本發(fā)明屬于生物磁療領(lǐng)域，涉及一種方法，尤其涉及一種交變磁場治療儀實(shí)現(xiàn)無級調(diào)頻的方法，應(yīng)用于人體磁療領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：盡管至今沒有完善的理論可以解釋磁場和生物的作用關(guān)系，但是大量的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)證明，磁場治療是一種非常重要的治療手段。相關(guān)研究表明，磁場具有促進(jìn)骨細(xì)胞再生的功能。磁刺激可以影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的相關(guān)生理活動，從而對保持骨重建的平衡具有作用。因此，磁場治療可以用于治療骨質(zhì)疏松。有研究表明特定強(qiáng)度的磁場可以提高紅細(xì)胞的變形能力并降低其聚焦性，從而降低血液粘度并促進(jìn)血管擴(kuò)張，結(jié)果就是血流速度加快，人體微循環(huán)得到很大程度的改善。因此磁場治療有助于人體微循環(huán)。磁場療法除了可以治療骨質(zhì)疏松癥和改善人體微循環(huán)以外，還可以有效的治療冠心病和心率失常；特定頻率和特定強(qiáng)度的磁場可以抑制腫瘤細(xì)胞的生長甚至促使其死亡；可以緩解腦生理性疲勞同時提高記憶力；磁場可以對松果體形成刺激，促使其分泌褪黑激素的分泌進(jìn)而改善睡眠。因此，研究交變磁場治療儀實(shí)現(xiàn)頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度都可以寬范圍可調(diào)，對于探究電磁場和人體的作用關(guān)系具有重大的意義，并可以對醫(yī)學(xué)及生物學(xué)的相關(guān)探究提供硬件設(shè)備上的支持。設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的磁場治療儀，對于研究各種頻率,尤其是工頻的電磁場輻射對人體的影響、骨質(zhì)疏松的無痛治療、人體微循環(huán)的改善及相關(guān)理論研究、中醫(yī)人體經(jīng)絡(luò)的探究和生物磁的本質(zhì)研究具有重大的推動作用。目前，國內(nèi)的磁療儀有：天津希統(tǒng)電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XT-2000B型骨質(zhì)疏松治療儀，磁感應(yīng)強(qiáng)度1-20mT內(nèi)四擋可調(diào)，輸出交變磁場頻率1-100Hz內(nèi)八檔可調(diào)，可用于改善骨質(zhì)疏松癥狀并提高骨密度。該治療儀的不足在于輸出的磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值較小，交變磁場輸出頻率固定；北京君樂寶醫(yī)療設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JMC-SD脈沖磁治療儀，于2008年5月研制成功，輸出磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值最大可達(dá)300mT，分為高、中、低3檔分別為H：0.3T、M：0.25T、L：0.2T，兩個固定輸出脈沖頻率分別為40次/分鐘、60次/分鐘，可用于促進(jìn)人體微循環(huán)、改善骨代謝和消炎止痛，該磁場治療儀的不足在于人機(jī)交互界面落后，輸出頻率固定，不可無級調(diào)頻。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明主要解決的問題是克服交變磁場治療儀輸出頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度不能實(shí)現(xiàn)無級可調(diào)的缺點(diǎn)，發(fā)明一種交變磁場治療儀實(shí)現(xiàn)無級調(diào)頻的方法，通過設(shè)定交變磁場治療儀的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場頻率，計(jì)算得到調(diào)制度和調(diào)制比，然后輸出正弦脈寬調(diào)制，簡稱SPWM，SPWM通過控制逆變電路產(chǎn)生交變電壓，該電壓施加到亥姆霍茲線圈產(chǎn)生具有一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的交變磁場，通過改變SPWM可以改變交變磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了交變磁場頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，利用改進(jìn)的PID實(shí)現(xiàn)線圈電流閉環(huán)控制，該方法提高了控制精度并且能消除靜態(tài)誤差、改善系統(tǒng)啟動時造成的積分超調(diào)現(xiàn)象。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種交變磁場治療儀實(shí)現(xiàn)無級調(diào)頻的方法，該方法通過調(diào)制度M和調(diào)制比N實(shí)現(xiàn)對正弦交變磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率的控制，單片機(jī)利用調(diào)制度M和調(diào)制比N兩個參數(shù)生成相應(yīng)的SPWM，通過逆變電橋產(chǎn)生等效于正弦電壓的交變電壓，該電壓施加到線圈從而產(chǎn)生正弦交變磁場，霍爾傳感器將采集到的線圈電流信號傳遞給單片機(jī)，比較理論電流值和實(shí)際采集到的電流值，利用改進(jìn)的PID算法，對亥姆霍茲線圈的電流實(shí)現(xiàn)更有效地閉環(huán)控制；方法的具體步驟如下：步驟1組裝磁療儀系統(tǒng)將隔離電源模塊與控制模塊連接起來，隔離電源模塊分別與逆變模塊、磁療環(huán)模塊和溫振熱磁振子模塊連接起來，控制模塊通過驅(qū)動電路控制溫振熱磁振子模塊，溫振熱磁振子模塊將電流、電壓數(shù)值反饋給控制模塊；控制模塊通過電機(jī)電路控制磁療儀模塊，并接受磁療儀模塊的位置反饋信號；控制模塊通過加絨回路控制溫振熱磁振子模塊，并接受溫振熱磁振子模塊的溫度反饋信號，上述模塊和電路組成磁療儀系統(tǒng)；步驟2設(shè)定磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率，計(jì)算調(diào)制度M和調(diào)制比N利用控制電路產(chǎn)生的正弦脈寬調(diào)制SPWM實(shí)現(xiàn)對正弦交變磁場的頻率和強(qiáng)度的無級調(diào)節(jié)，正弦脈寬調(diào)制SPWM的確定需要兩個基本參數(shù)設(shè)定：調(diào)制度M和調(diào)制比N；通過控制調(diào)制度M的大小改變正弦波幅值的大小，即實(shí)現(xiàn)對磁感應(yīng)強(qiáng)度的控制，調(diào)制度M定義為調(diào)制波正弦波的幅值Us和載波三角波的幅值Ut之比，M=UsUt---(1)]]>當(dāng)載波頻率一定時通過控制調(diào)制比N的大小改變正弦波頻率的大小，即實(shí)現(xiàn)對磁場頻率的控制，調(diào)制比N定義為載波三角波的頻率ft和調(diào)制波正弦波的頻率fs之比，N=ftfs---(2)]]>線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度B計(jì)算公式：B=0.716Kcμ0IR---(3)]]>其中，Kc為亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度的修正系數(shù)，I為理論電流，R為線圈電阻，μ0為真空磁導(dǎo)率，由設(shè)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以得到理論電流：I=BR0.716μ0Kc---(4)]]>線圈回路阻抗Z為：Z=R2+(ωL-1ωC)2---(5)]]>R為線圈電阻，L為線圈回路的電感,C為線圈回路的電容，ω＝2πfs，fs為磁場頻率；線圈兩端電壓為：U=IR2+(ωL-1ωC)2---(6)]]>設(shè)經(jīng)過整流后的逆變電壓為Ur，根據(jù)公式(1)調(diào)制度M，M=UUr---(7)]]>由公式(2)和(7)確定的調(diào)制比和調(diào)制度經(jīng)理論計(jì)算就能得到相應(yīng)的正弦脈寬調(diào)制方波SPWM；步驟3SPWM采樣計(jì)算利用單片機(jī)將正弦波離散化為一系列的等效方波時，需要用高頻的三角波對正弦波采樣，等效面積法為，將正弦波平均分成N等份，每一等份的曲線梯形面積用方波脈沖的面積等效，并且方波脈沖的中心和每一曲線梯形的中心對齊；步驟4定時AD采集線圈電流單片機(jī)通過電流傳感器每隔一段時間對線圈中電流進(jìn)行采樣，采樣頻率為200Hz,并且比較實(shí)際采集到的電流和步驟2中計(jì)算得到的理論電流值，如果相等則結(jié)束，如果不等則進(jìn)行步驟5；步驟5閉環(huán)改進(jìn)的PID算法設(shè)定實(shí)際電流和理論電流的允許誤差區(qū)間[A,B]，如果電流誤差小于最小允許值A(chǔ)，則進(jìn)行正常的PID計(jì)算：Δi(k)=Kp[i(k)-i(k-1)]+KiTsi(k)+KdTs[i(k)-2i(k-1)+i(k-2)]---(8)]]>式中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，i(k)為第k個采樣時刻得到的電流值，Δi(k)為電流變化量；如果電流誤差大于最大允許值B，則進(jìn)行PD計(jì)算：Δi(k)=Kp[i(k)-i(k-1)]+KdTs[i(k)-2i(k-1)+i(k-2)]---(9)]]>如果電流誤差在誤差允許區(qū)間之間，進(jìn)行弱積分PID計(jì)算：Δi(k)=Kp[i(k)-i(k-1)]+B-|i(k)|B-AKiTsi(k)+KdTs[i(k)-2i(k-1)+i(k-2)]---(10)]]>利用改進(jìn)的PID算法能夠更好地改善系統(tǒng)啟動時造成的積分超調(diào)現(xiàn)象；實(shí)際采樣電流加上改進(jìn)PID計(jì)算后的電流變化量，返回到步驟2的公式(6)、(7)中，得到調(diào)制度M，進(jìn)行下一輪的SPWM采樣計(jì)算。本發(fā)明的有益效果是該方法通過調(diào)制度M和調(diào)制比N實(shí)現(xiàn)對磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率的控制，單片機(jī)生成對應(yīng)的SPWM通過逆變電橋生成等效于正弦電壓的交變電壓，從而實(shí)現(xiàn)了對磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率在一定范圍內(nèi)的連續(xù)控制。調(diào)頻方法安全可靠，符合國家相關(guān)醫(yī)療產(chǎn)品電磁兼容和電氣安全等要求；采用的控制系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，方便以后設(shè)計(jì)升級以及非設(shè)計(jì)人員進(jìn)行故障定位。附圖說明圖1為采用SPWM實(shí)現(xiàn)磁場治療儀磁感應(yīng)強(qiáng)度無級調(diào)節(jié)算法框圖。圖2為磁療儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。圖3為磁療儀實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度無級調(diào)節(jié)的硬件結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。附圖1為采用SPWM實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度無級調(diào)節(jié)的算法框圖。附圖2為磁療儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。磁療儀的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成：分為五個部分，分別為控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)、治療環(huán)系統(tǒng)、隔離電源系統(tǒng)、溫振熱磁振子系統(tǒng)。隔離電源系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)中，為了減小各電路模塊之間的干擾以及控制系統(tǒng)電路的安全，采用四部分相互隔離的地，分別是主控電路、溫度傳感器電路、逆變器驅(qū)動電路和繼電器驅(qū)動電路?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率的核心，它通過對霍爾電壓反饋、霍爾電流反饋、溫度傳感器DS18B20溫度反饋和對射式超聲波位置反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，分別來調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度及頻率輸出、溫振熱磁振子輸出和治療位置；通過串口屏來進(jìn)行友好的人機(jī)交互，將上述反饋信息及時的呈現(xiàn)在控制人員面前并快速的相應(yīng)控制人員的相關(guān)操作。逆變系統(tǒng)：通過交-直-交的波形逆變，控制系統(tǒng)可以通過使用單片機(jī)定時器來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率控制，通過霍爾電流反饋來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的磁感應(yīng)強(qiáng)度控制。治療環(huán)系統(tǒng)：治療環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場，并通過對射式超聲波準(zhǔn)確定位人體治療位置。溫振熱磁振子系統(tǒng)：獨(dú)立于磁療環(huán)系統(tǒng)，為被治療者提供集磁場、震動和溫度于一體的保健作用。圖3為磁療儀實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度無級調(diào)節(jié)的硬件結(jié)構(gòu)圖，硬件系統(tǒng)根據(jù)強(qiáng)電和弱電分成電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)包括：中央處理器電路，中央處理器電路主要由單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路加上一些方便測試的指示元件，比如LED燈和蜂鳴器等；H橋逆變電路驅(qū)動電路，輸出SPWM控制H橋逆變電路，驅(qū)動MOSFET使其能夠可靠快速地開關(guān)；觸控式串口屏電路，觸控式串口屏主要是為了進(jìn)行人機(jī)交互，將使用者需要的信息及時地顯示在屏幕上。電力系統(tǒng)包括：整流電路，將電網(wǎng)220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?89V的直流電壓輸出；H橋逆變電路，將389V直流側(cè)電壓逆變成任意頻率的正弦波和方波。內(nèi)部包含MOSFET吸收電路和輸出濾波電路，吸收電路防止MOSFET突然關(guān)斷時兩端負(fù)載電感產(chǎn)生的高壓將其損壞，濾波電路將SPWM產(chǎn)生的高頻方波逆變出需要的低頻正弦波；霍爾傳感器電路，將采集到的電壓、電流信號反饋到控制器，使逆變器輸出成為閉環(huán)輸出；SPWM運(yùn)算和AD采樣對單片機(jī)運(yùn)行速度和RAM大小要求較高，所以單片機(jī)選擇STM32F407，最高主頻為168MHZ，內(nèi)部RAM192K，176引腳并且還包含數(shù)字信號處理庫。串口屏幕選擇廣州大彩的7寸串口屏，640個字節(jié)的指令緩沖區(qū)域，1Gbit的圖片存儲空間，通訊波特率范圍1200bps-1Mbps，利用VisualTFT可以方便的進(jìn)行液晶屏幕界面開發(fā)。跟單片機(jī)的接口為PC9/BUSY，PA10/USART1RX，PA9/USART1TX。H橋逆變電路的驅(qū)動電路使用IR2110芯片。自舉電容選用寄生電感很小的鉭電容，電容大小為0.22μF。驅(qū)動電路跟單片機(jī)的接口為PA8/SPWM1，PB13/SPWM2。H橋逆變電路采用MOSFET搭建而成耐壓值>600V，允許電流>20A。AC逆變電源采用PFC功率因數(shù)校正模塊提供389V的逆變電壓，輸入220V交流輸出389V直流。硬件需要的12V和5V電壓由明瑋科技生產(chǎn)的醫(yī)用電源MPS-30-12和MPS-30-5提供。5V電源通過隔離電源模塊給各器件供電。主控回路有5V，3.3V，±15V三種電壓要求，通過金升陽科技有限公司生產(chǎn)的隔離電源模塊A0515S-2WR2將5V轉(zhuǎn)換成±15V給模擬電路中的運(yùn)放和霍爾傳感器供電，通過開關(guān)電源芯片AMS1117-3.3將5V轉(zhuǎn)換成3.3V給單片機(jī)供電。5V電源給串口屏供電。IR2100逆變電橋驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓為15V，由MSB0515D-3W的隔離電源模塊從主控回路的5V電源轉(zhuǎn)換過來?；魻杺鞲衅鞑捎肅SM005A霍爾電流傳感器和VSM025A霍爾電壓傳感器，采用±15V供電。AD采樣采用AD7606芯片，8個采樣通道，16位采樣精度，采樣頻率可達(dá)200KHZ，采樣電壓范圍可設(shè)置為±5V或±10V。通過串口屏輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率，由公式(4)得到理論電流I，由公式(2)(6)可以確定調(diào)制度M和調(diào)制比N，單片機(jī)采用等效面積法進(jìn)行SPWM采樣計(jì)算后產(chǎn)生SPWM表，由高級定時器TIM1輸出互補(bǔ)的兩路SPWM—SPWM1、SPWM2，控制逆變電橋驅(qū)動電路。AD采集霍爾傳感器的電流強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。比較理論計(jì)算得到的電流和采集到的實(shí)際電流強(qiáng)度，執(zhí)行改進(jìn)的PID控制，并得到新的調(diào)制度M，再次執(zhí)行SPWM采樣計(jì)算，得到新的SPWM表，再次輸出PID計(jì)算后的SPWM，從而實(shí)現(xiàn)了對磁感應(yīng)強(qiáng)度的閉環(huán)控制。單片機(jī)將AD采集到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量數(shù)值，發(fā)送給串口屏，串口屏將線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度可視化顯示出來。該磁療儀產(chǎn)生的交變磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值0-3mT連續(xù)可調(diào)，磁感應(yīng)強(qiáng)度值誤差控制在±5％以內(nèi)；正弦交變磁場頻率5-200Hz連續(xù)可調(diào)，輸出頻率誤差精度控制在±1％以內(nèi)；該方法通過調(diào)制度M和調(diào)制比N實(shí)現(xiàn)對磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率的控制，單片機(jī)生成對應(yīng)的SPWM通過逆變電橋生成等效于正弦電壓的交變電壓，從而實(shí)現(xiàn)了對磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)頻率在一定范圍內(nèi)的連續(xù)控制。利用改進(jìn)的PID算法，可以實(shí)現(xiàn)對亥姆霍茲線圈交變磁場電流更有效地閉環(huán)控制，提高了控制精度并且能消除靜態(tài)誤差、改善系統(tǒng)啟動時造成的積分超調(diào)現(xiàn)象。當(dāng)前第1頁1 2 3