超声波生物处理全闭环系统的研究

发布时间：2017-05-11 10:13

  本文关键词：超声波生物处理全闭环系统的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声波应用于生物处理方面是近几年来生物处理领域的重大发现,超声波利用其空化效应、热效应对生物液进行细胞的破碎、激发细胞活性、增加酶的活性、提取蛋白质和多糖以及促进渗透。现有的超声波生物处理系统频率单一,使生物处理效率降低,合适的工作频率与功率可以提高生物处理的效率。因此,有必要开发出一种超声波生物处理全闭环系统,能将生物处理的效率最优化。本文在前人的基础上对超声波生物处理过程如何实现全闭环进行研究。采集生物液处理的浓度变化率,进行最优频率的选择,将最优频率设置为系统的工作频率,实现系统的全闭环控制。在频率自动跟踪的研究上采用数字PI调节器与全数字锁相环相结合的方式,频率出现大偏差时采用PI调节器,而在工作频率与谐振频率偏差不大时采用全数字锁相环进行频率自动跟踪,采用stm32+FPGA的控制芯片组合。在功率控制的设计上,采用积分分离式梯形PI调节器防止积分饱和产生的系统振荡,采用MATLAB对系统建模仿真。在对各个部分实现方案的详细分析基础上,设计了基于UC3842的稳压电路、斩波器电路、逆变器主电路、高频变压器及匹配电感,并对具体参数进行了选型设计。控制电路方面,设计了鉴相采样电路、基于AD637的功率测量电路、基于IR2110的逆变器驱动电路、斩波器驱动电路、保护电路、浓度信号采样电路。软件方面则设计了频率跟踪程序、功率调节程序,基于TFTLCD的人机交互程序。最后,搭建了实验样机对相关理论设计进行了实验验证,测量实验输出波形,验证了设计电路的合理性和正确性。
【关键词】：超声波电源 生物处理 全数字锁相环 PI算法 FPGA
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R445.1;TB559
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 超声波及生物处理技术介绍8-10
• 1.1.1 超声技术的发展历史8
• 1.1.2 超声技术的应用现状8-9
• 1.1.3 超声波生物处理技术9-10
• 1.2 电力电子及控制技术在超声电源中的应用10-11
• 1.2.1 电力电子技术的应用10
• 1.2.2 智能控制技术的应用10-11
• 1.3 课题的研究意义11
• 1.4 本文主要工作11-12
• 第二章 总体结构框图及设计方案12-21
• 2.1 全闭环系统总体结构框图及方案总体分析12
• 2.2 稳压电路选择12-13
• 2.3 逆变电路选择13
• 2.4 频率跟踪方案选择13-15
• 2.4.1 最大电流反馈法13-14
• 2.4.2 锁相环法14-15
• 2.4.3 直接频率合成法15
• 2.5 功率控制方案选择15-16
• 2.5.1 直流斩波的基本原理15-16
• 2.5.2 逆变侧调功16
• 2.6 换能器匹配网络选择16-20
• 2.6.1 调谐匹配18-19
• 2.6.2 阻抗匹配19-20
• 2.7 本章小结20-21
• 第三章 超声波换能器全闭环研究21-29
• 3.1 全闭环策略分析21-22
• 3.2 PI控制器分析设计22
• 3.3 基于MATLAB的PI调节器建模仿真22-24
• 3.4 仿真结果分析24-25
• 3.5 全数字锁相环基本原理25-26
• 3.6 全数字锁相环的实现26-28
• 3.6.1 数字鉴相器设计26-27
• 3.6.2 数字环路滤波器设计27
• 3.6.3 加减脉冲控制器27-28
• 3.6.4 分频器设计28
• 3.6.5 仿真结果分析28
• 3.7 本章小结28-29
• 第四章 超声波电源功率控制研究29-34
• 4.1 BUCK斩波调功原理29
• 4.2 超声波电源恒功率控制原理29-32
• 4.3 超声波电源功率控制仿真实现32-33
• 4.4 本章小结33-34
• 第五章 超声波生物处理主系统设计实现34-53
• 5.1 主功率电路参数设计34-41
• 5.1.1 DC-DC稳压电路设计34-36
• 5.1.2 斩波器参数选取36
• 5.1.3 逆变器开关管选择36-37
• 5.1.4 RCD吸收电路参数计算37
• 5.1.5 高频变压器设计37-40
• 5.1.6 串联匹配电感的设计40-41
• 5.2 斩波器驱动电路41-43
• 5.3 逆变器驱动电路43-44
• 5.4 基于STM32 的控制电路设计44-46
• 5.4.1 复位电路与JTAG接口45
• 5.4.2 启动配置45-46
• 5.5 系统测量与反馈电路设计46-51
• 5.5.1 电压电流采样电路46-47
• 5.5.2 鉴相电路设计47-48
• 5.5.3 保护电路设计48-49
• 5.5.4 辅助电源设计49-50
• 5.5.5 人机交互电路50
• 5.5.6 人机交互显示电路50-51
• 5.6 FPGA系统控制系统设计51-52
• 5.7 浓度信号检测电路的设计52
• 5.8 本章小结52-53
• 第六章 超声波生物处理系统软件设计实现53-60
• 6.1 最优频率的计算选择53
• 6.2 最优指令发送程序53-54
• 6.3 频率跟踪子程序设计54-56
• 6.4 PI算法程序设计56-57
• 6.5 功率调节子程序57-58
• 6.6 功率给定程序设计58-59
• 6.7 浓度检测程序软件设计59
• 6.8 本章小结59-60
• 第七章 实验结果与分析60-64
• 7.1 超声波电源实物样机及PCB设计60-61
• 7.2 实验波形和数据61-63
• 7.3 本章小结63-64
• 主要结论与展望64-65
• 主要结论64
• 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-68
• 附录Ⅰ：电路原理图68-74
• 附录Ⅱ：作者在攻读硕士学位期间发表的论文74

【参考文献】

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本文编号：357049