【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电外科医疗器械，具体而言，尤其涉及一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法。
技术介绍
1、目前，在医疗设备中，电外科设备是最有用和最常用的仪器之一。传统手术刀在手术过程中往往会出现大量出血，干扰医生视线的情况，电外科手术刀相较于传统手术刀，有如下优势：凝血效果好、术后恢复好、副作用小，可以替代传统手术刀做一些高难度手术，比如；微创手术。等离子高频电源工作环境为生理盐水环境，产生的等离子体对生物组织消融有很好的效果。主要有切割速度快、凝血效果好、术后恢复快、消融过程中蛋白质不变性的优点。目前在电外科手术中有很多因为控制问题带来许多负面影响，等离子体手术刀切割人体组织时，负载变化大，不同部位的人体组织、医生使用手术刀时的移动速度、不同刀头型号都会使负载剧烈变化，功率开环运行的等离子体手术刀跟不上负载变化，导致输出功率波动非常大，严重情况下电源失去稳定性产生过电压、过电流。导致人体组织出现额外灼伤，影响人身安全。因此设计一款能够采集刀头型号，根据不同刀头型号使用相对应的pid参数进行功率闭环的控制装置及方法对等离子体手术刀稳定运行至关重要。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，生理盐水中工作的等离子体手术刀负载特殊，等离子体手术刀在生理盐水中激发放电过程中，由于正负电极不对称，导致输出电压有直流分量，输出电流没有直流分量，这样会导致高频采样变压器过饱和以及功率检测不准确的
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置，包括：
4、对等离子体手术刀刀头的高频电源输出的高频电压、电流检测的检测电路；
5、将所述检测电路采集的电压、电流交流信号转化为有效值的电压电流有效值转换电路；
6、用于显示工作模式、功率，设置目标功率，显示过流保护、过压保护的显示电路；
7、用于检测刀头连接状态、型号、使用情况，并可以对刀头芯片进行信息存储的电刀刀头检测电路；
8、接收所述电压电流有效值转换电路发送的电压、电流有效值，接收显示电路发送的目标功率，接收电刀刀头检测电路发送的刀头信息，输出pwm信号给fpga以驱动mosfet的stm32控制电路；所述stm32控制电路接收所述电刀刀头检测电路发送的电刀刀头信息用于选择配套的pid参数，所述stm32控制电路接收所述电压电流有效值转换电路输送的电压、电流有效值进行功率计算，与接收所述显示电路输送的目标功率进行功率比较，得到误差功率，进行pid计算进而得到占空比信息，发送给fpga用于驱动mosfet，使输出功率跟踪目标功率；当所述stm32控制电路接收电压、电流有效值大于安全值时停止功率输出，并使用显示电路的显示屏进行报警；
9、以及，
10、使用串行通信接口uart发送mosfet驱动信号给fpga的串口发送mosfet驱动信号电路；所述电压电流检测电路包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容、高频采样变压器、电流互感器、运算放大器；
11、所述第一输入端与所述第一电容的第一端连接；
12、所述高频采样变压器原边两端分别与第一电容的第二端和第二输入端相连接，所述变压器副边第一端与所述第一电阻第一端相连接，所述第二电阻第一端与所述第一电阻第二端相连接并接地，所述第二电容与所述第二电阻并联；
13、所述第一运算放大器正向输入端与所述第二电容相连接，所述第三电阻并联在所述第一运算放大器负输入端和输出端，所述第一运算放大器第四引脚和第八引脚分别接入负十二伏和正十二伏供电电源；
14、所述第三输入端是所述电流互感器一次侧，所述电流互感器二次侧与所述第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻并联，所述电流互感器二次侧第二端、所述第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻第二端与地相连接，所述第七电阻第一端与所述第八电阻第一端相连接，所述第八电阻第一端与所述第七电阻第一端连接，所述第八电阻第二端与所述第九电阻第一端相连接，所述第九电阻第二端与地相连接，所述第三电容与所述第九电阻相并联；
15、所述第二运算放大器正向输入端与第三电容第一端相连接，所述第十电阻并联在所述第二运算放大器负输入端和输出端，所述第二运算放大器第四引脚和第八引脚分别接入负十二伏和正十二伏供电电源。
16、优选地，本专利技术还包含一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制方法，包括以下步骤：所述闭环控制根据检测等离子体手术刀刀头型号信息调整对应pid参数调整进行功率闭环设置过程如下：
17、步骤一：使用stm32单片机实时向刀头内部存储芯片进行串口通信用来检测刀头连接状态，并采集刀头信息，判断使用刀头型号、使用次数信息。针对不同刀头型号，stm32会匹配对一个的预存在内部控制策略，包括预加热时间以及pid参数。
18、步骤二：与组态串口屏进行通信，stm32识别态串口屏发送的数组信息，将其中的功率信息提取便获得目标功率，将工作模式信息提取便得到工作模式信息；
19、步骤三：获得等离子体手术刀施加的电压、电流值，进行输出功率的计算；
20、步骤四：根据刀头信息，活性电极面积大的刀头使用较小的pid参数，活性电极面积小的刀头使用较大的pid参数，具体pid参数需要对不同刀头实验获得；本专利技术使用的环式电极刀头(wa22302d，olympus)预加热时间为20ms，增量式pid参数为：kp＝0.85；ki＝0.0055；kd＝0.0015
21、步骤五：将计算的输出功率(p＝k*u*i，其中u为stm32采样电压信号；i为stm32采样电流信号；k为比例系数，将采样功率转换为实际功率，其值为285)与目标功率做差值，得到误差功率，使用增量式pid处理误差功率，得到占空比信息：
22、duty1＝(ki+kd+kp)*err[2]-(kp+2*kd)*err[1]+kd*err[0]+duty0；其中duty1为当前时刻占空比，duty0为上一时刻占空比，kp、ki、kd为比例、积分、微分参数，err[2]、err[1]、err[0]为当前时刻功率误差、上一时刻功率误差、上上一时刻功率误差；
23、步骤六：将占空比信息通过串口发送给fpga，使fpga产生mosfet驱动信号，驱动等离子体手术刀电源工作。
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1.一种基于STM32的等离子体手术刀功率闭环控制装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述一种基于STM32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，其特征在于：所述电压电流有效值转换电路，包括第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一电感、第二电感、第三有效值计算芯片、第四有效值计算芯片；
3.根据权利要求1所述一种基于STM32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，其特征在于：所述电刀刀头检测电路，包括：第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第八电容、第一稳压二极管、1-wire驱动器、第八光耦隔离芯片、第九光耦隔离芯片，1-wire存储器芯片；
4.根据权利要求1所述一种基于STM32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，其特征在于：所述STM32控制电路、显示电路、串口发送MOSFET驱动信号电路，包括：STM32F103C8T6芯片、第一通信接口、第二通信接口；
5.一种基于STM32的等离子体手术刀功率闭环控制方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，其特征在于：所述电压电流有效值转换电路，包括第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一电感、第二电感、第三有效值计算芯片、第四有效值计算芯片；
3.根据权利要求1所述一种基于stm32的等离子体手术刀功率闭环控制装置及方法，其特征在于：所述电刀刀头检测电路，包括：第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东平，袁呈煜，刘伟峰，邢铎，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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