[发明专利]一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统及其控制方法

权利要求书

1.一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，包括：

信号发生控制模块，用于通过接收主控MCU的指令产生高精度频率的两路互补PWM信号，依据目标频率减小PWM信号的占空比，接着将信号进行功率放大后驱动推挽电路交替导通，使直流信号推挽导通，经高频变压器将信号传递至功率驱动隔离模块；

功率输出隔离模块，用于使换能器在工作频率范围内谐振；同时采集电流、电压的幅值和相位，经处理后传输至所述主控MCU；

主控MCU，用于向所述信号发生控制模块发送指令产生高精度频率的两路互补PWM信号,以及接收所述功率输出隔离模块采集的数据与系统的参考输入进行比较，分别通过PID控制算法和ADRC控制算法实现输出功率、工作频率的实时准确跟踪控制，并对控制指令进行相应的调整，最终实现系统的闭环自动控制；

通过ADRC控制算法实现对工作频率的实时准确跟踪控制时，将手术刀工作在谐振点处的相位差作为系统的目标输入至ADRC控制系统的跟踪微分器中，利用扩张状态观测器实时观测工作点电压、电流的相位差、相位差变化率以及对扰动的实时观测，状态误差反馈控制律根据相位误差、相位变化率误差，进而进行控制和扰动补偿，最终实现工作频率的实时控制；

所述的信号发生控制模块包括：

信号发生电路，通过调节精度为0.1Hz的DDS芯片接收主控MCU发出的指令，生成占空比为50%的高精度目标频率的方波，通过门电路作用得到两路互补的PWM信号；

数控半桥功率调整电路，包括由数控电位器和数字时钟，通过主控MCU控制数控电位器接入数字时钟电路的电阻值，调节生成参考时钟信号的频率和占空比，经触发电路改变原两路互补的PWM的占空比，进而调整功率；

驱动功放电路，用于提高PWM信号幅值，以驱动推挽输出电路工作；

推挽MOSFET管，用于使+48V直流功率电源推挽导通，进而使变压器工作，将信号传递至功率驱动隔离模块；

所述的功率输出隔离模块包括：

功率电感，用于与超声换能器进行阻抗匹配，使换能器能在额定频率附近谐振工作；

反馈电路，通过串并联电阻网络分压，使用多级运放结构，对工作电路电流、电压进行连续采样，其中第一级输出直接传输至主控MCU，用于检测信号幅值，第二级输出至电压比较电路，所述比较电路将电流与电压信号与零电位比较，输出两路互补的PWM信号并传输至主控MCU实时检测电流、电压之间的相位差；

超声手术刀接口电路，用于向超声手术刀设备提供标准的电源接口，提供精准的电信号驱动超声换能器工作，进而使手术刀进入高频振动状态；

按键检测电路，用于检测超声刀具设备上触发开关的状态，将相应电平传递给主控MCU，进而控制超声波手术刀设备的工作状态。

2.根据权利要求1所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述主控MCU通过外设定时器实时检测电流、电压之间的相位差；

交互模块，用于设置对功率、音量进行设置，以及输出设备运行时的相关状态信息；

医用开关电源，用于向各模块提供了相应电压的直流电源。

3.根据权利要求2所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述交互模块包括：

按键交互模块，使用按键检测芯片检测独立按键状态，并使用串口将按键按下信息传递至主控MCU；

数码管交互模块，使用数码管驱动芯片，接收主控MCU发来的显示指令，驱动相应数码管显示设备运行时的相关状态信息；

扬声器交互模块，使用扬声器驱动芯片，接收主控MCU发来的输出指令，从FLASH芯片中读取相应位置的音频文件，通过扬声器驱动芯片运放后驱动扬声器输出相应音频信号。

4.根据权利要求3所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述医

用开关电源向各模块提供+48V、+12V、-12V、+5V的直流电源。

5.根据权利要求4所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，通过

PID控制算法来实现输出功率的实时准确跟踪控制时，将参考功率作为控制系统的输入，利

用将采集到的电压、电流幅值计算出功率作为反馈信息，通过减小与参考输入比较后的偏

差量来实现功率的准确控制。