低功率電脈沖發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

賀笑　蔣偉　王千龍　王潔云　孫林峰　潘思思　黃志強(qiáng)

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種低功率電脈沖發(fā)生裝置，包括上位機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變電路和信號(hào)采集調(diào)理電路。其中，上位機(jī)將控制參考值通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)輸送給數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)閉環(huán)控制分別生成對(duì)應(yīng)于偏置電壓和交流峰值電壓的調(diào)制量，并通過(guò)不對(duì)稱(chēng)移相脈沖調(diào)制算法生成4路PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)全橋變換器，全橋變換器的輸出信號(hào)經(jīng)LC濾波得到一路幅值可調(diào)、直流偏置可調(diào)的輸出電壓。本裝置的設(shè)計(jì)可應(yīng)用于生物電子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：低功率;電脈沖;不對(duì)稱(chēng)移相脈沖;LC濾波;PWM;信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

在現(xiàn)有技術(shù)中，電脈沖發(fā)生裝置被應(yīng)用于軍事、航空和醫(yī)療等領(lǐng)域，但在生物電子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。一般情況下，利用處理器產(chǎn)生的周期性PWM信號(hào)生成電路復(fù)雜，信號(hào)幅值和偏置調(diào)節(jié)不靈活、波形穩(wěn)定性不佳。

參考文獻(xiàn)[1]中Petrofsky設(shè)計(jì)了一種基于微處理器控制產(chǎn)生電流脈沖，輸出兩相恒流或恒壓脈沖的系統(tǒng)，但存在恒壓、恒流輸出不科學(xué)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[2]中Pilla利用電磁輻射原理設(shè)計(jì)了一種輸出射頻脈沖，提供頻率為1～100 MHz的斷續(xù)波，但參數(shù)不合理。

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出解決方案：利用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行閉環(huán)控制和適當(dāng)?shù)腜WM信號(hào)調(diào)制，使得脈沖信號(hào)幅值可調(diào)，直流偏置可調(diào)。因此可提供一種可產(chǎn)生一路幅值可調(diào)，直流偏置可調(diào)的低功率電脈沖發(fā)生裝置，該裝置可以很好地解決上述問(wèn)題。同時(shí)，該裝置具有成本低、操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1 低功率電脈沖發(fā)生裝置總體設(shè)計(jì)方案

本文采取的總設(shè)計(jì)方案：提供一種低功率電脈沖發(fā)生裝置，該脈沖發(fā)生裝置包括上位機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變電路和信號(hào)采集調(diào)理電路。上位機(jī)經(jīng)由數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路連接全橋逆變電路，全橋逆變電路通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路連接數(shù)字信號(hào)處理器，全橋逆變電路、信號(hào)采集調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路形成閉環(huán)控制。文中設(shè)計(jì)的低功率電脈沖發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上位機(jī)將偏置電壓和最大電壓值輸入數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字信號(hào)處理器如dsPIC系列單片機(jī)控制輸出的脈沖寬度調(diào)制（PWM）;驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)IGBT;全橋逆變電路如直流電經(jīng)電壓型單相全橋逆變電路和LC濾波電路產(chǎn)生交流電;信號(hào)調(diào)理電路將采樣的交流電壓調(diào)理后輸出至數(shù)字信號(hào)處理器。

上位機(jī)將控制參考值通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)輸送給數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)閉環(huán)控制分別生成對(duì)應(yīng)于偏置電壓和交流峰峰值電壓的調(diào)制量，并通過(guò)不對(duì)稱(chēng)移相脈沖調(diào)制算法生成4路PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)全橋變換器，全橋變換器的輸出信號(hào)經(jīng)LC濾波得到一路幅值可調(diào)、直流偏置可調(diào)的輸出電壓。

2 低功率電脈沖發(fā)生裝置建模、控制

該發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)電路采用MIC4605驅(qū)動(dòng)芯片，輸入信號(hào)為兩對(duì)PWMIL，PWMIH和PWM2L，PWM2H信號(hào)，由本地?cái)?shù)字信號(hào)處理器經(jīng)計(jì)算產(chǎn)生，接入兩塊MIC4605驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)橋臂。全橋逆變電路如圖2所示。利用開(kāi)關(guān)電路的通、斷控制，將直流電變?yōu)榻涣麟姡褐绷麟娫唇又灵_(kāi)關(guān)電路的輸入端，開(kāi)關(guān)電路的輸出端電壓經(jīng)LC濾波后輸出交-直流混合疊加的電壓波形。

數(shù)字信號(hào)處理器輸出電壓控制框圖如圖3所示。輸出電壓控制和不對(duì)稱(chēng)移相脈沖調(diào)制算法采用輸出電壓閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改變相控整流的起始相位角φ與S1的脈沖寬度D，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)移相脈沖調(diào)制;在數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行上位機(jī)的控制信號(hào)與信號(hào)調(diào)理電路的電壓采樣信號(hào)的正反饋調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電壓控制。

數(shù)字信號(hào)處理器的PWM調(diào)制和控制算法生成的4路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)Sl，S2，S3，S4，其中，Sl（S4）與S2（S3）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，Sl，S4和S2，S3周期性的改變通、斷狀態(tài)，周期為T(mén)，Sl無(wú)起始相位角脈沖寬度為D，且0≤D≤1;S4有起始相位角φ，脈沖寬度為T(mén)/2，且。

當(dāng)移相角φ一定，占空比D變化時(shí)，輸出的交流電壓峰峰值不變;當(dāng)脈寬D不變時(shí)，移相角φ對(duì)電脈沖的峰值有明顯影響。由此可知，改變PWM起始相位角φ和改變PWM整流的脈寬D，很容易實(shí)現(xiàn)輸出交流電壓的峰值和偏置量的獨(dú)立控制。PWM整流脈寬D的范圍為0≤D≤0.5，若要產(chǎn)生交流電，移相角φ的范圍不再是0≤φ/（2π）≤1/2，而是隨著移相角φ的增大呈線(xiàn)性遞增變化;PWM整流脈寬在D≥1/2的范圍內(nèi)時(shí)，移相角φ不受PWM整流脈寬D的影響。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

低功率電脈沖發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)硬件電路平臺(tái)由主電路、副主電路、驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變電路、保護(hù)模塊、信號(hào)采集電路、繼電器等組成。平臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)如圖4所示。

系統(tǒng)的輸入采用直流電源17 V（變壓器采用EI型號(hào)220 V-17 V，20 VA，50 Hz）作為系統(tǒng)的輸入電源。實(shí)驗(yàn)輸出的波形如圖5所示。

圖6中的PWM調(diào)制算法可用圖7所示的波形解釋?zhuān)呵闆r1所述為D<φ/2π的情況下輸出電壓均為負(fù)值或無(wú)輸出，不能滿(mǎn)足要求;情況2所述為φ/2πφ/2π+1/2情況下輸出交流電，且輸出電壓的正脈寬很大。結(jié)合情況2和情況3，只要脈沖寬度D與起始相位角φ滿(mǎn)足D>φ/2π，就能滿(mǎn)足要求輸出交直流混合的電壓波形。

圖6、圖8所示為脈沖寬度D與起始相位角φ的關(guān)系。圖6所示，當(dāng)移相角不變時(shí)，脈寬D對(duì)電脈沖的影響幾乎不變;圖8所示，當(dāng)脈寬D不變時(shí)，移相角φ對(duì)電脈沖有影響。由此可見(jiàn)，改變S4的相位角φ和Sl的脈沖脈寬D可以實(shí)現(xiàn)輸出幅值可調(diào)節(jié)，直流偏置正負(fù)賦值可調(diào)的輸出電壓。圖8中一族曲線(xiàn)的拐點(diǎn)確定了在不同Sl占空比D的情況下，有效S4移相角φ的移相范圍，即最大值為每條曲線(xiàn)的拐點(diǎn)。

本文基于dsPIC系列單片機(jī)提出了一款實(shí)用性強(qiáng)、易操作的低功率電脈沖發(fā)生裝置。本設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器調(diào)節(jié)脈沖寬度、脈沖移相角，使得脈沖信號(hào)的偏置、幅值產(chǎn)生變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的低功率電脈沖發(fā)生裝置是以單片機(jī)芯片為核心的模塊，多層次、多方位將嵌入式、電子電路和現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)相融合。實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用性、高效性、針對(duì)性的醫(yī)療設(shè)備，為現(xiàn)代醫(yī)療自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文提出的輸出低功率電脈沖的理念，不僅可以為低功率治療儀的發(fā)展提供重要參考，更為電刺激醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展和進(jìn)步提供了寶貴的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)。

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