一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法技术

本发明专利技术公开了一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，首先通过提供两个不同的输出电压频率得到系统的谐振频率，再利用变步长跟踪方式，对其进行修正，以实现快速准确地跟踪系统谐振频率的变化。与现有技术相比，具有算法简单、跟踪速度快、精度高、适用范围广等优点，能很好的满足超声手术刀系统的需求，很适合用于跟踪超声波发生器的频率。跟踪超声波发生器的频率。跟踪超声波发生器的频率。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法


[0001]本专利技术涉及一种谐振频率的跟踪方法，尤其涉及一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法。

技术介绍

[0002]超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等诸多医学领域。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。
[0003]超声手术刀系统主要由超声波发生器和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括三个部分：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。在工作过程中，由于受超声换能器发热及负载不断变化等因素的影响，使得超声振动系统的谐振频率发生漂移。频率漂移会给超声手术刀系统带来诸多不利影响，如换能器效率降低、电源功率因数大幅下降等，当频率漂移过于严重而又未及时得到修正时甚至会损坏换能器或致使换能器停振。频率跟踪就是利用反馈技术，自动调节超声波电源的开关频率，使其跟随超声振动系统的谐振频率变化以保证振动系统的正常工作。因此频率自动跟踪是保证功率超声系统正常工作的关键，具有重要的意义。
[0004]常用的频率跟踪方法包括最大电流搜索谐振频率方法、锁相环频率跟踪方法、匹配电感调节法。最大电流搜索谐振频率的方法是通过记录一定频率变化范围内输出电流最大值时的频率点，来确定换能器的谐振频率，因此，需要电源记录整个频率变化范围内输出电流值并进行比较才能得出结果，其缺点是采样周期长，且控制精度较低。锁相环频率跟踪方法是输出交变电压频率变化的同时，通过采样输出电压、电流的超前、滞后关系，来决定输出电压交变频率增大或减小；通过采样输出电压、电流的相位差大小来决定输出电压交变频率变化的快慢，在频率搜索过程中也需要花费大量的计算周期寻找换能器的谐振频率，且跟踪带宽有限，导致电源可靠性不高。通过匹配电感调节输出电压、电流同相位的方法，其缺点是电感的投切方式是有级投切，其控制精度要受最小投切电感的影响，可能导致输出电压、电流不能严格同相位，影响换能器负载的谐振特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决现有技术中存在的不足，提供一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，将谐振频率自动识别与变步长频率修正相结合，具有算法简单、跟踪速度快、精度高、适用范围广等特点，克服了上述工艺的缺点。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，包括谐振频率识别和修正两个阶段；所述谐振频率识别的过程为：首先给超声系统提供两个不同的输出电压频率，分
别为f1和f2，计算出超声系统的电感L和电容C；然后通过采集频率f1和f2分别对应的锁相电路异或门输出脉冲的占空比D1和D2，获得输出电压、电流的相位差θ1和θ2；最后计算出超声系统的谐振频率f
s
；所述谐振频率修正的过程为：首先超声系统以计算所得的谐振频率f
s
输出交变电压；然后控制系统由反馈电路得到输出电压、电流相位差θ，其大小与异或门输出脉冲的占空比D有关；最后将θ与相位差阈值φ进行比较，若θ＞φ，且当θ＜0或θ＞0时，分别按照f
s
+或
‑
step1修正谐振频率，若θ＜φ，且当θ＜0或θ＞0时，分别按照f
s
+或
‑
step2修正谐振频率，以实现快速准确跟踪超声系统谐振频率的变化。
[0007]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述超声系统的电感L和电容C的计算公式为：式中，R为超声系统负载的电阻，w1和w2为角频率，w1=2πf1，w2=2πf2。
[0008]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述异或门为XOR触发器。
[0009]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述输出电压、电流的相位差θ1和θ2的计算公式为：。
[0010]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述超声系统的谐振频率f
s
的计算公式为：。
[0011]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述控制系统为数字信号处理器（DSP）控制器，选用TMS320F2812芯片作为所述控制器的芯片。
[0012]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述输出电压、电流的相位差θ的计算公式为：。
[0013]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述相位差阈值φ的计算公式为：。
[0014]作为优选方案，本专利技术一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，所述step1为5~
10Hz，所述step2为0.02~0.05Hz。
[0015]原理与优势在谐振频率识别阶段，首先当超声波发生器提供两个不同的输出电压频率，分别为f1和f2时，所对应的输出电压、电流相位差角度分别为θ1和θ2，则有：（1）式中，R为超声系统负载的电阻，L为超声系统的电感，C为超声系统的电容，w1和w2为角频率，w1=2πf1，w2=2πf2。
[0016]对（1）式转换求解可以得到超声系统的电感L和电容C分别为：（2）然后输出电压、电流的相位差可通过采集锁相电路异或门XOR触发器的输出脉冲的占空比获得，设在输出电压交变频率为f1和f2时所采集的异或门输出脉冲的占空比分别为D1和D2，输出电压、电流的相位差θ1和θ2分别为：（3）最终通过将（2）和（3）式代入（4）式计算得到超声系统的谐振频率f
s
为：（4）由此可见，系统只需要在两次不同频率f1和f2条件下对系统进行采样计算即可获得系统的谐振频率。但是，电源采样的误差，以及振动系统在工作过程中，引起的谐振频率漂移，都会影响系统偏移谐振状态。因此，本专利技术引入变步长频率跟踪方法作为超声波电源频率跟踪的补充，对振动系统的谐振状态进行保持，并且可以对谐振频率计算的误差进行修正，保证振动系统具有良好的工作状态。
[0017]在谐振频率修正阶段，首先系统以上一阶段计算所得的频率f
s
输出交变电压，然后控制系统DSP控制器，选用TMS320F2812芯片，通过锁相电路反馈的输出电压、电流相位差θ以决定频率的变化方向，当θ＜0时，说明电流超前电压，则频率增大，当θ＜0时，说明电压超前电流，则频率减小。同时输出电压、电流相位相位差θ与异或门输出脉冲的占空比D有关，计算公式为：
（5）最后通过相位差θ与所设定阈值φ的比较结果，以决定电路频率变化的步长，即大步长或小步长，使逆变频率快速准确地跟踪换能器谐振频率的变化。
[0018]相位差阈值φ的计算过程如下：已知step为所设定的步长，在频率搜索过程中，在振动系统谐振频率附近引起的最大搜索盲区为（f
s
‑
0.5step，f
s
+0.5step），设f1=f
s
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，其特征在于，包括谐振频率识别和修正两个阶段；所述谐振频率识别的过程为：首先给超声系统提供两个不同的输出电压频率，分别为f1和f2，计算出超声系统的电感L和电容C；然后通过采集频率f1和f2分别对应电路中异或门输出脉冲的占空比D1和D2，获得输出电压、电流的相位差θ1和θ2；最后计算出超声系统的谐振频率f
s
；所述谐振频率修正的过程为：首先超声系统以计算所得的谐振频率f
s
输出交变电压；然后控制系统由反馈电路得到输出电压、电流相位差θ，其大小与异或门输出脉冲的占空比D有关；最后将θ与相位差阈值φ进行比较，若θ＞φ，且当θ＜0或θ＞0时，分别按照f
s
+或
‑
step1修正谐振频率，若θ＜φ，且当θ＜0或θ＞0时，分别按照f
s
+或
‑
step2修正谐振频率，以实现快速准确跟踪超声系统谐振频率的变化。2.根据权利要求1所述的一种超声波发生器谐振频率跟踪的方法，其特征在于，所述超声系统的电感L和电容C的计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：李益民，王霄，鄢家杰，赵志刚，
申请(专利权)人：广西瀚德谐声医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：