高频超声理疗仪驱动电源设计

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mathan
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现阶段,检测超声在医疗领域应用广泛。而功率超声在医疗方面应用相对较少,处于研究阶段的如超声刀,靶向给药等。超声的理疗作用已被广泛的认可,但理疗仪的驱动电源仍存在不足。由于超声理疗频率较高大多在1MHz以上,若采用传统的功率芯片实现输出功率放大的功能,将存在输出功率是否可调节、输出电压波形是否畸变等问题。在实际应用中,仅仅依靠超声电源的匹配网络难以完成精确的匹配。且由于换能器发热、粘合剂的不同、老化等因素导致的换能器几个动态参数变化,换能器的谐振频率也会不断改变,此时要求超声电源能跟踪换能器的谐振频率,从而避免能量的大量损耗以及进一步发热灼伤病人。本文参照超声理疗驱动电源的国内外的研究现状,就目前存在的问题,设计了驱动频率为1MHz输出功率为10W的数字化超声电源整体架构。根据换能器电学等效阻抗模型,设计了超声换能器的静态匹配网络并计算了元器件参数。分析比较了FFT变换法、相关函数法、过零点比较法等相位差检测方法,选择合适的相位差检测方法并设计相关的检测电路。采用基于LCC功率谐振逆变器实现功率放大,对谐振逆变器各个模块进行分析,利用电路理论等知识给出LCC谐振逆变器参数的计算方法。比较目前开关电源常用的功率调节方法,引入PDM方法实现输出功率的可调节。针对理疗换能器自身谐振频率的漂移,引入频率自跟踪功能,使得换能器始终处于谐振状态。对工程应用中常用的频率点搜索算法提出改进,并指出其不足。针对换能器具有复杂的非线性、没有精确数学模型的特性提出基于模糊控制器的频率跟踪算法,并利用数学仿真工具Matlab中的模糊工具箱和Simulink仿真平台,搭建了基于模糊控制器的频率跟踪算法仿真模型。其仿真结果验证了模糊控制器实现频率跟踪的可行性和快速性。论文最后制作了超声理疗仪的实验平台,通过实验验证了基于LCC谐振逆变器和模糊锁相环构成的驱动器系统可以高效地驱动理疗换能器,能够实现换能器两端电压电流同相位,系统能够安全、稳定的持续运行。
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