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(duì)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(lái)維持正常的運(yùn)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(shí)間也不足夠長(zhǎng)；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(wú)窮

2、多，從而供電的功率可以比較大，供電時(shí)間也近似于無(wú)限長(zhǎng)。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(lái)降低因元件傳導(dǎo)發(fā)熱而燒傷人體組織的可能性，同時(shí)也要求恒定的次級(jí)輸出電壓來(lái)維持植入人工器官的正常運(yùn)作。然而，經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的感應(yīng)線(xiàn)圈位置的變化和植入的人工器官工作狀態(tài)的變化均會(huì)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(jí)輸出電壓。
　　 本文在頻域分析閉環(huán)E類(lèi)放大器參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從原理上分析了基于E類(lèi)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(jì)方程?；谠撛O(shè)計(jì)方程，提出了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)在感應(yīng)線(xiàn)圈耦合系數(shù)和次級(jí)等效負(fù)載阻抗變化時(shí)，通過(guò)微調(diào)開(kāi)關(guān)激勵(lì)的占空比和頻率來(lái)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(guò)微調(diào)輸入電壓來(lái)使次級(jí)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(jì)方法。
　　

4、 要從理論上分析基于E類(lèi)放大器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，需要解析的E類(lèi)放大器參數(shù)設(shè)計(jì)方程。傳統(tǒng)的E類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)方程過(guò)于復(fù)雜，不利于閉環(huán)E類(lèi)放大器的分析和設(shè)計(jì)。本文通過(guò)時(shí)域分析滿(mǎn)足零開(kāi)關(guān)電壓導(dǎo)通(ZVS：zero-voltage switching)和零開(kāi)關(guān)電壓導(dǎo)數(shù)導(dǎo)通(ZDS：zero-derivative switching)的E類(lèi)放大器開(kāi)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(shí)域表達(dá)式。然后將這些參數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)

5、換到頻域，在頻域?qū)ω?fù)載支路的阻抗進(jìn)行對(duì)比分析后，得到了E類(lèi)放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)方程。這些元件參數(shù)方程表示為開(kāi)關(guān)激勵(lì)占空比和頻率的函數(shù)，有利于E類(lèi)放大器的閉環(huán)分析?；贓類(lèi)放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)方程，提出了在E類(lèi)放大器負(fù)載阻抗變化時(shí)，通過(guò)微調(diào)占空比和頻率使E類(lèi)放大器始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)和通過(guò)微調(diào)輸入電壓使E類(lèi)放大器的輸出功率恒定的閉環(huán)控制方法。E類(lèi)放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法和閉環(huán)控制方法均通過(guò)了仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　 根據(jù)感應(yīng)線(xiàn)圈的耦合作用，提

6、出了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方程，即次級(jí)電路的歸算阻抗等于初級(jí)E類(lèi)放大器的等效負(fù)載阻抗。結(jié)合E類(lèi)放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)方程，得到了經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的次級(jí)歸算阻抗分別為純電阻和不為純電阻時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)方程?；诮?jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方程，分析了各個(gè)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(guò)增大占空比和輸入電壓來(lái)提高傳輸效率的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)對(duì)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(xiàn)圈和次級(jí)等效負(fù)載電阻變化時(shí)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(jì)方程，從理論上分別分析了感應(yīng)線(xiàn)圈耦合系數(shù)變化、次級(jí)等效負(fù)載變化和兩者均變化時(shí)初級(jí)等效負(fù)載阻抗和歸算阻抗的變化，提出了同時(shí)微調(diào)初級(jí)開(kāi)關(guān)激勵(lì)的占空比和頻率來(lái)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(lái)使次級(jí)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(jì)了閉環(huán)控制電路，并進(jìn)行了閉環(huán)電路的穩(wěn)定性分析。閉環(huán)控制方法均通過(guò)了仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　 根據(jù)閉環(huán)控制電路，提出了基于E類(lèi)放大器的閉環(huán)經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法。無(wú)線(xiàn)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(lèi)放大器模塊、E類(lèi)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