đảo chiều quay của bơm nên có thể ứng dụng vào nhiều mục đích điều trị hơn

Hình 1.11 Bơm truyền dịch

Trên hình 1.11 thể hiện một loại bơm truyền dịch với một bộ phát hiện bọt khí trên đường truyền và bộ cài đặt tốc độ truyền dịch với đơn vị ml/h hoặc có thể cài đặt thời gian truyền và thể tích dịch truyền từ đó máy sẽ tự động truyền một thể tích hợp lý

Chạy thận nhân tạo thường là cần thiết khi có chỉ 10-15% chức năng thận

Có thể có hoặc có thể không có dấu hiệu và triệu trứng của suy thận (ure huyết), chẳng hạn như buồn nôn, nôn, sưng tấy hoặc mệt mỏi Chạy thận nhân tạo có thể giúp công việc của thận bằng cách kiểm soát huyết áp và duy trì sự cân bằng thích hợp của chất lỏng và các hóa chất khác nhau - chẳng hạn như kali và natri trong cơ thể Nó cũng có thể giúp cơ thể duy trì sự cân bằng acid-base thích hợp

Hình 1.13 Chạy thận nhân tạo

Máy thận nhân tạo gồm 4 bộ phận cơ bản: hệ thống vòng tuần hoàn ngoài cơ thể; hệ thống pha trộn và dẫn dịch lọc; hệ thống kiểm soát siêu lọc tự động; hệ thống riêng của các thế hệ máy Trong hệ thống tuần hoàn ngoài cơ thể có dây dẫn máu, bộ lọc, bơm máu, bơm heparin, các bộ phận thông báo các thông số như áp lực dòng máu động mạch, dòng máu tĩnh mạch, tốc độ bơm heparin, báo động có khí trong dòng máu

Như trên hình 1.14 thể hiện rõ sơ đồ đường dịch cũng là sơ đồ nguyên lý của một thiết bị chạy thận nhân tạo Đối với bất kỳ một hệ thống thận nhân tạo nào thì bơm máu luôn đóng vai trò chủ đạo, nó nằm trên hệ thống đường máu Việc cài đặt tốc độ bơm máu là việc kiểm soát toàn bộ quá trình lọc máu

Hình 1.14 Bơm vuốt trên máy thận nhân tạo

Hệ thống đường máu thực hiện chức năng điều khiển và giám sát dòng máu quả lọc, và ở tại vị trí thích hợp thêm chất heparin vào máu trước khi thực hiện lọc Nguyên lý hoạt động và các thành phần của hệ thống được miêu tả dưới đây :

Hình 1.15.Hệ thống đường máu (Bên ngoài)

1.Operators panel (Bàn điều khiển)

2.Air detector (Bộ phát hiện bọt khí)

3.Venous pressure transducer (Bộ cảm biến áp lực tĩnh mạch)

5.Blood pump unit (Bơm máu)

6.Heparin pump unit (Bơm Heparin)

7.Expansion chamber holder (Buồng giãn nở (bệ đỡ))

Hình 1.16 Hệ thống đường máu (bên trong)

1.Operators panel (Bàn điều khiển)

2.Air detector (Bộ phát hiện bọt khí)

3.Venous pressure transducer (Bộ cảm biến áp lực tĩnh mạch)

4.Arterial pressure transducer (Bộ cảm biến áp lực động mạch)

5.Blood pump unit (Bơm máu)

6.Heparin pump unit (Bơm Heparin)

7.Expansion chamber holder (Buồng giãn nở (bệ đỡ))

8.BM I/O Board (Bảng hệ thống vào/ra bộ giám sát máu)

9.Level regulation ( Núm điều chỉnh mức (dịch))

Nguyên lý hoạt động của hệ thống đường máu là máu từ động mạch được đưa vào qua bộ kẹp đường động mạch (Arterial line clamp).Trong suốt quá trình điều trị kẹp đường động mạch mở Áp lực máu động mach được giám sát bởi bộ bảo vệ áp lực động mạch (Arterial pressure guard), nó đưa ra báo động nếu áp lực động mạch trở nên quá thấp hoặc quá cao Chẳng hạn, nếu kim hoặc đường máu động mạch bị tắc nghẽn thì báo động được đưa ra (Bơm máu bị ngừng hoạt động)

Hệ thống báo động được kích hoạt nếu có hiện tượng tăng áp lực giữa bệnh nhân và bơm máu, chẳng hạn:

-Sự suy giảm áp lực máu

-Các vị trị kim động mạch bị thay đổi

-Có sự xoắn dây trong đường động mạch giữa bệnh nhân và bơm máu

Hình 1.17 Sơ đồ dòng chảy máu

Chức năng của bơm máu (Blood pump) là để duy trì dòng máu thực tế Máu được di chuyển từ bệnh nhân tới quả lọc (Dialyzer) và sau đó trở lại bệnh nhân Bơm máu không thể hoạt động được khi nắp bơm mở Trong trường hợp nguồn điện hỏng bơm máu có thể vận hành bằng tay thông qua tay quay của bơm để trả máu về cho bệnh nhân (bơm chỉ có thể quay ngược chiều kim đồng hồ)

Bộ phát hiện bọt khí (air detector) có các chức năng sau: nếu bọt khí được phát hiện thấy trong máu hoặc mức máu trong buồng nhỏ giọt tĩnh mạch quá thấp thì báo động được đưa ra và dòng máu được ngăn lại (bơm máu và bơm heparin bị ngừng hoạt động và kẹp đường tĩnh mạch được đóng lại) Buồng nhỏ giọt tĩnh mạch hoạt động như buồng giãn để làm đều nhịp đập áp lực

1.3.3 Ứng dụng trong các thiết bị y tế khác

Các bơm vuốt còn được sử dụng phổ biến trong các thiết bị hỗ trợ điều trị khác như các thiết bị bơm nước áp lực trong dàn nội soi khớp gối, nội soi tán sỏi đường mật Do yêu cầu phải cung cấp một lưu lượng nước liên tục ổn định khoảng

30- 50 mmHg tùy vào yêu cầu của từng phương pháp điều trị Bơm vuốt sẽ duy trì tốc độ và áp lực dòng nước trong ống mềm tới vị trí điều trị

Hình 1.18 Dao siêu âm phẫu thuật u não Sonopet

Các thiết bị mổ sọ não đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao do các phẫu thuật viên phải hoạt động trong phạm vi trường mổ nhỏ, chi tiết mẫu thuật nhỏ, nên đòi hỏi phải có sự kiểm soát ngặt nghèo về độ chính xác của các thiết bị Dao mổ siêu

âm sonopet được sử dụng để tán nhỏ cac khối u nằm lớn nằm bên trong não Các khối u này thường chứa nhiều mạch máu và không phải là tổ chức năng u hoặc các

u sơ cứng Đối với mọi biện pháp cắt u ác đều trở nên nguy hiểm do vết cắt có thể làm bệnh nhân mất nhiều máu Chính vì vậy người ta cần phải sử dụng thiết bị có tác dụng tán nhỏ các khối u mà không làm ảnh hưởng đến các mạch máu trong não, giảm thiểu khả năng phải cầm máu

Dao mổ sonopet gồm 2 bộ phận chính là bộ phận tạo sóng siêu âm và bộ phận tạo môi trường tạo sóng siêu âm Ở đây, để tạo môi trường sóng siêu âm người

ta sử dụng một bơm vuốt kẹp chặt vào một đường dẫn dịch truyền Nước sẽ được dẫn từ chai dịch truyền ( NaCl 0,9%) qua bơm vuốt đến tay dao và nước là môi trường tạo sóng siêu âm dẫn truyền cường độ siêu âm Tùy vào vị trí khối u và kích thước cũng như tình trạng khối u, kỹ thuật viên sẽ điều chỉnh cường độ năng lượng của dao và tốc độ bơm nước để đảm bảo không làm tổn thương đến các tổ chức lành trong não do lực ép của nước

Hình 1.19 Mô tả cách lắp đặt tay dao siêu âm

1.4 Tổng kết chương I

Nội dung chương I đã giới thiệu tổng quan về bơm vuốt, đưa ra khái niệm chung, cấu tạo và các nguyên lý hoạt động đặc biệt của bơm vuốt Trên cơ sở phân tích đặc tính kỹ thuật của bơm vuốt mà đưa ra được các ưu điểm của bơm vuốt

Từ các đặc trưng về cấu tạo, công suất sử dụng và phân loại bơm vuốt, để từ

đó tìm hiểu về các ứng dụng của bơm vuốt trong các lĩnh vực khác nhau trên thực tế

Nội dung của chương I cũng đã đánh giá tầm quan trọng của việc ứng dụng bơm vuốt trong lĩnh vực y tế Thông qua các phân tích về các trang thiết bị y tế hiện đại đều sử dụng bơm vuốt như một cơ cấu chấp hành chính trong hệ thống Qua đó

ta thấy được vai trò và vị trí cũng như khả năng ứng dụng cao của bơm vuốt trong thực tế

Từ toàn bộ các nội dung trên chúng ta sẽ có cơ sở để tìm hiểu nguyên lý điều khiển một bơm vuốt như : cấu tạo động cơ chính của bơm vuốt là gì? Nguyên lý hoạt động và cách điều khiển động cơ ấy như thế nào? Tất cả các câu hỏi trên sẽ

 Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao

năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

 Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động

cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí

nhờ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor

 Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta

có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi

vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

 Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới

chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen

tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt (hiện tượng này có thể loại bỏ trong truyền

dịch, vì tải kéo bơm vuốt không lớn), do đó không thể kiểm soát được góc quay

Chính vì những ưu điểm kể trên mà động cơ bước được sử dụng rất hiệu quả vào chế tạo bơm vuốt trong y tế và có thể áp dụng cho nhiều chức năng khác nhau

mà chỉ cần thay đổi tốc độ và các lắp đặt do nó có không phụ thuộc vào lực nén của

ống dịch mềm cũng như độ nhớt của dung dịch truyền, không phụ thuộc vào loại dịch truyền trong ống nên tốc độ cài đặt của bơm được duy trì ổn định sai số rất thấp

2.1.1 Khái niệm động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ

chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển, và đặc biệt các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào

Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động

và dừng lại dễ dàng ở vị trí bất kỳ nào đó

Hình 2.1 Hình dạng một loại động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết

2.1.2 Cấu tạo động cơ bước

Về cấu tạo động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Thông thường động cơ một chiều không tiếp xúc thường là một nam châm vĩnh cửu (số đôi

điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì động cơ bước có roto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần có bộ cảm biến vị trí rôto Đối với động

cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung cấp rời rạc nên roto quay theo các bước

Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc độ công suất nhỏ, động cơ bước

có các bối dây tạo thàng các pha trên stato, đồng thời trên cả roto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện Nhưng đối với động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn dây kích thích và cần có dòng kích thích để khởi động và nguồn nuôi của động cơ đồng bộ giảm tốc thì các cuộn dây chính thường là hai hoặc ba pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều được tạo ra từ trường quay liên tục với vân tốc gốc Ω Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi động, roto quay với vận tốc đồng bộ(nhỏ hơn vận tốc từ trường quay) Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau

Trên một phương diện khác ,có thể coi động cơ bước là linh kiện số (Digital Device) mà ở đó các thông số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hóa mà máy tính yêu cầu (hình 2.2)

Hình 2.2 Mô hình số hóa động cơ bước

2.1.3 Phân loại động cơ bước

Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính:

 Động cơ có rôto được kích thích( có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cữu)

 Động cơ bước có rôto không kích thích (động cơ kiểu biến trở từ, cảm ứng từ và động cơ kiểu phản ứng)

 Động cơ bước hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên

Về cơ bản động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu

Nếu mất đi nhãn trên động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến trở từ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự

do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực

2.1.3.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu

lưỡng cực, kiểu nhiều pha

1 Kiểu đơn cực

Hình 2.3 Cách đấu nối động cơ bước kiểu đơn cực

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.3, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải

xếp xen kẽ trên vòng tròn Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5

độ là khá lớn Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ

Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo

ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy:

Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011

thời gian > thời gian >

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp

2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên Chuỗi kết hợp như sau:

Hình 2.4 Hình minh họa cấp xung điều khiển

1 Kiểu lưỡng cực

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp lưỡng cực có cấu trúc cơ khí giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn

Minh hoạ ở hình 2.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở hình 2.5 Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển

cầu H cho mỗi mấu Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu

của mấu được điều khiển một cách độc lập Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn

của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ:

Hình 2.5 Cách đấu nối động cơ bước kiểu lưỡng cực

Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau

Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp

2 Kiểu nhiều pha

Hình 2.6 các pha và cách nối dây của động cơ bước

5 pha thành 5 đầu ra

Một bộ phận các động cơ không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 2.6 Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước