CN110354407A - 基于高频超声波的理疗驱动器系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高频超声波的理疗驱动器系统及其驱动方法，其包括主控芯片、信号发生电路、MOS管开关网络模块、LCC谐振网络模块和网络优化及其匹配电路。本发明通过调整LCC谐振网络的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间，使得驱动器与超声换能器的最佳匹配，有效提升能量转换效率，增大超声波振幅的输出，而且发热量小，有效地提高了驱动器的可靠性与稳定性，让驱动器能够安全、稳定的持续运行，具有更加精确的优化模型，参数设计相对简单，电压放大倍数进一步提高等优点，进而提升理疗效果，利于广泛推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及超声波电路驱动技术领域，特别涉及一种基于高频超声波的理疗驱动器系统。
背景技术
超声治疗是利用超声波作用于生物组织的效应改善人体组织的状况的技术。当超声波作用于人体时，会产生热效应、机械效应、空化效应、触变效应、弥散效应等生理作用，可用于心血管疾病、肢体运动障碍、软组织挫伤的辅助治疗。因此，基于超声辅助的治疗技术研究具有重要的研究意义。
当前超声理疗驱动器的研究包括：驱动架构、谐振网络、功率特性。谐振网络以其软开关、器件损耗低、功率密度高、负载能力强、电磁兼容性好等优点和滤波及电压放大的作用被用于改善换能器的工作特性。在谐振网络参数的设计方面，基于个人经验的方法费时费力，而启发式算法等现代优化算法已经得到应用。国外研究设计了一组流程去优化谐振网络的参数。首先确定输入电压和输出电压、输出电流，然后选择电路使用的器件，包括整流桥、MOS管、变压器、电容和电感，再使用以降低损耗为目标的优化算法，经进一步运算得到谐振电路参数，并进行谐波和损耗的计算。如果不满足设定的输出要求，则重新优化。然而，现有的优化方案需要构建复杂的损耗模型，权值选择有较大的任意性，不易获得最优的解决方案。
超声理疗驱动器是一个高频率高功率的系统，在设计过程中需要避免发热、波形畸变、转换效率低等现象，并且用作人体的理疗驱动器的安全性和可靠性非常重要。国内外在这方面已经做了较多工作，但仍然没有满足高可靠、高稳定的要求。对于谐振网络的参数匹配与优化，目前国内外大部分仍然采用经验式或手工调试方法，需要耗费大量的时间，且无法得到最优的匹配参数，现有超声理疗产品存在成本高、波形畸变、功率不可调等缺点。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，确保超声换能器工作在谐振频率区间的基于高频超声波的理疗驱动器系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种基于高频超声波的理疗驱动器系统，其包括主控芯片、信号发生电路、MOS管开关网络模块、LCC谐振网络模块和网络优化及其匹配电路，主控芯片根据预先设定的电路工作的实际频率启动信号发生电路，MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；LCC谐振网络模块根据驱动电压信号产生相应的用于驱动超声换能器的正弦波信号，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，并进行相应的网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。
作为本发明的一种改进，所述主控芯片为基于ARM Cortex-M3内核的芯片。
作为本发明的一种改进，所述芯片的型号为STM32F103VCT6。
作为本发明的一种改进，所述信号发生电路由DDS芯片AD9833和与非门74LS00构成，能够产生频率上限达12.5M且连续可调节的、互补的高精度方波信号。
作为本发明的一种改进，所述MOS管开关网络模块采取不对称半桥的形式，由MOS管驱动电路和NMOS半桥构成，输出单极性方波信号。
作为本发明的一种改进，所述LCC谐振网络模块具有断续电流模式和连续电流模式，将MOS管开关网络模块输出的方波信号转换为正弦波的交流电压用于驱动超声换能器。
作为本发明的一种改进，所述超声换能器的电学等效模型由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；若输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，则超声换能器振幅最大，电能利用率最高。
一种上述的基于高频超声波的理疗驱动器系统的驱动方法，其包括以下步骤：
(1)启动上位机软件，设置电路工作的实际频率，传输给主控芯片；
(2)主控芯片工作，启动信号发生电路，得到高频率的高精度方波信号；
(3)MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；
(4)LCC谐振网络模块接收驱动电压信号，产生正弦波信号用于超声换能器的驱动；
(5)超声换能器在工作时，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，通过网络优化及其匹配电路进行网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。
作为本发明的一种改进，所述步骤(5)包括以下步骤：超声换能器在工作的电学等效模型由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；若输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，则超声换能器振幅最大，电能利用率最高；通过调整LCC谐振网络模块的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间。
本发明的有益效果为：本发明通过调整LCC谐振网络的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间，使得驱动器与超声换能器的最佳匹配，有效提升能量转换效率，增大超声波振幅的输出，而且发热量小，有效地提高了驱动器的可靠性与稳定性，让驱动器能够安全、稳定的持续运行，具有更加精确的优化模型，参数设计相对简单，电压放大倍数进一步提高等优点，进而提升理疗效果，利于广泛推广使用。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的模块示意框图。
图2为本发明的电路模型示意图。
图3为超声换能器电学等效模型图。
图4为串联电感匹配后的超声换能器等效电路图。
图5为MOS管驱动信号，输出信号和LCC输出信号图。
图6为谐振频率下负载为3KΩ电阻的示意图。
图7为谐振频率下负载为20Ω电阻的示意图。
具体实施方式
参见图1至图7，本实施例提供的一种基于高频超声波的理疗驱动器系统，其包括主控芯片、信号发生电路、MOS管开关网络模块、LCC谐振网络模块和网络优化及其匹配电路，主控芯片根据预先设定的电路工作的实际频率启动信号发生电路，MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；LCC谐振网络模块根据驱动电压信号产生相应的用于驱动超声换能器的正弦波信号，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，并进行相应的网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。
所述主控芯片优选为基于ARM Cortex-M3内核的芯片。具有高性能、良好的实时性和低功耗、低电压操作的特点，易于开发。本实施例中，所述芯片的型号为STM32F103VCT6，该芯片工作频率为72MHz，拥有256KB的FLASH，8个16位定时器，80个通用I/O口，模数转换、数模转换、中断控制器等资源，满足要求。主控电路负责处理来自各个模块的信号，是整个驱动器的核心部分。
本实施例中，选用的主控芯片不便于产生精确的高频波形，所述信号发生电路由DDS芯片AD9833和与非门74LS00构成，频率寄存器为28位，时钟速率为16MHz时，可以实现0.06Hz的分辨率，能够产生频率上限达12.5M且连续可调节的、互补的高精度方波信号。
所述MOS管开关网络模块采取不对称半桥的形式，由MOS管驱动电路和NMOS半桥构成，作为电路的功率放大的部分，会将方波信号放大，输出单极性方波信号，用于驱动负载。
所述LCC谐振网络模块吸收了串联谐振网络和并联谐振网络的特点，具有负载适应性好、输出宽线性、器件损耗小、效率高、电压增益特性好的优点。不同的开关频率对流过串联电容和串联电感的谐振电流的波形会产生影响。LCC谐振网络有两种工作模式：断续电流模式和连续电流模式，这两种模式的区别取决于开关频率fs与谐振频率fr的关系。开关电路采取不对称半桥的形式，输出为单极性方波。使用LCC谐振网络实现滤波和放大电压的功能。LCC谐振网络输出高频高压正弦波，驱动匹配后的超声换能器工作。LCC谐振网络模块能够把MOS管开关网络模块输出的方波信号转换为正弦波的交流电压用于驱动超声换能器。
所述超声换能器的电学等效模型(Butterworth-van Dyke模型)由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；如果输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，即驱动器的输出频率与换能器的谐振频率相等时，则换能器振幅最大，电能利用率最高。通过调整LCC谐振网络的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间。
一种上述的基于高频超声波的理疗驱动器系统的驱动方法，其包括以下步骤：
(1)启动上位机软件，设置电路工作的实际频率，传输给主控芯片；
(2)主控芯片工作，启动信号发生电路，得到高频率的高精度方波信号；
(3)MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；
(4)LCC谐振网络模块接收驱动电压信号，产生正弦波信号用于超声换能器的驱动；
(5)超声换能器在工作时，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，通过网络优化及其匹配电路进行网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。具体的，所述步骤(5)包括以下步骤：超声换能器在工作的电学等效模型由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；若输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，则超声换能器振幅最大，电能利用率最高；通过调整LCC谐振网络模块的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间。
本发明通过调整LCC谐振网络的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间，使得驱动器与超声换能器的最佳匹配，有效提升能量转换效率，增大超声波振幅的输出，而且发热量小，有效地提高了驱动器的可靠性与稳定性。通过示波器采集了信号发生电路、LCC谐振网络模块以及LCC谐振网络模块等各节点的电压波形，经实验测试，本发明基于高频超声波的理疗驱动器系统能够安全、稳定的持续运行，具有更加精确的优化模型，参数设计相对简单，电压放大倍数进一步提高等优点，能有效提升理疗效果。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构的系统，均在本发明保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，其包括主控芯片、信号发生电路、MOS管开关网络模块、LCC谐振网络模块和网络优化及其匹配电路，主控芯片根据预先设定的电路工作的实际频率启动信号发生电路，MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；LCC谐振网络模块根据驱动电压信号产生相应的用于驱动超声换能器的正弦波信号，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，并进行相应的网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。
2.根据权利要求1所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述主控芯片为基于ARM Cortex-M3内核的芯片。
3.根据权利要求2所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述芯片的型号为STM32F103VCT6。
4.根据权利要求1所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述信号发生电路由DDS芯片AD9833和与非门74LS00构成，能够产生频率上限达12.5M且连续可调节的、互补的高精度方波信号。
5.根据权利要求1所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述MOS管开关网络模块采取不对称半桥的形式，由MOS管驱动电路和NMOS半桥构成，输出单极性方波信号。
6.根据权利要求1所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述LCC谐振网络模块具有断续电流模式和连续电流模式，将MOS管开关网络模块输出的方波信号转换为正弦波的交流电压用于驱动超声换能器。
7.根据权利要求1所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统，其特征在于，所述超声换能器的电学等效模型由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；若输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，则超声换能器振幅最大，电能利用率最高。
8.一种权利要求1-7中之一所述的基于高频超声波的理疗驱动器系统的驱动方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)启动上位机软件，设置电路工作的实际频率，传输给主控芯片；
(2)主控芯片工作，启动信号发生电路，得到高频率的高精度方波信号；
(3)MOS管开关网络模块将信号发生电路产生的高精度方波信号进行放大并输出，形成驱动负载的驱动电压信号；
(4)LCC谐振网络模块接收驱动电压信号，产生正弦波信号用于超声换能器的驱动；
(5)超声换能器在工作时，网络优化及其匹配电路监测超声换能器工作时的谐振频率，通过网络优化及其匹配电路进行网络匹配和优化，得到最优参数，使得超声换能器工作在谐振频率之间。
9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：超声换能器在工作的电学等效模型由两部分组成，一部分是静态电容C0组成的静态支路，另一部分是由动态电阻R1、动态电容C1、动态电感L1组成的动态支路，代表压电效应产生的辐射阻抗转化出的电阻、电容与电感；若输入的电压信号能使得动态支路发生串联谐振，则超声换能器振幅最大，电能利用率最高；通过调整LCC谐振网络模块的参数，使其与对应的超声换能器负载的参数相匹配，使整个系统的输出达到最优，确保超声换能器工作在谐振频率区间。
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