[发明专利]一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法

摘要

本发明一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法属于生物磁疗领域，涉及一种方法，涉及一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，应用于人体磁疗领域。该方法通过调制度M和调制比N实现对正弦交变磁场磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机利用调制度M和调制比N两个参数生成相应的SPWM，通过逆变电桥产生等效于正弦电压的交变电压，该电压施加到线圈从而产生正弦交变磁场。霍尔传感器将采集到的线圈电流信号传递给单片机，比较理论电流值和实际采集到的电流值，利用改进的PID算法，对亥姆霍兹线圈的电流实现更有效地闭环控制。该方法提高了控制精度并且能消除静态误差、改善系统启动时造成的积分超调现象。

主权项

一种交变磁场治疗仪实现无级调频的方法，其特征在于：该方法通过调制度M和调制比N实现对正弦交变磁场磁感应强度和磁感应频率的控制，单片机利用调制度M和调制比N两个参数生成相应的SPWM，通过逆变电桥产生等效于正弦电压的交变电压，该电压施加到线圈从而产生正弦交变磁场，霍尔传感器将采集到的线圈电流信号传递给单片机，比较理论电流值和实际采集到的电流值，利用改进的PID算法，对亥姆霍兹线圈的电流实现更有效地闭环控制；方法的具体步骤如下：步骤1组装磁疗仪系统将隔离电源模块与控制模块连接起来，隔离电源模块分别与逆变模块、磁疗环模块和温振热磁振子模块连接起来，控制模块通过驱动电路控制温振热磁振子模块，温振热磁振子模块将电流、电压数值反馈给控制模块；控制模块通过电机电路控制磁疗仪模块，并接受磁疗仪模块的位置反馈信号；控制模块通过加绒电路控制温振热磁振子模块，并接受温振热磁振子模块的温度反馈信号，上述模块和电路组成磁疗仪系统；步骤2设定磁场的磁感应强度和频率，计算调制度M和调制比N利用控制电路产生的正弦脉宽调制SPWM实现对正弦交变磁场的频率和强度的无级调节，正弦脉宽调制SPWM的确定需要两个基本参数设定：调制度M和调制比N；通过控制调制度M的大小改变正弦波幅值的大小，即实现对磁感应强度的控制，调制度M定义为调制波正弦波的幅值U_s和载波三角波的幅值U_t之比，$M=\frac{U_s}{U_t}---\left(1\right)$当载波频率一定时通过控制调制比N的大小改变正弦波频率的大小，即实现对磁场频率的控制，调制比N定义为载波三角波的频率f_t和调制波正弦波的频率f_s之比，$N=\frac{f_t}{f_s}---\left(2\right)$线圈磁感应强度B计算公式：$B=0.716K_c\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{R}---\left(3\right)$其中，K_c为亥姆霍兹线圈磁感应强度的修正系数，I为理论电流，R为线圈电阻，μ₀为真空磁导率，由设定的磁感应强度B可以得到理论电流：$I=\frac{BR}{0.716{\mathrm{\μ}}_0{K}_c}---\left(4\right)$线圈回路阻抗Z为：$Z=\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(5\right)$R为线圈电阻，L为线圈回路的电感,C为线圈回路的电容，ω＝2πf_s，f_s为磁场频率；线圈两端电压为：$U=I\sqrt{R^2+{(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})}^2}---\left(6\right)$设经过整流后的逆变电压为U_r，根据公式(1)调制度M，$M=\frac{U}{U_r}---\left(7\right)$由公式(2)和(7)确定的调制比和调制度经理论计算就能得到相应的正弦脉宽调制方波SPWM；步骤3SPWM采样计算利用单片机将正弦波离散化为一系列的等效方波时，需要用高频的三角波对正弦波采样，等效面积法为，将正弦波平均分成N等份，每一等份的曲线梯形面积用方波脉冲的面积等效，并且方波脉冲的中心和每一曲线梯形的中心对齐；步骤4定时AD采集线圈电流单片机通过电流传感器每隔一段时间对线圈中电流进行采样，采样频率为200Hz,并且比较实际采集到的电流和步骤2中计算得到的理论电流值，如果相等则结束，如果不等则进行步骤5；步骤5闭环改进的PID算法设定实际电流和理论电流的允许误差区间[A,B]，如果电流误差小于最小允许值A，则进行正常的PID计算：$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+K_i{T}_{s}i\left(k\right)+\\ \frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(8\right)$式中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，i(k)为第k个采样时刻得到的电流值，Δi(k)为电流变化量；如果电流误差大于最大允许值B，则进行PD计算：$\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]---\left(9\right)$如果电流误差在误差允许区间之间，进行弱积分PID计算：$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\left(k\right)=K_p\[i\left(k\right)-i(k-1)\]+\frac{B-\left|i\left(k\right)\right|}{B-A}{K}_i{T}_{s}i\left(k\right)\\ +\frac{K_d}{T_s}\[i\left(k\right)-2i(k-1)+i(k-2)\]\end{array}---\left(10\right)$利用改进的PID算法能够更好地改善系统启动时造成的积分超调现象；实际采样电流加上改进PID计算后的电流变化量，返回到步骤2的公式(6)、(7)中，得到调制度M，进行下一轮的SPWM采样计算。