经皮能量传输系统闭环控制方法的研究

论文摘要

植入的人工器官能模拟人体自然器官的一种或多种功能,可以减小因自然器官功能的衰弱或散失对患者正常生活产生的不利影响,甚至可以挽救患者的生命。这些植入的人工器官往往需要电能来维持正常的运作,一般采用植入电池的方式为植入式人工器官持续供电,由于电池的容量有限,所以供电的功率很小,使用时间也不足够长；如能采用经皮能量传输（TET:Transcutaneous Energy Transmission）的方式为植入人工器官供电,供电的电能近似于无穷多,从而供电的功率可以比较大,供电时间也近似于无限长。在经皮能量传输系统（TETS:Transcutaneous Energy Transmission System）中由于传输的功率较大,需要较高的传输效率来降低因元件传导发热而烧伤人体组织的可能性,同时也要求恒定的次级输出电压来维持植入人工器官的正常运作。然而,经皮能量传输系统的感应线圈位置的变化和植入的人工器官工作状态的变化均会改变经皮能量传输系统的工作状态,以致降低传输效率,并改变次级输出电压本文在频域分析闭环E类放大器参数设计的基础上,从原理上分析了基于E类放大器的经皮能量传输系统,得到了经皮能量传输系统的设计方程。基于该设计方程,提出了经皮能量传输系统在感应线圈耦合系数和次级等效负载阻抗变化时,通过微调开关激励的占空比和频率来使经皮能量传输系统始终处于最优工作状态以及通过微调输入电压来使次级输出电压恒定的闭环控制方法。根据闭环控制方法,提出了闭环经皮能量传输系统的模块化设计方法。要从理论上分析基于F类放大器的经皮能量传输系统,需要解析的E类放大器参数设计方程。传统的E类放大器的设计方程过于复杂,不利于闭环E类放大器的分析和设计。本文通过时域分析满足零开关电压导通（ZVS:zero-voltage switching）和零开关电压导数导通（ZDS:zero-derivative switching）的E类放大器开关电压、输入电流、输出电流等电气参数的波形,得到了这些电气参数的时域表达式。然后将这些参数表达式转换到频域,在频域对负载支路的阻抗进行对比分析后,得到了E类放大器的参数设计方程。这些元件参数方程表示为开关激励占空比和频率的函数,有利于E类放大器的闭环分析。基于E类放大器的参数设计方程,提出了在E类放大器负载阻抗变化时,通过微调占空比和频率使E类放大器始终处于最优工作状态和通过微调输入电压使F类放大器的输出功率恒定的闭环控制方法。E类放大器的参数设计方法和闭环控制方法均通过了仿真和实验的验证。根据感应线圈的耦合作用,提出了经皮能量传输系统的设计方程,即次级电路的归算阻抗等于初级E类放大器的等效负载阻抗。结合E类放大器的参数设计方程,得到了经皮能量传输系统的次级归算阻抗分别为纯电阻和不为纯电阻时的参数设计方程。基于经皮能量传输系统的参数设计方程,分析了各个元件的传导损耗与占空比、输入电从和输出功率的函数关系,提出了通过增大占空比和输入电压来提高传输效率的设计方法。根据经皮能量传输系统对频率敏感的特性,分析了采用输入电压、占空比和频率调节方式的从体外往体内传输信息和采用阻抗调节的从体内往体外传输信息的调制方式。为了从理论上分析感应线圈和次级等效负载电阻变化时经皮能量传输系统的闭环控制技术，本文根据经皮能量传输系统的设计方程，从理论上分别分析了感应线圈耦合系数变化、次级等效负载变化和两者均变化时初级等效负载阻抗和归算阻抗的变化,提出了同时微调初级开关激励的占空比和频率来保持经皮能量传输系统的最优工作状态和微调输入电压来使次级输出电压恒定的闭环控制方法。根据闭环控制方法,设计了闭环控制电路,并进行了闭环电路的稳定性分析。闭环控制方法均通过了仿真和实验的验证。根据闭环控制电路,提出了基于E类放大器的闭环经皮能量传输系统的模块化设计方法。无线电路传输系统包括体外电路和体内电路,体外电路包括处理器模块、电源管理模块、输入电压控制模块、E类放大器模块、E类放大器控制模块和信息收发模块；体内电路包括微处理器模块、电源管理模块、电能接收、电能转换和信息收发模块。在不同的应用中,只需要根据输出功率、输入电压、频率和占空比等设计要求来修改模块中某些元件的参数,即可设计出满足要求的经皮能量传输系统。本文根据模块化闭环经皮能量传输系统的设计方法,设计了具有信息传输能力的闭环经皮能量传输系统。经实验证明,该闭环经皮能量传输系统在负载阻抗和耦合系数变化时保持较高的效率和恒定的次级输出电压

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图索引
• 表格索引
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 经皮能量传输的国内外研究进展
• 1.2.1 经皮能量传输的原理
• 1.2.2 经皮能量传输的国外研究进展
• 1.2.3 闭环经皮能量传输系统的研究进展
• 1.2.4 经皮能量传输的应用
• 1.2.5 国内经皮能量传输的研究进展
• 1.3 存在问题
• 1.4 本文的主要研究内容及创新点
• 1.5 本文结构
• 第二章 E类放大器和闭环E类放大器的参数设计
• 2.1 功率放大器概述
• 2.2 理想E类放大器的参数设计
• 2.2.1 E类放大器的基本电路
• 2.2.2 调谐状态下的稳态电气参数波形
• 2.2.3 调谐状态下的稳态开关电压
• 2.2.4 负载支路阻抗
• 2.2.5 调谐状态下的输入输出功率
• 2.2.6 E类放大器的参数设计
• 2.3 闭环E类放大器的设计
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 原理图及设计参数
• 2.3.3 阻抗变化
• 2.3.4 反馈控制
• 2.4 仿真
• 2.4.1 E类放大器
• 2.4.2 闭环E类放大器
• 2.5 实验
• 2.5.1 E类放大器
• 2.5.2 闭环E类放大器
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于E类放大器的经皮能量传输系统
• 3.1 系统图
• 3.2 经皮能量传输系统的设计方程
• 3.3 参数设计
• 3.3.1 归算阻抗为纯电阻
• 3.3.2 归算阻抗不为纯电阻
• 3.3.3 不同QL值时的归算阻抗
• 3.3.4 参数设计步骤
• 3.4 任意占空比下的元件损耗分析
• 3.4.1 电路模型与简化
• 3.4.2 任意占空比下的元件损耗
• 3.4.3 最佳占空比范围
• 3.5 基于载波的经皮信号传输的调制方法
• 3.5.1 体外往体内发送信息的调制方法
• 3.5.2 体内往体外发送信息的调制方法
• 3.6 仿真
• 3.6.1 经皮能量传输系统
• 3.6.2 经皮能量传输系统的损耗分析
• 3.6.3 基于载波的经皮信号传输
• 3.7 试验
• 3.7.1 不同占空比下经皮能量传输系统的元件内阻损耗
• 3.8 本章小结
• 第四章 经皮能量传输系统的闭环分析
• 4.1 耦合系数
• 4.2 耦合系数变化时的闭环分析
• 4.2.1 次级归算阻抗
• 4.2.2 参数设计方程
• 4.2.3 耦合系数变化
• 4.2.4 反馈控制
• 4.3 阻抗变化时的闭环分析
• 4.3.1 次级等效负载电阻变化
• 4.3.2 反馈控制
• 4.4 耦合系数和负载阻抗同时变化时的闭环分析
• 4.4.1 耦合系数和负载电阻变化
• 4.4.2 反馈控制
• 4.5 闭环控制电路的设计
• 4.5.1 闭环控制系统示意图
• 4.5.2 最优状态闭环控制电路的设计
• 4.5.3 恒定输出电压闭环控制的设计
• 4.6 闭环控制系统的稳定性分析
• 4.6.1 最优状态闭环控制系统的稳定分析
• 4.6.2 恒定输出电压闭环控制系统的稳定分析
• 4.7 仿真
• 4.7.1 设计参数
• 4.7.2 耦合系数和负载阻抗变化时的闭环控制方法验证
• 4.7.3 闭环控制电路
• 4.8 实验
• 4.8.1 感应线圈耦合系数的测量
• 4.8.2 耦合系统变化时的闭环实验
• 4.8.3 负载电阻变化时的闭环实验
• 4.9 本章小结
• 第五章 经皮能量传输系统的模块化设计
• 5.1 经皮能量传输系统的功能模块
• 5.2 体外模块的电路设计
• 5.2.1 体外电路的功能模块
• 5.2.2 体外电路的设计
• 5.3 体内模块的电路设计
• 5.3.1 体内电路的功能模块
• 5.3.2 体内电路的设计
• 5.4 软件系统设计
• 5.4.1 体外系统软件设计
• 5.4.2 体内系统软件设计
• 5.4.3 信号传输协议
• 5.5 经皮能量传输系统的模块化设计
• 5.6 实验
• 5.6.1 体外电路
• 5.6.2 体内电路
• 5.6.3 元件参数
• 5.6.4 测量结果
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录A E类放大器参数设计中的重要公式推导
• 附录B 次级电路各元件的等效内阻
• 附录C 主要程序代码（MATLAB）
• C.1 E类放大器的参数计算程序
• C.2 无线能量传输系统的参数计算程序
• 附录D 无线能量传输系统的主要电路图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录