（电力电子与电力传动专业论文）肿瘤治疗仪超声电源的研制.pdf

：些翌垄丝叁! 堕兰壁堡塞 垒呈! ! 垦皇! a b s tr a c t t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h eu l t r a s o n i cp o w e r s u p p l yo ft h et u m o rt r e a t i n ga p p a r a t u s ，t h eb l o c kd i a g r a ma n dt h e m a i nc i r c u i to f s i n g l e c h a n n e lp o w e rs u p p l yf i r s t l y t h e c o m m u t a t o r ，b u c ka n di n v e r t e ri nt h es y s t e ma r ed e s i g n e da n dt h e p a r a m e t e r so ft h e ma r ec a l c u l a t e d t h eo u t p u tp o w e ro ft h es y s t e m i sc o n t r o l l e dt h r o u g hm a n i p u l a t i n gt h ed cv o l t a g ea tt h eo u t p u to f t h eb u c kw h i c hi sk e p ta tt h er e f e r e n c ev a l u eb yap ia d j u s t o r a d o p t i n gt h ep l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra n dd i g i t a lp h a s es h if t i n g ， t h e f r e q u e n c ya n dp h a s eo ft h eo u t p u t o ft h ei n v e r t e rc a nb e c o n t r o l l e da t h i g ha c c u r a c y t h es t a t e o ft h ep o w e rs u p p l yi s m o n i t o r e db yt h em c ui ni t t h em c u sa r ec o n n e c t e dt ot h e c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r t h r o u g h r s 一4 8 5 i n t e r f a c e t h e c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t ht h ep ct h r o u g ht h e r s 一2 3 2p o r t t h es o f t w a r et h a tr u n so nt h ep ci sp r o g r a m m e d w i t hv j s u a 】b a s i c k e y w o r d s ：i n v e r t i n g ，u l t r a s o n i c ， s e r i e sc o m m u n i c a t i o n f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，p h a s es h if t i n gc o n t r o 4 ：坐复奎丝叁4 ： ! ! 堕堂壁堡奎 翌二羔l ! i 鱼 第一章绪论 1 1超声刀结构原理 超声波在医学上可做超声治疗，把高能超声波聚焦于肿瘤 组织上，可以使肿瘤细胞的细胞膜破裂，同时超声波释放出的 能量可以转化为热能，使焦点处肿瘤组织的温度达 7 0 。c 一1 0 0 。c ，从而将肿瘤组织细胞杀死。 超声刀治疗仪的结构原理如图卜l 所示，它通过b 超机探 测到肿瘤的位置和大小，然后把其影像信息输入到计算机中， 计算机在接收到这些信息后，控制超声波焦点以一定的方式扫 描肿瘤组织，从而杀死肿瘤细胞，又不伤及肿瘤周围的正常组 图卜l 超声刀结构原理图 织。超声波是一种机械波，不合放射性，对人体无伤害。 1 2超声电源基本要求 图1 1 中的治疗头是由安装于一个球面内侧的3 0 个压电换 能器组成的。压电换能器是一种压电晶体，超声波就是利用它 的压电效应产生的，当在压f 乜晶体两个端面加上交变电压时， 北万交通人学硕十学侮论文 第一蕈绪论 由于电场作用，将导致晶体的几何应变使晶体产生厚度上的 图卜2 单路电源框图 振动，当此种振动加于弹性介质时，会产生交替的压缩和伸张 即在介质中形成波动，就产生了超声波输出。 在超声刀中，根据治疗方案的要求，各路输出功率可设为 不同的值，所以需要三十路功率可以独立调节的电源。为获得 最大的超声输出能量，电源的输出频率应是压电换能器的串联 谐振频率。但在实际应用中，换能器由于老化而使其参数发生 变化，从而影响到其谐振频率，所以系统输出频率应能在一定 范围内调节。另外，由于换能器安装误差的存在，使得在同一 点各路超声波的相位不一定相同，所以需要调节各路电源交流 输出的相位，以确保各路超声波到达焦点时同相。所以，本电 源的基本要求是： 1 三十路电源输出功率独立可调，调节范围2 0 1 0 0 w ，io w 此力- 交通人学顾十学侮论文 钨一章绪论 步进 2 各路电源输出频率相同，且4 5 0k h z 一5 5 0k h z 可调，5 0 h z 步进： 3 各路逆变输出的电压相位0 。一3 6 0 。独立可调，l o 。步进。 1 3电源框图和主电路原理图 单路电源的框图见图1 2 ，如图所示，2 2 0 v 交流电直接接 全桥整流电路，整流电压经过b u c k 变换电路调压后，供给半 桥逆变电路，输出功率的调节是通过b u c k 变换电路调节直流 l h ：+ = 胪磐 1 = ： 十牛9j 童弭1 图1 3 电源主电路原理图 侧电压实现的。压电换能器采用电感串联匹配。各路功率、频 率、相位的设定由操作人员在上位机进行，所设的数据由上位 机通过r s 一2 3 2 串口发送到中控站，再山中控站发送到相应的 下位机。电源的主电路图见图l 一3 。 ：坐立窒堕叁兰堡主兰壁丝塞 笙兰至壁堕兰呈望鉴生堕! 堕 第二章整流与b u c k 电路设计 2 1整流电路设计 本电源采用单相交流2 2 0 v ， 流电路将交流电源变成直流电源 路的结构如图2 1 所示。 5 0h z 的市电供电，先经过整 以便做进一步处理。整流电 图2 1整流电路原理图 如图所示，整流电路包括单相不可控全桥整流部分雨i 电容 滤波部分。系统上电瞬间，对滤波电容直接充电会引起较大的 浪涌电流，这里采用电阻一接触器并联网络对其进行抑f t , 4 。系 统启动时，接触器j 断开，电流流过r ，启动完成后，接触器 j 闭合，电阻短接，电流流过接触器触点。图中c 1 是大容量 电解电容，对整流输出起滤波作用，c 2 是高频涤纶电容，用 来吸收直流母线上的高频电压尖峰。 下面计算有关参数，整流电压最大值为： u d 。= 4 2 u = 4 2 2 2 0 = 3 1 1 v 整流电压最小值为： ! ! 立銮塑叁堂堕：! 堂壁堡塞 笙：雯竺堕兰璺望堡生! ! ：! 盐 。：坐u ：1 9 8 矿 电源工作时，整流电路输出电压随负载的变化而在 u 。、和【，。之阳j 变化，设计时取： u d = 1 2 u = 1 2 2 2 0 = 2 6 4 v 。 整流二极管承受的最大反向电压为： 而：压2 2 0 = 3 1 l 矿 系统最大输出功率是1 0 0 w ，设效率为8 0 ，则整流电路 输出电流平均值为： ，。：! ! ! ：o 5 4 a 8 0 7 2 6 4 流过二极管的电流平均值是输出直流电流的一半，即： id d = i d = o 2 7 a 为选择二极管，需考虑发热问题，所以应按有效值相等的 原则来选择二极管的电流定额，但得到二极管的f 乜流波形需求 解超越方程组，推导繁琐，不易处理。此处选择2 a 5 0 0 v 的整 流桥。 设整流电路输出电压允许的峰峰值纹波电压c ，为2 0 v ， 滤波电容维持输出电压的时间f = 志= 5 脚5 ，则滤波电容 c ：生：1 3 5 p f ， u 取c = 1 5 0 ，额定电压取4 5 0 v 。 2 2b u c k 电路设计 北方交通人学硕十学俺论文 第章祭流与b u c ki h 路砹汁 本电源的输出功率是可调的，这通过调节逆变器输出电压 实现。逆变器的输出电压一般有三种调节方法，即调直流侧电 压，p w m ，以及移相调压。p w m 由于丌关频率太高，在这晕 不宜采用，移相调压适合全侨逆变电路，在这罩也不适合，所 以采用b u c k 变换电路来调节直流侧电压来调节逆变器输出 电压，从而调节其输出功率。 b u c k 的电路的主电路如图2 2 所示： 图2 - 2b u c k 变换电路 单片机根据上位机的命令给定图中b u c k 变换电路的输 出电压，在控制电路里通过一个p i 调节器控制b u c k 变换器， 使其输出电压跟随给定值。 2 2 1b u c k 主电路设计 1 主开关器件选择 功率m o s f e t 是一种单极型电压控制器件，所需的驱动 功率小，驱动电路简单，开关速度快，无二次击穿问题，安全 工作区宽，热稳定性好。 本系统中，b u c k 变换电路的频率较高，为2 0k h z ，输 出功率最大为1 0 0 w ，所以选用功率m o s f e t 做为主开关器件。 具体选择i r 公司的i r f p c 6 0 ，其电流电压等级是1 6 a 6 0 0 v ， 通态电阻为0 4 q 。续流二极管选用1 0 d f 6 ，其电压等级是 ：些立茎塑叁堂堡兰丝堡茎 笙! 垦鳖堕：! 旦旦! 坠竖壁! ! 堕 6 0 0 v ，平均f 向电流是1 a ，可承受3 5 a 的浪涌电流，最大恢 复时间是1 0 0n s 。 系统工作时，b u c k 的最大功率损耗为： 尸f 2 p o 。一盯+ 只。2 去u d 。l 。( 。+ t o 旷) f + 7 ：a x r “= 0 3 7 w 设m o s f e t 环境最高温度t 为6 0c 。，最高结温0 是8 0 c 。 则所需的散热器热阻r 。为： 。= 毕一吨，5 3 8 c ，所以只需很小的散热 器。 2 电感选择 b u c k 变换电路的占空比范围是0 3 - 0 8 ，输出电压范围是 7 9 17 6 v ，按8 0 的效率计算，则输出电流 k = 南= 斋一o ，m = 南= 斋= 0 1 4 a 设 电流纹波是3 0 ，周期r 2 面毒万3 5 0 芦，则滤波电感 三型2 ：! ! 二望2 1 ：! ! ! ! ：! ：! ! ! ! ! ：6 5 8 。，可选用 a 1 1 0 1 4 0 3 7 0 m h ，2 a 的电感。此时，a i 2 。，2 3 0 = 0 7 0 3 = 0 2 1 a 。 3 电容选择 图中的两个电容串联，电容的额定电压取2 0 0 v ，设输出 允许纹波电压a u ，= 5 0 m v ，则所需电容的 e s r _ 陟_ t _ 莎举忡 一、赢7 图4 - 8 死区设置电路 ：些塑奎望叁堂婴主兰堡鎏茎 笙婴兰垄壅堡堡鱼世塑生生堕垫些! ! i ! 堕 北方交通入学硕十学俺论文第四章逆变器控带岍u 路! j 冁动l b 路啦 4 2 3死区设置电路 为防止逆变桥上下两个管子直通，必须对控制信号设置死 区。在这里采用了延时电路7 4 l s 3 l 束实现。每一片7 4 l s 3 1 都有两组延时时问分别为6 i s 、4 5 4 8r l s 、2 3 3 2n s 的延时门。 这里用了两个6n s 和两个4 5 4 8l l s 的延时门串联，实现l0 2n s 左右的延时。 如图4 - 8 所示，来自图4 7 中的两个互补的信号，每一个 信号通过延时电路延时后，再与未延时的的信号求与，这样就 得到了有死区的控制信号。 4 2逆变器驱动电路 m o s f e t 是电压驱动型器件，所需的驱动功率比较小，但 随着开关频率的增加，所需的驱动功率也线性增加。在本电源 中，m o s f e t 的开关频率为5 0 0 七肌左右，虽然有一些集成驱 动电路的速度可以达到几百k h z ，但其输出功率达不到要求， 所以这里采用自行设计的驱动电路。它主要由光电耦合器 6 n 1 3 7 和六高压输出反相缓冲器7 4 l s 0 6 组成。 如图4 9 所示，6 n l3 7 由g a a s p 发光二极管和集成光 + v c c 图4 9 6 n 13 7 逻辑图 i i ：2 - z _ i 韭i ) 3t h e n m s g b o x ”通讯失败! ”，v b c r i t i c a l ，a p p t i t l e 器数计定 设 +m t = 呲詈 s ! ! 查奎望盔兰堡圭堂垡堡塞 箜查童占焦塑鏊堡堡立 e x l ts u b e n di f t 发送握手信号f e h r e d i mc c ( 0 ) 重新定义数组c c o ，长度为1 w i t hf r m m a i n m s c o m m l i f p o r t o p e n = f a l s et h e n p o r t o p e n = t r u e 打开通信端口 i n p u t l e n = 0 让串口接受所有的数据 c c ( 0 ) = & h f e 将收到的二进制数据用一个字符变量作中介 b b = c c o u t p u t = b b s t a r t t i m e = t i m e r d o 将起始信号f e h 写入缓冲区 计时器开始计时 d o e v e n t s i f i n b u f f e r c o u n t 0t h e n b b = i n p u t 获得中控站的响应信号 e x i t d o e n di f n o w t i m e = t i m e r s t a r t t i m e i fn o w t i m e = 0 5t h e ng o t os t a r t 如果没有收到功率单元回应，过5 0 0 m s 再试 l o o p e n dw i t h c c = b b i fc c ( o ) s t a r t r e s p o n s et h e ng o t os t a r t 若下位机的回应信号不等于s t a r t r e s p o n s e 即0 l h 则再试 5 8 i ! 查奎望查堂堡主堂垡堡塞 笙查童土堡垫墼生堡盐 t i m e s = 1 若握手成功就将计数器复位为1 t 握手成功后，继续发送数据字节 ，返回下位机的回应成功信号s u c c e s s r e s p o n s e 即0 2 h ， t 数据发送结束后，关闭通信端口 i fc c ( o ) = s u c c e s s r e s p o n s et h e n f r m m a i n m s c o m m l p o r t o p e n = f a l s e e l s e g o t os t a r tt 数据没有发送成功重新发送握手信号 e n di f 中控站呼叫主机时，m s c o m m l 工作于事件驱动方式，并 在m s c o m m l o n c o m m ( ) ；t 葬件中进行处理，其过程比较简单， 在此不再赘述。 二界面设计 图6 - l 功率设置窗体 功率设置窗体如图6 1 所示。功率设置要实现的功能为： 根据具体要求，分别对每个换能片设置1 0 0 w 以下的功率。对 北方交通大学硕士学位论文 第六章上位机软件设计 于以上功能的实现主要利用循环语句给各个功率单元赋值。 图5 - 2 发射方式设置窗体 图6 - 3 频率设置窗体 图6 2 、6 3 分别为信号类型和频率设置窗体。在确定控 件的c l i c k 事件过程中，调用p u b l i cs u bc o m m u n i c a t e ( ) ，即可 实现与中控站的通讯。 北方交通大学硕士学位论文 第七章实验结果 第七章实验结果 本章给出实验结果。 踅7 - l 、7 - 2 是经= l 霆频率合袋彝分频爱形琏魏擦麓售号。帮 ! ： h 1 、if ，：f hj ，1 ：l ：辛i i 。r ：- ! 一乇j _ 一 。血。i 。： ；。一，； 图7 - 15 5 0 k h z 控制信号 “：1；1 0 ： 莨0 。卜：1 j一：；尊 ；7 7 * j ! ： ：j l “m c i 、， 圈7 - 24 5 0 k h z 控制信号 图4 7 的输出。箕频率分别为4 5 0k - z 和5 5 0k - i z 。由照可见，象 统在两个极限频率都可正常工作。 图7 - 4 是经过死区设置蜃的控利僖号。两踌信号分别控制逆 6 i ! 塑窒望查兰堡主堂垡堡奎 笙主兰塞墅笙墨 变半桥的上下两个功率m o s f e ta 这里的频率为5 0 0 k h z 。 图7 - 3 逆变半桥的控制信号 。厂_ _ 弋j0 ”o ，p “ 。l 。j 目 ；： k “。 ! - 一：0 。i ：。： 图7 4 电源输出电压波形 图7 4 是逆变频率为5 0 0k h z 时系统的输出电压波形。 北方交通大学硕+ 学位论文 结论 结论 由前面的分析和实验结果可以看出，本电源达到了绪论中 所提的要求，即： 1采用了数字锁相环频率合成技术，实现了输出频率从 4 5 0k h z 到5 5 0k h z ，5 0h z 步进可调。 2采用了数字移相技术，实现了各路电源的0 - 3 6 0 度的 高精度移相。 3主电路采用b u c k 变换器调节输出电压，逆变电路采 用半桥逆变，控制策略采用二分法查找电压功率关 系，p i 调节器控制输出电压。各路电源输出功率 2 0 1 0 0 w 独立可调，而且压电换能器参数在一定的范 围内变化时，仍能保持输出功率跟随给定值。 4各路电源中的单片机和中控站、上位p c 机组成小型 集散控制系统，上位机软件界面友好，操作方便。 本文对超声电源进行了深入研究，取得了预期效果。但受 学识水平以及其他各方面因素的制约，有些方面还不够完善， 建议今后进一步研究、提高。 北方交通人学硕十学何论文 致谢 致谢 手捧论文，我感慨万千，回首近三年的研究生的生活，心 中对我的导师张晓冬教授充满了感激之情。张老师渊博的知 识、严谨的治学态度和认真的工作作风将使我受益终生。在此 对张老师致以深深的谢意和诚挚的祝福。 刘志刚老师提供了有关资料，为论文的顺利完成提供了很 多帮助，在此对刘老师表示感谢。 北京华虹一n e c 的工程师李秦硕士，威海的王松硕士为本 课题做了许多前期工作，对本文的完成具有不可磨灭的贡献。 科汇电气有限公司的工程师苗骞先生和微软亚洲技术中心的 工程师林建深先生给了我大量无私的帮助，在此谨对他们深表 谢意。此外，苏治国和黎莉同学在本文的撰写中也给予了很多 帮助，在此一并致谢。 最后，谨向我的家人表示感谢，本论文的完成和他们的关 心和鼓励是分不开的。 ! ! 立窒望盔堂堡主堂堡堡奎 茎量苎坚 张占松 出版社 蔡宣三 1 9 9 3 5 李爱文 2 0 0 0 9 蔡宣三 1 9 9 8 7 龚绍文 参考文献 开关电源的原理与设计 北京 电子工业 高频功率电子学北京科学出版社 张承慧现代逆变技术及应用 北京科学出版社 4 j h o l t a ，h i g hs p e e dd r i v es y s t e mw i t hu l t r a s o n i cm o s f e t i n v e r t e ra n ds i m p l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l i e e e ，v 0 1 i a 一2 3 n o 6 5 s t e n f a nv m o l l o w ， a n d r e wj f o r y t h ，a n a l y s i s ，d e s i g na n d r e s o n a n tc u r r e n t c o n t r o lf o ra1 m h z h i g h - p o w e r ，f a c t o r r e c t i f i e r i e e et r a n s a t i o n so ni n d u s t r i a l e l e c t r o n i c s ，v o l4 6 ，n o 3j u n e19 9 9 6 阎久春杨士勤等超声波塑料焊机功率自动调节电路的分 析哈尔滨工业大学学报 n o 21 9 9 7 7 王兆安黄俊电力电子技术北京机械工业出版社 2 0 0 0 8 h vf l o a