功率超声系统负载的检测及模糊控制

　　1　引　言

　　功率超声医疗设备在治疗的过程中,为取得良好的超声乳化效果,要求振动系统具有较大的振幅。在手术中由于振动系统的负载是时变的,在不调整系统的结构时,系统工作在非匹配状态,电声转换效率随负载而变,从而使振动系统的输出振幅减小[1-2]。近年来随着功率超声医疗设备的发展,主要建立了静态阻抗匹配方法,但是时变负载要求系统进行动态阻抗匹配[3]。如果能够进行负载的在线检测,进而对系统进行模糊匹配控制,则有助于这类问题的解决[4-5]。因此,本文首先设计超声振动系统负载的检测方案,经过理论分析,将超声振动系统负载转化为模糊控制器的输入,然后通过模糊控制器调整系统的结构,对振动系统进行动态阻抗匹配。实验表明,这一方法使系统在动态负载下也能获取较大的电功率。

　　2　超声振动系统的分析

　　目前在功率超声医疗设备中大多采用纵向复合棒大功率换能器,本文以纵向复合棒大功率换能器加接刀具的振动系统作为研究对象。根据Mason机电等效模型可知在谐振下振动系统的等效电路如图1虚框中所示,其中L1为换能器的动态等效电感,C1为换能器的动态等效电容,R1为换能器的机械损耗阻,C0为压电堆的静态电容,RL为负载阻抗,L为串连匹配电感。

　　超声电源的等效电路如图1所示,源电压为,内阻为Rs,其电流为.变压器的次级负载阻抗等效到初级的阻抗为:

　　假设系统已经在电感串连匹配和锁相环控制下工作在谐振状态,这时阻抗Z = U/I - Rs。同时由电工原理知道当阻抗Z与信号源内阻Rs相等时,负载获得最大功率,根据这一条件可得变压器的变比为:。当电源内阻已知,负载阻抗可以通过在线测量响应电流进行识辨,根据识辨的负载变化,实时调整变压器变比,使振动系统在不同负载下都有较大的电功率。

　　3　模糊控制方法的分析

　　3.1　负载的检测

　　在治疗过程中负载最有可能为以下三种情形:空载、水负载和组织负载,不同负载下电流波形的幅值不同,若只考虑电流的正半周波形,如图2所示。由于负载的随机性,工作电流的波形不一,单位时间内各种电流状态交替出现的比例差别很大,因此,仅对一个电流脉冲来说,很难说它是带有何种负载,如果采用统计的方法,考察一连串的电流脉冲状态,就能从宏观上把握当前的负载状态和变化趋势。

　　根据以上分析,可采用如下负载检测方法:通过设定高低两个电平门槛值,把任何一个电流脉冲区分为空载,水负载和组织负载之一。对一串电流脉冲连续统计,即得到电流状态百分率。例如,若以1000个电流脉冲为统计单位,将上述三种状态的百分率记为ρa、ρw、ρL,它们应满足ρa+ρw+ρl=1。根据文献[6]进一步分析可以认为:假定时间足够短,在一次统计的时间内,当空载与组织负载同时存在时,它们所占比重必然很低且基本相等,表明当前负载状态主要为水负载。若取e =ρa-ρL,则有:e >0,负载出现空载;e =0,负载主要为水;e <0,负载为组织。因此,可以认为,e和ρw可用一个类似于图3所示的函数关系来表示。根据e对零的偏差表示出当前负载的性质。若再取ec(t) = e(t)-e(t-1),还可得到当前负载的变化趋势,e和ec能够比较客观的反映出负载变化的现象,作为模糊控制器的输入参数。