本发明专利技术公开了一种多波形磁场发生装置及控制方法，属于低强度脉冲功率领域。本发明专利技术采用调压电路及桥式电路两级联合闭环调控的方式，实现多参数可调、陡上升沿、高稳定度的磁场。首先利用调压电路，实现可控高压，使其输出电压根据不同目标磁场幅值同步变化，保证脉冲磁场的快速上升，且最小化上升阶段与平顶阶段磁体所需要的压差，降低闭环控制的难度；运用桥式电路实现输出磁场波形的灵活性。其次，采用混合控制器，在磁场上升阶段利用滞回控制器的最优瞬态特性，在平顶阶段则运用PI控制器的强跟踪能力，保证了磁场平顶期间的稳定性。此外，本发明专利技术通过提供合适的续流回路消除了磁体寄生电容的影响。寄生电容的影响。寄生电容的影响。
【技术实现步骤摘要】
一种多波形磁场发生装置及控制方法
[0001]本专利技术属于低强度脉冲功率领域，更具体地，涉及一种多波形磁场发生装置及控制方法。
技术介绍
[0002]电磁场这种医疗手段正日益受到人们的关注。目前多个研究已经表明电磁场的刺激不仅可以促进细胞分化和再生，调节细胞代谢，激活组织修复能力；也可以抑制癌细胞等毒性细胞的生存，且不影响正常组织。因此利用脉冲磁场（Pulsed Magnetic Field ，PMF）辐射作为各种医疗条件（如脊髓损伤、骨折、关节炎、骨质疏松、疼痛缓解、乳腺癌治疗、偏头痛等）已逐渐受到世界各国的广泛重视。但脉冲磁场装置所设定的频率、波形、振幅、持续时间等不同组合对生物细胞、组织等具有不同的影响，进而可能激发不同的生物效应。因此，不同细胞刺激的研究需要适当的信号来产生PMF。
[0003]在生物效应的研究中，通常需要产生一系列不同的脉冲磁场波形以确定最佳的细胞刺激条件。与长期和重复暴露在低频磁场下的传统做法相反，相关学者研究指出期性的短暂、低强度（几mT）暴露于一定时间（几百
µ
s）短脉冲方波序列的磁场环境下，更利于调节间充质干细胞的旁分泌功能，促进软骨再生。此外，类似的脉冲磁场序列用于乳腺癌细胞的活性抑制、线粒体呼吸的促进等也具有更好的刺激效果。
[0004]可以看出随着研究深入，脉冲磁场已经不局限于低频，对波形灵活性也提出了更高要求。为更全面的探究磁场对于细胞的生物学效应，迫切需要研制集成低频脉冲磁场及中高频脉冲磁场序列的多波形磁场装置，以提供更灵活的磁场实验环境。然而，频率的提高要求陡峭的脉冲磁场边沿，磁体本质上是一个大感性负载，上升沿期间的磁体电压比平顶高几十倍。磁体上升及平顶阶段的大压差，导致难以同时实现磁体电流上升沿的高di/dt和平顶期间的高精度调节。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种多波形磁场发生装置及控制方法，旨在解决现有技术难以同时实现磁体电流上升沿的高di/dt和平顶期间的高精度调节的问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种多波形磁场发生控制方法，包括：接收目标磁场波形参数的指定；实时获取磁场激励线圈输出电流、同步整流Buck变换器中储能电容器的端电压及磁场激励线圈温度；根据目标磁场波形参数和实时获取到的磁场激励线圈数据，形成N路PWM控制信号，送入驱动电路，用于分别控制主电路中N个直流控制开关的导通和关断，实现磁场激励线圈输出电流的闭环调节；其中，所述主电路包括：级联的调压电路和桥式斩波电路；所述调压电路包括：全
桥整流器和同步Buck变换器；所述全桥整流器的输入端用于连接220V交流电，输出端并联滤波电容器，并连接至同步Buck变换器的输入端；所述同步Buck变换器的输出端连接至桥式斩波电路的输入端；所述桥式斩波电路的两个半桥的中点，用于连接磁场激励线圈。
[0007]优选地，通过以下方式控制同步Buck变换器中各直流控制开关的导通和关断：（1）根据目标磁场上升时间和目标磁场幅值，计算出所需的同步Buck变换器输出电压和磁场激励线圈输出电流；（2）根据调压电路的输入
‑
输出关系式，得到同步Buck变换器各直流控制开关的PWM控制信号占空比。
[0008]优选地，根据线圈磁场电流比常数和目标磁场幅值B，反演出所需的磁场激励线圈输出电流；根据目标磁场上升时间，反演出所需同步Buck变换器输出电压：S1和S2采取互补控制模式，S1的占空比为：S2的占空比为：其中，L
m
为磁场激励线圈电感，R
m
为磁场激励线圈电阻；u
i
为220V交流电的有效值。
[0009]优选地，通过以下方式控制桥式斩波电路中各直流控制开关的导通和关断：1）将采集到磁场激励线圈输出电流与所需的磁场激励线圈输出电流比较，并设定标志位、和；标志位用于判断目标磁场的极性，为无磁场输出，为正向磁场，为反向磁场；标志位用于判断正向磁场的工作阶段，并在时，每满足一次时，自增1，在时，置零；标志位用于判断反向磁场的工作阶段，并在时，每满足一次时，自增1，在时，置零；2）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流正向上升阶段，S5和S6关断，S4导通，采用滞环控制器控制S3，使得输出电流快速上升到期望值，并实现上升沿至平顶的平稳过渡；3）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流正向平顶阶段，S5和S6关断，S4导通，采用PI控制器控制S3，使得磁场激励线圈输出电流稳定在期望值；
4）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流反向上升阶段，S3和S4关断，S6导通，采用滞环控制器控制S5，使得输出电流快速上升到期望值，并实现上升沿至平顶的平稳过渡；5）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流反向平顶阶段，S3和S4关断，S6导通，采用PI控制器控制S5，使得磁场激励线圈输出电流稳定在期望值；6）若且≠0，则判定为磁场激励线圈输出电流下降阶段，S3、S4、S5、S6均关断，磁场激励线圈的能量在目标磁场为正向时通过S5和S6内集成的二极管或在目标磁场为反向时通过S3和S4内集成的二极管反馈至同步整流Buck变换器的储能电容器；7）若且=0，则判定为磁场激励线圈输出振荡消除阶段，关断S3和S5，开通S4和S6，磁场激励线圈输出剩余能量通过直流控制开关S4及S6释放；其中，为滞环宽度比例系数，S3为左桥臂的上直流控制开关，S4为右桥臂的下直流控制开关，S5为右桥臂的上直流控制开关，S6为左桥臂的下直流控制开关。
[0010]优选地，根据电路模型推出主电路的开环传递函数：进而根据下述方程组，得到不同目标磁场下PI控制器的PI系数：其中，为磁场激励线圈电感，为磁场激励线圈电阻，为拉普拉斯变换的微分算子，为的相角，为的幅值，为的相角裕度，为的穿越频率。
[0011]优选地，该方法还包括：将采集到的储能电容器端电压、磁场激励线圈电流或者磁场激励线圈温度与磁场激励线圈故障阈值比较判断，若超出阈值，则控制PWM，使得桥式斩波电路中所有直流控制开关均关断，磁场激励线圈通过各直流控制开关内集成的二极管释放磁场能量，直到磁场激励线圈电流减小到零。
[0012]为实现上述目的，第二方面，本专利技术提供了一种多波形磁场发生装置，包括：主电路、传感器、驱动电路、控制器和磁场激励线圈；所述传感器，用于实时采集磁场激励线圈输出电流、同步整流Buck变换器中储能电容器的端电压及磁场激励线圈温度，并传输至控制器；所述驱动电路，用于将控制信号隔离放大，能够驱动直流控制开关的导通和关断；
所述控制器，用于执行如第一方面所述的方法；所述磁场激励线圈，用于在所述电路拓扑供电下，产生多参数可调、高稳定度的多波形磁场。
[0013]优选地，所述多波形磁场的频率范围覆盖1Hz
‑
5kHz，脉冲边沿<50μs，波形参数灵活配置输出，峰值强度高达10mT，输出波形为单极性脉冲或双极性脉冲。
[0014]优选地，所述波形参数灵活配置是指磁场幅值、频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多波形磁场发生控制方法，其特征在于，包括：接收目标磁场波形参数的指定；实时获取磁场激励线圈输出电流、同步整流Buck变换器中储能电容器的端电压及磁场激励线圈温度；根据目标磁场波形参数和实时获取到的磁场激励线圈数据，形成N路PWM控制信号，送入驱动电路，用于分别控制主电路中N个直流控制开关的导通和关断，实现磁场激励线圈输出电流的闭环调节；其中，所述主电路包括：级联的调压电路和桥式斩波电路；所述调压电路包括：全桥整流器和同步Buck变换器；所述全桥整流器的输入端用于连接220V交流电，输出端并联滤波电容器，并连接至同步Buck变换器的输入端；所述同步Buck变换器的输出端连接至桥式斩波电路的输入端；所述桥式斩波电路的两个半桥的中点，用于连接磁场激励线圈。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式控制同步Buck变换器中各直流控制开关的导通和关断：（1）根据目标磁场上升时间和目标磁场幅值，计算出所需的同步Buck变换器输出电压和磁场激励线圈输出电流；（2）根据调压电路的输入
‑
输出关系式，得到同步Buck变换器各直流控制开关的PWM控制信号占空比。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据线圈磁场电流比常数和目标磁场幅值，反演出所需的磁场激励线圈输出电流；根据目标磁场上升时间，反演出所需同步Buck变换器输出电压：S1和S2采取互补控制模式，S1的占空比为：S2的占空比为：其中，为磁场激励线圈电感，为磁场激励线圈电阻；为220V交流电的有效值。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式控制桥式斩波电路中各直流控制开关的导通和关断：1）将采集到磁场激励线圈输出电流与所需的磁场激励线圈输出电流比较，并设定标志位、和；标志位用于判断目标磁场的极性，为无磁场输出，为正
向磁场，为反向磁场；标志位用于判断正向磁场的工作阶段，并在时，每满足一次时，自增1，在时，置零；标志位用于判断反向磁场的工作阶段，并在时，每满足一次时，自增1，在时，置零；2）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流正向上升阶段，S5和S6关断，S4导通，采用滞环控制器控制S3，使得输出电流快速上升到期望值，并实现上升沿至平顶的平稳过渡；3）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流正向平顶阶段，S5和S6关断，S4导通，采用PI控制器控制S3，使得磁场激励线圈输出电流稳定在期望值；4）若且，则判定为磁场激励线圈输出电流反向上升阶段，S3和S4关断，S6导通，采用滞环控制器控制S5，使得输出电流快速上升到期望值，并...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩小涛，樊俊显，相文佩，李可欣，枚巧娟，张绍哲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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