經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)閉環(huán)控制方法的研究.pdf

1、植入的人工器官能模擬人體自然器官的一種或多種功能，可以減小因自然器官功能的衰弱或散失對患者正常生活產(chǎn)生的不利影響，甚至可以挽救患者的生命。這些植入的人工器官往往需要電能來維持正常的運作，一般采用植入電池的方式為植入式人工器官持續(xù)供電，由于電池的容量有限，所以供電的功率很小，使用時間也不足夠長；如能采用經(jīng)皮能量傳輸(TET：Transcutaneous Energy Transmission)的方式為植入人工器官供電，供電的電能近似于無窮

2、多，從而供電的功率可以比較大，供電時間也近似于無限長。在經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)(TETS：TranscutaneousEnergy Transmission System)中由于傳輸?shù)墓β瘦^大，需要較高的傳輸效率來降低因元件傳導(dǎo)發(fā)熱而燒傷人體組織的可能性，同時也要求恒定的次級輸出電壓來維持植入人工器官的正常運作。然而，經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的感應(yīng)線圈位置的變化和植入的人工器官工作狀態(tài)的變化均會改變經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以致降低傳輸效率，并改變

3、次級輸出電壓。
　　 本文在頻域分析閉環(huán)E類放大器參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，從原理上分析了基于E類放大器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，得到了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方程?；谠撛O(shè)計方程，提出了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)在感應(yīng)線圈耦合系數(shù)和次級等效負載阻抗變化時，通過微調(diào)開關(guān)激勵的占空比和頻率來使經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)以及通過微調(diào)輸入電壓來使次級輸出電壓恒定的閉環(huán)控制方法。根據(jù)閉環(huán)控制方法，提出了閉環(huán)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法。
　　

4、 要從理論上分析基于E類放大器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，需要解析的E類放大器參數(shù)設(shè)計方程。傳統(tǒng)的E類放大器的設(shè)計方程過于復(fù)雜，不利于閉環(huán)E類放大器的分析和設(shè)計。本文通過時域分析滿足零開關(guān)電壓導(dǎo)通(ZVS：zero-voltage switching)和零開關(guān)電壓導(dǎo)數(shù)導(dǎo)通(ZDS：zero-derivative switching)的E類放大器開關(guān)電壓、輸入電流、輸出電流等電氣參數(shù)的波形，得到了這些電氣參數(shù)的時域表達式。然后將這些參數(shù)表達式轉(zhuǎn)

5、換到頻域，在頻域?qū)ω撦d支路的阻抗進行對比分析后，得到了E類放大器的參數(shù)設(shè)計方程。這些元件參數(shù)方程表示為開關(guān)激勵占空比和頻率的函數(shù)，有利于E類放大器的閉環(huán)分析。基于E類放大器的參數(shù)設(shè)計方程，提出了在E類放大器負載阻抗變化時，通過微調(diào)占空比和頻率使E類放大器始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)和通過微調(diào)輸入電壓使E類放大器的輸出功率恒定的閉環(huán)控制方法。E類放大器的參數(shù)設(shè)計方法和閉環(huán)控制方法均通過了仿真和實驗的驗證。
　　 根據(jù)感應(yīng)線圈的耦合作用，提

6、出了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方程，即次級電路的歸算阻抗等于初級E類放大器的等效負載阻抗。結(jié)合E類放大器的參數(shù)設(shè)計方程，得到了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的次級歸算阻抗分別為純電阻和不為純電阻時的參數(shù)設(shè)計方程?；诮?jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計方程，分析了各個元件的傳導(dǎo)損耗與占空比、輸入電壓和輸出功率的函數(shù)關(guān)系，提出了通過增大占空比和輸入電壓來提高傳輸效率的設(shè)計方法。根據(jù)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)對頻率敏感的特性，分析了采用輸入電壓、占空比和頻率調(diào)節(jié)方式的從體外往體

7、內(nèi)傳輸信息和采用阻抗調(diào)節(jié)的從體內(nèi)往體外傳輸信息的調(diào)制方式。
　　 為了從理論上分析感應(yīng)線圈和次級等效負載電阻變化時經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的閉環(huán)控制技術(shù)，本文根據(jù)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方程，從理論上分別分析了感應(yīng)線圈耦合系數(shù)變化、次級等效負載變化和兩者均變化時初級等效負載阻抗和歸算阻抗的變化，提出了同時微調(diào)初級開關(guān)激勵的占空比和頻率來保持經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)和微調(diào)輸入電壓來使次級輸出電壓恒定的閉環(huán)控制方法。根據(jù)閉環(huán)控制方法，設(shè)

8、計了閉環(huán)控制電路，并進行了閉環(huán)電路的穩(wěn)定性分析。閉環(huán)控制方法均通過了仿真和實驗的驗證。
　　 根據(jù)閉環(huán)控制電路，提出了基于E類放大器的閉環(huán)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法。無線電路傳輸系統(tǒng)包括體外電路和體內(nèi)電路，體外電路包括處理器模塊、電源管理模塊、輸入電壓控制模塊、E類放大器模塊、E類放大器控制模塊和信息收發(fā)模塊；體內(nèi)電路包括微處理器模塊、電源管理模塊、電能接收、電能轉(zhuǎn)換和信息收發(fā)模塊。在不同的應(yīng)用中，只需要根據(jù)輸出功率、輸入