0   引言

低溫等離子手術電源已經應用于各種臨床手術中，西杰公司在這一領域已經達到MHz 的階段，而我國尚處于起步階段，設備大多依賴進口，價格昂貴，不利于等離子手術系統在我國的普及。論文^[1]提出等離子激勵電源絕大多數為高頻高壓電源，而為了減少手術過程中造成污染，等離子體電源為雙極性電源，激發的帶電粒子在電極之間快速運動。文獻^[2]論文提出了一種基于Buck 電路的調壓設計，在系統的穩定控制方面還有要改進的地方，本文借鑒了論文^[3]中提出的基于伸縮性模糊PID 控制方法，對PID控制參數中的Kp 參數做模糊化處理，并通過論文^[4]提出的ZN 整定算法表格對傳統的PID 參數進行整定計算，為了保證系統輸出信號不受其他信號的干擾，參照論文^[5]提出的EMI 濾波器對輸入電源進行隔離。在實現系統平穩輸出的同時，實現系統的快速調節。論文從電源系統的整體結構對調壓電路進行詳細介紹，為了提高系統的調節速度，在調壓電路中引入模糊控制算法對參數進行整定，并在逆變環節設計不同頻段的電壓輸出，使得系統功能更加豐富，以滿足對人體不同組織和不同環境下的手術需求。最后通過Simulink 軟件進行仿真驗證。

1   系統整體設計

為了實現電源系統設備小型化、系統高穩定性以及功能的多樣化目標，低溫等離子體電源系統主體電路設計原理圖設計如圖1 所示。

系統為220 V 工頻輸入，為了避免系統被大電網中的高頻電壓影響，在系統的前級通過EMI 濾波電路，并且通過環形變壓器轉換為系統需要的交流電。系統的主體設計主要分為3 個環節：AC-DC 整流環節、DC-DC 調壓環節、DC-AC 逆變環節。在AC-DC 環節采用的是全橋整流電路，通過濾波環節產生平滑的直流電，然后通過可控升壓電路將輸入的電能升壓調到所需要的幅值。此外，通過后級的全橋逆變電路將直流電逆變為系統需要的高壓交流電。在臨床醫學中，等離子手術的主要作用為切割、消融、止血。不同類型的功能對應不同頻率和電壓輸出，系統設計通過控制全橋逆變電路中MOS 的開關頻率來控制輸出電壓的頻率，實現系統的多功能輸出。

2   直流調壓電路參數設計

設計的直流調壓環節采用的是Boost 電路。在Boost電路中選定輸入電壓為40 V 來計算各參數，此時穩態占空比D 為0.6，輸出電壓為U₀ = 100 V ，開關頻率為100 kHz。則周期T =10?5 s為保持輸出電流連續，設電容電流增量為ΔI，應有I < I_max ，其中I_max =1 A：輸出電流應小于1 A，取I = 0.8 A作為計算，R =125 Ω。

電感L：

為了系統能夠穩定地輸出，在電路設計中取電感L = 70 μH。電容 C 在做計算時，考慮到電壓紋波小于0.1%，即ΔU = 0 0.1 V ，因此，通過公式計算電容 C。為了提高輸出波形質量，取C = 4.72 μF。

3   Boost電路中模糊PID混合控制設計

模糊化控制原理如圖2 所示。

為了保證系統快速反應，并且能夠使輸出調節更加快速，通過比較得出誤差，并將誤差e 和誤差變化率進行模糊化，通過模糊算法得出實時變化的Kp 控制信號，并通過ZN 整定算法，計算Ki ， Kd 參數。與論文[6] 閉環控制相比，系統簡單，響應速度更快，從而實現了Boost 調壓電路的快速穩定控制。

3.1 模糊算法整定Kp參數

對PID 中的Kp 參數進行模糊化控制。模糊化控制是將輸入值與設定值ec 作為輸入進行模糊化處理，通過解模糊化生成精確的系統控制值。本文從模糊控制規則、對模糊化處理的相應隸屬度函數，以及解模糊化3 個方面介紹整定過程。模糊控制規則需要建立模糊控制規則表，將模糊系統的輸入模糊規則設計為NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。O（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）七個模糊規則，并建立模糊規則表1。

隸屬度函數的建立需要考慮系統輸入信號e、ec 的論域，本文采用三角形隸屬度函數建立兩者的論域均為[?3,3] 。假設表1 中每一個模糊規則的有效域橫坐標為[a,c]。

建立三角形隸屬度函數的數學模型如下：

其中b 為隸屬度函數有效域的中間值，如表2 所示，μ_i(b)=1。在有效域之外， μ_i(x) = 0。通過上述的模糊規則劃分區域。建立相應的隸屬度函數。規則函數圖像如圖3 和圖4 所示。

通過模糊規則對實時變化的誤差進行模糊推理并輸出K_p 參數，推理過程稱為解模糊化。本文采用重心法解模糊化，離散型二維重心法公式如下：

其中e_i(x)、ec_i(y)表示輸入量e、ec 按照不同模糊規則集的隸屬度函數。其中xi 表示對應隸屬度的橫坐標，i 表示所屬模糊規則，取值范圍為[1,7] 。通過模糊算法的解模糊化過程輸出的精確Kp 參數與通過ZN 整定算法的K_p ，與臨界震蕩周期Tcrit 之間的關系計算Ki ，Kd 的值，實現對Boost 電路占空比D 的模糊閉環控制。

3.2 ZN整定算法整定Ki，Kd參數

ZN 整定算法通過Kp 與臨界震蕩周期Tcrit 的關系計算Ki ， Kd 參數。本文通過狀態空間法建立Boost 電路的數學模型，得到占空比到輸出信號的傳遞函數Gvd(s)，則Gvd(s) 的傳遞函數為：

Boost 電路由主電路、PWM 調制網絡和反饋網絡構成，建立系統的開環傳遞函數G(s)，開環狀態下系統為線性定常系統。建立系統的Boost 電路的傳遞函數如下：

帶入系統額定工作參數：

則系統的閉環傳遞函數為：

根據勞斯穩定性判據，當系統產生不穩定震蕩時，即 9.4×10⁹ ? 2.6×10¹⁰ K = 0 時。 K_Pcrit ≈ 0.038 時產生臨界震蕩。其中臨界震蕩周T_crit =1.52×10?3 s。通過臨界震蕩周期與模糊算法整定的K_p參數關系表計算K_i、K_d的值。

按照臨界震蕩周期與PID 參數表關系計算可得：

通過ZN 正定算法計算出Ki 、Kd 兩個參數的值，并輸出穩定的電壓信號。

4   仿真驗證

本文通過仿真軟件Simulink 建立仿真模型。構建仿真模型，并對上述模糊控制系統進行仿真。

4.1 混合模糊PID算法仿真

系統通過控制Boost 電路控制系統輸出電壓的幅值^[6]，本文采用模糊PID 控制算法控制Boost 的輸出電壓值。PID 對系統有滯后和超前校正的作用。在低頻頻段有積分的作用，能夠有效地改善系統的動態性能。而在中高頻頻段有微分的作用，能夠有效地改善系統的動態性能。模糊控制能夠對系統的輸出效果進行評估，按照上文建立PID 的比例、積分、微分環節。建立雙輸入、單輸出的模糊控制器如圖5 所示。

按照模糊規則建立模糊控制器，對輸入e、ec 與輸出K_p 建立模糊關系。通過模糊規則表確定輸出與輸入之間的關系，并建立模糊規則如圖6 所示。

建立Simulink 仿真模型，如圖7 所示。

圖7 模糊控制器模型

系統輸出的方波如圖8 所示，其中靠下的橙色曲線為模糊PID 輸出曲線，中間的藍色曲線為傳統的PID 輸出曲線。

圖8 傳統PID與模糊器輸出曲線對比

可以看出，模糊控制器的調節時間比傳統PID 要快，并且輸出穩定。

4.2 系統輸出信號仿真

控制后級全橋逆變電路中MOS 管開通與關斷，用以獲得電源需要的高頻方波信號，為了達到系統功能多樣化的需求，控制方式和論文[8] 相似，可以通過改變PWM 波的頻率來實現不同頻率的輸出。以輸出80 V 、100 V 、120 V 分別對應的100 kHz 、310 kHz 為例，輸出高頻高壓方波信號，如圖9 所示。

5   結束語

系統整體采用全橋整流、Boost 調壓和全橋逆變電路將220 V 工頻電源轉化為等離子手術電源所需要的高頻、高壓的方波波形電源。與傳統等離子體電源相比，設計更加注重系統的集成化，并且通過芯片和外圍電路改進了在DC-DC轉換環節。未來還需要對更高頻率、更高穩定性的電源系統進行研究與開發。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期）