CN106178265A - 一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法属于生物磁疗领域，涉及一种方法，涉及一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，应用于人体磁疗领域。该方法通过调制度M和调制比N实现对正弦交变磁场磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机利用调制度M和调制比N两个参数生成相应的SPWM，通过逆变电桥产生等效于正弦电压的交变电压，该电压施加到线圈从而产生正弦交变磁场。霍尔传感器将采集到的线圈电流信号传递给单片机，比较理论电流值和实际采集到的电流值，利用改进的PID算法，对亥姆霍兹线圈的电流实现更有效地闭环控制。该方法提高了控制精度并且能消除静态误差、改善系统启动时造成的积分超调现象。

Description

一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法

技术领域

本发明属于生物磁疗领域，涉及一种方法，尤其涉及一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，应用于人体磁疗领域。

背景技术

尽管至今没有完善的理论可以解释磁场和生物的作用关系，但是大量的实践和实验证明，磁场治疗是一种非常重要的治疗手段。相关研究表明，磁场具有促进骨细胞再生的功能。磁刺激可以影响成骨细胞和破骨细胞的相关生理活动，从而对保持骨重建的平衡具有作用。因此，磁场治疗可以用于治疗骨质疏松。有研究表明特定强度的磁场可以提高红细胞的变形能力并降低其聚焦性，从而降低血液粘度并促进血管扩张，结果就是血流速度加快，人体微循环得到很大程度的改善。因此磁场治疗有助于人体微循环。磁场疗法除了可以治疗骨质疏松症和改善人体微循环以外，还可以有效的治疗冠心病和心率失常；特定频率和特定强度的磁场可以抑制肿瘤细胞的生长甚至促使其死亡；可以缓解脑生理性疲劳同时提高记忆力；磁场可以对松果体形成刺激，促使其分泌褪黑激素的分泌进而改善睡眠。因此，研究交变磁场治疗仪实现频率和磁感应强度都可以宽范围可调，对于探究电磁场和人体的作用关系具有重大的意义，并可以对医学及生物学的相关探究提供硬件设备上的支持。设计出性能优异的磁场治疗仪，对于研究各种频率,尤其是工频的电磁场辐射对人体的影响、骨质疏松的无痛治疗、人体微循环的改善及相关理论研究、中医人体经络的探究和生物磁的本质研究具有重大的推动作用。目前，国内的磁疗仪有：天津希统电子设备有限公司生产的XT-2000B型骨质疏松治疗仪，磁感应强度1-20mT内四挡可调，输出交变磁场频率1-100Hz内八档可调，可用于改善骨质疏松症状并提高骨密度。该治疗仪的不足在于输出的磁感应强度有效值较小，交变磁场输出频率固定；北京君乐宝医疗设备有限公司生产的JMC-SD脉冲磁治疗仪，于2008年5月研制成功，输出磁感应强度峰值最大可达300mT，分为高、中、低3档分别为H：0.3T、M：0.25T、L：0.2T，两个固定输出脉冲频率分别为40次/分钟、60次/分钟，可用于促进人体微循环、改善骨代谢和消炎止痛，该磁场治疗仪的不足在于人机交互界面落后，输出频率固定，不可无级调频。

发明内容

本发明主要解决的问题是克服交变磁场治疗仪输出频率和磁感应强度不能实现无级可调的缺点，发明一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，通过设定交变磁场治疗仪的磁感应强度和磁场频率，计算得到调制度和调制比，然后输出正弦脉宽调制，简称SPWM，SPWM通过控制逆变电路产生交变电压，该电压施加到亥姆霍兹线圈产生具有一定磁感应强度的交变磁场，通过改变SPWM可以改变交变磁场的磁感应强度，进而实现了交变磁场频率和磁感应强度在一定范围内的无级调节，利用改进的PID实现线圈电流闭环控制，该方法提高了控制精度并且能消除静态误差、改善系统启动时造成的积分超调现象。

本发明采用的技术方案是一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，该方法通过调制度M和调制比N实现对正弦交变磁场磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机利用调制度M和调制比N两个参数生成相应的SPWM，通过逆变电桥产生等效于正弦电压的交变电压，该电压施加到线圈从而产生正弦交变磁场，霍尔传感器将采集到的线圈电流信号传递给单片机，比较理论电流值和实际采集到的电流值，利用改进的PID算法，对亥姆霍兹线圈的电流实现更有效地闭环控制；方法的具体步骤如下：

步骤1组装磁疗仪系统

将隔离电源模块与控制模块连接起来，隔离电源模块分别与逆变模块、磁疗环模块和温振热磁振子模块连接起来，控制模块通过驱动电路控制温振热磁振子模块，温振热磁振子模块将电流、电压数值反馈给控制模块；控制模块通过电机电路控制磁疗仪模块，并接受磁疗仪模块的位置反馈信号；控制模块通过加绒回路控制温振热磁振子模块，并接受温振热磁振子模块的温度反馈信号，上述模块和电路组成磁疗仪系统；

步骤2设定磁场的磁感应强度和频率，计算调制度M和调制比N

利用控制电路产生的正弦脉宽调制SPWM实现对正弦交变磁场的频率和强度的无级调节，正弦脉宽调制SPWM的确定需要两个基本参数设定：调制度M和调制比N；通过控制调制度M的大小改变正弦波幅值的大小，即实现对磁感应强度的控制，调制度M定义为调制波正弦波的幅值U_s和载波三角波的幅值U_t之比，

$M=\frac{U_s}{U_t}---\left(1\right)$

当载波频率一定时通过控制调制比N的大小改变正弦波频率的大小，即实现对磁场频率的控制，调制比N定义为载波三角波的频率f_t和调制波正弦波的频率f_s之比，

$N=\frac{f_t}{f_s}---\left(2\right)$

线圈磁感应强度B计算公式：

$B=0.716K_c\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{R}---\left(3\right)$

其中，K_c为亥姆霍兹线圈磁感应强度的修正系数，I为理论电流，R为线圈电阻，μ₀为真空磁导率，由设定的磁感应强度B可以得到理论电流：

$I=\frac{BR}{0.716{\mathrm{\μ}}_0{K}_c}---\left(4\right)$

线圈回路阻抗Z为：

$Z=\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(5\right)$

R为线圈电阻，L为线圈回路的电感,C为线圈回路的电容，ω＝2πf_s，f_s为磁场频率；

线圈两端电压为：

$U=I\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(6\right)$

设经过整流后的逆变电压为U_r，根据公式(1)调制度M，

$M=\frac{U}{U_r}---\left(7\right)$

由公式(2)和(7)确定的调制比和调制度经理论计算就能得到相应的正弦脉宽调制方波SPWM；

步骤3SPWM采样计算

利用单片机将正弦波离散化为一系列的等效方波时，需要用高频的三角波对正弦波采样，等效面积法为，将正弦波平均分成N等份，每一等份的曲线梯形面积用方波脉冲的面积等效，并且方波脉冲的中心和每一曲线梯形的中心对齐；

步骤4定时AD采集线圈电流

单片机通过电流传感器每隔一段时间对线圈中电流进行采样，采样频率为200Hz,并且比较实际采集到的电流和步骤2中计算得到的理论电流值，如果相等则结束，如果不等则进行步骤5；

步骤5闭环改进的PID算法

设定实际电流和理论电流的允许误差区间[A,B]，如果电流误差小于最小允许值A，则进行正常的PID计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+K_i{T}_{s}i\left(k\right)+\\ \frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(8\right)$

式中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，i(k)为第k个采样时刻得到的电流值，Δi(k)为电流变化量；如果电流误差大于最大允许值B，则进行PD计算：

$\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]---\left(9\right)$

如果电流误差在误差允许区间之间，进行弱积分PID计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{B-\left|i\left(k\right)\right|}{B-A}{K}_i{T}_{s}i\left(k\right)\\ +\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(10\right)$

利用改进的PID算法能够更好地改善系统启动时造成的积分超调现象；实际采样电流加上改进PID计算后的电流变化量，返回到步骤2的公式(6)、(7)中，得到调制度M，进行下一轮的SPWM采样计算。

本发明的有益效果是该方法通过调制度M和调制比N实现对磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机生成对应的SPWM通过逆变电桥生成等效于正弦电压的交变电压，从而实现了对磁感应强度和磁感应频率在一定范围内的连续控制。调频方法安全可靠，符合国家相关医疗产品电磁兼容和电气安全等要求；采用的控制系统具有良好的可扩展性和可维护性，方便以后设计升级以及非设计人员进行故障定位。

附图说明

图1为采用SPWM实现磁场治疗仪磁感应强度无级调节算法框图。

图2为磁疗仪系统总体结构图。

图3为磁疗仪实现磁感应强度无级调节的硬件结构图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细阐述本发明的具体实施方式。

附图1为采用SPWM实现磁感应强度无级调节的算法框图。

附图2为磁疗仪系统总体结构图。磁疗仪的系统总体结构组成：分为五个部分，分别为控制系统、逆变系统、治疗环系统、隔离电源系统、温振热磁振子系统。隔离电源系统：在控制系统中，为了减小各电路模块之间的干扰以及控制系统电路的安全，采用四部分相互隔离的地，分别是主控电路、温度传感器电路、逆变器驱动电路和继电器驱动电路。控制系统：控制系统是实现无级调节磁感应强度和频率的核心，它通过对霍尔电压反馈、霍尔电流反馈、温度传感器DS18B20温度反馈和对射式超声波位置反馈数据进行处理和分析，分别来调节磁感应强度及频率输出、温振热磁振子输出和治疗位置；通过串口屏来进行友好的人机交互，将上述反馈信息及时的呈现在控制人员面前并快速的相应控制人员的相关操作。逆变系统：通过交-直-交的波形逆变，控制系统可以通过使用单片机定时器来实现准确的频率控制，通过霍尔电流反馈来实现准确的磁感应强度控制。治疗环系统：治疗环系统产生符合系统要求的频率和磁感应强度的磁场，并通过对射式超声波准确定位人体治疗位置。温振热磁振子系统：独立于磁疗环系统，为被治疗者提供集磁场、震动和温度于一体的保健作用。

图3为磁疗仪实现磁感应强度无级调节的硬件结构图，硬件系统根据强电和弱电分成电力系统和电子系统。电子系统包括：中央处理器电路，中央处理器电路主要由单片机的最小系统电路加上一些方便测试的指示元件，比如LED灯和蜂鸣器等；H桥逆变电路驱动电路，输出SPWM控制H桥逆变电路，驱动MOSFET使其能够可靠快速地开关；触控式串口屏电路，触控式串口屏主要是为了进行人机交互，将使用者需要的信息及时地显示在屏幕上。电力系统包括：整流电路，将电网220V交流电压转变为389V的直流电压输出；H桥逆变电路，将389V直流侧电压逆变成任意频率的正弦波和方波。内部包含MOSFET吸收电路和输出滤波电路，吸收电路防止MOSFET突然关断时两端负载电感产生的高压将其损坏，滤波电路将SPWM产生的高频方波逆变出需要的低频正弦波；霍尔传感器电路，将采集到的电压、电流信号反馈到控制器，使逆变器输出成为闭环输出；

SPWM运算和AD采样对单片机运行速度和RAM大小要求较高，所以单片机选择STM32F407，最高主频为168MHZ，内部RAM192K，176引脚并且还包含数字信号处理库。

串口屏幕选择广州大彩的7寸串口屏，640个字节的指令缓冲区域，1Gbit的图片存储空间，通讯波特率范围1200bps-1Mbps，利用VisualTFT可以方便的进行液晶屏幕界面开发。跟单片机的接口为PC9/BUSY，PA10/USART1RX，PA9/USART1TX。

H桥逆变电路的驱动电路使用IR2110芯片。自举电容选用寄生电感很小的钽电容，电容大小为0.22μF。驱动电路跟单片机的接口为PA8/SPWM1，PB13/SPWM2。H桥逆变电路采用MOSFET搭建而成耐压值>600V，允许电流>20A。

AC逆变电源采用PFC功率因数校正模块提供389V的逆变电压，输入220V交流输出389V直流。硬件需要的12V和5V电压由明玮科技生产的医用电源MPS-30-12和MPS-30-5提供。5V电源通过隔离电源模块给各器件供电。主控回路有5V，3.3V，±15V三种电压要求，通过金升阳科技有限公司生产的隔离电源模块A0515S-2WR2将5V转换成±15V给模拟电路中的运放和霍尔传感器供电，通过开关电源芯片AMS1117-3.3将5V转换成3.3V给单片机供电。5V电源给串口屏供电。IR2100逆变电桥驱动电路的驱动电压为15V，由MSB0515D-3W的隔离电源模块从主控回路的5V电源转换过来。

霍尔传感器采用CSM005A霍尔电流传感器和VSM025A霍尔电压传感器，采用±15V供电。AD采样采用AD7606芯片，8个采样通道，16位采样精度，采样频率可达200KHZ，采样电压范围可设置为±5V或±10V。

通过串口屏输入磁感应强度和磁感应频率，由公式(4)得到理论电流I，由公式(2)(6)可以确定调制度M和调制比N，单片机采用等效面积法进行SPWM采样计算后产生SPWM表，由高级定时器TIM1输出互补的两路SPWM—SPWM1、SPWM2，控制逆变电桥驱动电路。AD采集霍尔传感器的电流强度，并将数据传给单片机。比较理论计算得到的电流和采集到的实际电流强度，执行改进的PID控制，并得到新的调制度M，再次执行SPWM采样计算，得到新的SPWM表，再次输出PID计算后的SPWM，从而实现了对磁感应强度的闭环控制。

单片机将AD采集到的数字信号转换成对应的模拟量数值，发送给串口屏，串口屏将线圈的磁感应强度可视化显示出来。

该磁疗仪产生的交变磁感应强度有效值0-3mT连续可调，磁感应强度值误差控制在±5％以内；正弦交变磁场频率5-200Hz连续可调，输出频率误差精度控制在±1％以内；

该方法通过调制度M和调制比N实现对磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机生成对应的SPWM通过逆变电桥生成等效于正弦电压的交变电压，从而实现了对磁感应强度和磁感应频率在一定范围内的连续控制。利用改进的PID算法，可以实现对亥姆霍兹线圈交变磁场电流更有效地闭环控制，提高了控制精度并且能消除静态误差、改善系统启动时造成的积分超调现象。

Claims (1)

1.一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，其特征在于：该方法通过调制度M和调制比N实现对正弦交变磁场磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机利用调制度M和调制比N两个参数生成相应的SPWM，通过逆变电桥产生等效于正弦电压的交变电压，该电压施加到线圈从而产生正弦交变磁场，霍尔传感器将采集到的线圈电流信号传递给单片机，比较理论电流值和实际采集到的电流值，利用改进的PID算法，对亥姆霍兹线圈的电流实现更有效地闭环控制；方法的具体步骤如下：

步骤1组装磁疗仪系统

将隔离电源模块与控制模块连接起来，隔离电源模块分别与逆变模块、磁疗环模块和温振热磁振子模块连接起来，控制模块通过驱动电路控制温振热磁振子模块，温振热磁振子模块将电流、电压数值反馈给控制模块；控制模块通过电机电路控制磁疗仪模块，并接受磁疗仪模块的位置反馈信号；控制模块通过加绒电路控制温振热磁振子模块，并接受温振热磁振子模块的温度反馈信号，上述模块和电路组成磁疗仪系统；

步骤2设定磁场的磁感应强度和频率，计算调制度M和调制比N

利用控制电路产生的正弦脉宽调制SPWM实现对正弦交变磁场的频率和强度的无级调节，正弦脉宽调制SPWM的确定需要两个基本参数设定：调制度M和调制比N；通过控制调制度M的大小改变正弦波幅值的大小，即实现对磁感应强度的控制，调制度M定义为调制波正弦波的幅值U_s和载波三角波的幅值U_t之比，

$M=\frac{U_s}{U_t}---\left(1\right)$

当载波频率一定时通过控制调制比N的大小改变正弦波频率的大小，即实现对磁场频率的控制，调制比N定义为载波三角波的频率f_t和调制波正弦波的频率f_s之比，

$N=\frac{f_t}{f_s}---\left(2\right)$

线圈磁感应强度B计算公式：

$B=0.716K_c\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{R}---\left(3\right)$

其中，K_c为亥姆霍兹线圈磁感应强度的修正系数，I为理论电流，R为线圈电阻，μ₀为真空磁导率，由设定的磁感应强度B可以得到理论电流：

$I=\frac{BR}{0.716{\mathrm{\μ}}_0{K}_c}---\left(4\right)$

线圈回路阻抗Z为：

$Z=\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(5\right)$

R为线圈电阻，L为线圈回路的电感,C为线圈回路的电容，ω＝2πf_s，f_s为磁场频率；

线圈两端电压为：

$U=I\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(6\right)$

设经过整流后的逆变电压为U_r，根据公式(1)调制度M，

$M=\frac{U}{U_r}---\left(7\right)$

由公式(2)和(7)确定的调制比和调制度经理论计算就能得到相应的正弦脉宽调制方波SPWM；

步骤3SPWM采样计算

利用单片机将正弦波离散化为一系列的等效方波时，需要用高频的三角波对正弦波采样，等效面积法为，将正弦波平均分成N等份，每一等份的曲线梯形面积用方波脉冲的面积等效，并且方波脉冲的中心和每一曲线梯形的中心对齐；

步骤4定时AD采集线圈电流

单片机通过电流传感器每隔一段时间对线圈中电流进行采样，采样频率为200Hz,并且比较实际采集到的电流和步骤2中计算得到的理论电流值，如果相等则结束，如果不等则进行步骤5；

步骤5闭环改进的PID算法

设定实际电流和理论电流的允许误差区间[A,B]，如果电流误差小于最小允许值A，则进行正常的PID计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+K_i{T}_{s}i\left(k\right)+\\ \frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(8\right)$

式中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，i(k)为第k个采样时刻得到的电流值，Δi(k)为电流变化量；如果电流误差大于最大允许值B，则进行PD计算：

$\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]---\left(9\right)$

如果电流误差在误差允许区间之间，进行弱积分PID计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{B-\left|i\left(k\right)\right|}{B-A}{K}_i{T}_{s}i\left(k\right)\\ +\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(10\right)$

利用改进的PID算法能够更好地改善系统启动时造成的积分超调现象；

实际采样电流加上改进PID计算后的电流变化量，返回到步骤2的公式(6)、(7)中，得到调制度M，进行下一轮的SPWM采样计算。