经皮能量传输系统闭环控制方法的研究
发布时间：2021-08-26 01:56
植入的人工器官能模拟人体自然器官的一种或多种功能,可以减小因自然器官功能的衰弱或散失对患者正常生活产生的不利影响,甚至可以挽救患者的生命。这些植入的人工器官往往需要电能来维持正常的运作,一般采用植入电池的方式为植入式人工器官持续供电,由于电池的容量有限,所以供电的功率很小,使用时间也不足够长；如能采用经皮能量传输（TET:Transcutaneous Energy Transmission）的方式为植入人工器官供电,供电的电能近似于无穷多,从而供电的功率可以比较大,供电时间也近似于无限长。在经皮能量传输系统（TETS:Transcutaneous Energy Transmission System）中由于传输的功率较大,需要较高的传输效率来降低因元件传导发热而烧伤人体组织的可能性,同时也要求恒定的次级输出电压来维持植入人工器官的正常运作。然而,经皮能量传输系统的感应线圈位置的变化和植入的人工器官工作状态的变化均会改变经皮能量传输系统的工作状态,以致降低传输效率,并改变次级输出电压本文在频域分析闭环E类放大器参数设计的基础上,从原理上分析了基于E类放大器的经皮能量传输系统,得到了经皮能...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
插图索引
表格索引
主要符号对照表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 经皮能量传输的国内外研究进展
1.2.1 经皮能量传输的原理
1.2.2 经皮能量传输的国外研究进展
1.2.3 闭环经皮能量传输系统的研究进展
1.2.4 经皮能量传输的应用
1.2.5 国内经皮能量传输的研究进展
1.3 存在问题
1.4 本文的主要研究内容及创新点
1.5 本文结构
第二章 E类放大器和闭环E类放大器的参数设计
2.1 功率放大器概述
2.2 理想E类放大器的参数设计
2.2.1 E类放大器的基本电路
2.2.2 调谐状态下的稳态电气参数波形
2.2.3 调谐状态下的稳态开关电压
2.2.4 负载支路阻抗
2.2.5 调谐状态下的输入输出功率
2.2.6 E类放大器的参数设计
2.3 闭环E类放大器的设计
2.3.1 概述
2.3.2 原理图及设计参数
2.3.3 阻抗变化
2.3.4 反馈控制
2.4 仿真
2.4.1 E类放大器
2.4.2 闭环E类放大器
2.5 实验
2.5.1 E类放大器
2.5.2 闭环E类放大器
2.6 本章小结
第三章 基于E类放大器的经皮能量传输系统
3.1 系统图
3.2 经皮能量传输系统的设计方程
3.3 参数设计
3.3.1 归算阻抗为纯电阻
3.3.2 归算阻抗不为纯电阻
3.3.3 不同QL值时的归算阻抗
3.3.4 参数设计步骤
3.4 任意占空比下的元件损耗分析
3.4.1 电路模型与简化
3.4.2 任意占空比下的元件损耗
3.4.3 最佳占空比范围
3.5 基于载波的经皮信号传输的调制方法
3.5.1 体外往体内发送信息的调制方法
3.5.2 体内往体外发送信息的调制方法
3.6 仿真
3.6.1 经皮能量传输系统
3.6.2 经皮能量传输系统的损耗分析
3.6.3 基于载波的经皮信号传输
3.7 试验
3.7.1 不同占空比下经皮能量传输系统的元件内阻损耗
3.8 本章小结
第四章 经皮能量传输系统的闭环分析
4.1 耦合系数
4.2 耦合系数变化时的闭环分析
4.2.1 次级归算阻抗
4.2.2 参数设计方程
4.2.3 耦合系数变化
4.2.4 反馈控制
4.3 阻抗变化时的闭环分析
4.3.1 次级等效负载电阻变化
4.3.2 反馈控制
4.4 耦合系数和负载阻抗同时变化时的闭环分析
4.4.1 耦合系数和负载电阻变化
4.4.2 反馈控制
4.5 闭环控制电路的设计
4.5.1 闭环控制系统示意图
4.5.2 最优状态闭环控制电路的设计
4.5.3 恒定输出电压闭环控制的设计
4.6 闭环控制系统的稳定性分析
4.6.1 最优状态闭环控制系统的稳定分析
4.6.2 恒定输出电压闭环控制系统的稳定分析
4.7 仿真
4.7.1 设计参数
4.7.2 耦合系数和负载阻抗变化时的闭环控制方法验证
4.7.3 闭环控制电路
4.8 实验
4.8.1 感应线圈耦合系数的测量
4.8.2 耦合系统变化时的闭环实验
4.8.3 负载电阻变化时的闭环实验
4.9 本章小结
第五章 经皮能量传输系统的模块化设计
5.1 经皮能量传输系统的功能模块
5.2 体外模块的电路设计
5.2.1 体外电路的功能模块
5.2.2 体外电路的设计
5.3 体内模块的电路设计
5.3.1 体内电路的功能模块
5.3.2 体内电路的设计
5.4 软件系统设计
5.4.1 体外系统软件设计
5.4.2 体内系统软件设计
5.4.3 信号传输协议
5.5 经皮能量传输系统的模块化设计
5.6 实验
5.6.1 体外电路
5.6.2 体内电路
5.6.3 元件参数
5.6.4 测量结果
5.7 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
附录A E类放大器参数设计中的重要公式推导
附录B 次级电路各元件的等效内阻
附录C 主要程序代码(MATLAB)
C.1 E类放大器的参数计算程序
C.2 无线能量传输系统的参数计算程序
附录D 无线能量传输系统的主要电路图
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]Feedback analysis and design of inductive power links driven by Class-E amplifiers with variable coupling coefficients[J]. Tian-liang YANG,Chun-yu ZHAO,Da-yue CHEN (Institute of Intelligent Mechatronics Research,School of Electronic,Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China). Journal of Zhejiang University-Science C（Computers & Electronics）. 2010(08)
[2]无线经皮能量传输系统的试验研究和分析[J]. 周煜,于歆杰,李臻,程锦闽,王崇慧,王琳. 电工技术学报. 2010(07)
[3]用于心脏起搏器的经皮能量传输系统[J]. 周煜,于歆杰,程锦闽,王崇慧,王琳. 电工技术学报. 2010(03)
[4]电诱发听性脑干反应应用于人工耳蜗植入的研究进展[J]. 董瑞娟,银力,刘博,曹永茂. 听力学及言语疾病杂志. 2010(02)
[5]全人工心脏无线能量传输技术研究现状[J]. 张驰,杨明. 中国医疗器械杂志. 2009(06)
[6]胶囊内窥镜无线能量传输系统的人体安全性研究[J]. 辛文辉,颜国正,王文兴. 中国生物医学工程学报. 2009(05)
[7]体内微机电无线能量传输系统的仿真分析[J]. 刘修泉,张炜,吴彦华,黄平. 系统仿真学报. 2008(08)
[8]永久心脏起搏器临床应用与疗效评价[J]. 胡清,任惠萍,张百宁,朱翠华,何庆荣. 陕西医学杂志. 2007(08)
[9]人工心脏研究进展[J]. 吴玉厚,吴冰洁,张永忠,朱奇,周国利,杨洪双,刘殿红,王静颖. 生物学通报. 2005(12)
[10]基于射频感应控制的掌指人工关节研究[J]. 赵春宇,陈大跃,谢国权,朱成刚,黄震宇,顾玉东,董震. 中国生物医学工程学报. 2003(05)
博士论文
[1]人体肠道诊查微型机器人系统及其无线供能技术研究[D]. 马官营.上海交通大学 2008
[2]无线胶囊内窥镜系统及内窥图像反降晰研究[D]. 周曲.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]E类放大器原理及其在经皮能量传输应用中的研究[D]. 梁俊睿.上海交通大学 2007
本文编号：3363312
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
插图索引
表格索引
主要符号对照表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 经皮能量传输的国内外研究进展
1.2.1 经皮能量传输的原理
1.2.2 经皮能量传输的国外研究进展
1.2.3 闭环经皮能量传输系统的研究进展
1.2.4 经皮能量传输的应用
1.2.5 国内经皮能量传输的研究进展
1.3 存在问题
1.4 本文的主要研究内容及创新点
1.5 本文结构
第二章 E类放大器和闭环E类放大器的参数设计
2.1 功率放大器概述
2.2 理想E类放大器的参数设计
2.2.1 E类放大器的基本电路
2.2.2 调谐状态下的稳态电气参数波形
2.2.3 调谐状态下的稳态开关电压
2.2.4 负载支路阻抗
2.2.5 调谐状态下的输入输出功率
2.2.6 E类放大器的参数设计
2.3 闭环E类放大器的设计
2.3.1 概述
2.3.2 原理图及设计参数
2.3.3 阻抗变化
2.3.4 反馈控制
2.4 仿真
2.4.1 E类放大器
2.4.2 闭环E类放大器
2.5 实验
2.5.1 E类放大器
2.5.2 闭环E类放大器
2.6 本章小结
第三章 基于E类放大器的经皮能量传输系统
3.1 系统图
3.2 经皮能量传输系统的设计方程
3.3 参数设计
3.3.1 归算阻抗为纯电阻
3.3.2 归算阻抗不为纯电阻
3.3.3 不同QL值时的归算阻抗
3.3.4 参数设计步骤
3.4 任意占空比下的元件损耗分析
3.4.1 电路模型与简化
3.4.2 任意占空比下的元件损耗
3.4.3 最佳占空比范围
3.5 基于载波的经皮信号传输的调制方法
3.5.1 体外往体内发送信息的调制方法
3.5.2 体内往体外发送信息的调制方法
3.6 仿真
3.6.1 经皮能量传输系统
3.6.2 经皮能量传输系统的损耗分析
3.6.3 基于载波的经皮信号传输
3.7 试验
3.7.1 不同占空比下经皮能量传输系统的元件内阻损耗
3.8 本章小结
第四章 经皮能量传输系统的闭环分析
4.1 耦合系数
4.2 耦合系数变化时的闭环分析
4.2.1 次级归算阻抗
4.2.2 参数设计方程
4.2.3 耦合系数变化
4.2.4 反馈控制
4.3 阻抗变化时的闭环分析
4.3.1 次级等效负载电阻变化
4.3.2 反馈控制
4.4 耦合系数和负载阻抗同时变化时的闭环分析
4.4.1 耦合系数和负载电阻变化
4.4.2 反馈控制
4.5 闭环控制电路的设计
4.5.1 闭环控制系统示意图
4.5.2 最优状态闭环控制电路的设计
4.5.3 恒定输出电压闭环控制的设计
4.6 闭环控制系统的稳定性分析
4.6.1 最优状态闭环控制系统的稳定分析
4.6.2 恒定输出电压闭环控制系统的稳定分析
4.7 仿真
4.7.1 设计参数
4.7.2 耦合系数和负载阻抗变化时的闭环控制方法验证
4.7.3 闭环控制电路
4.8 实验
4.8.1 感应线圈耦合系数的测量
4.8.2 耦合系统变化时的闭环实验
4.8.3 负载电阻变化时的闭环实验
4.9 本章小结
第五章 经皮能量传输系统的模块化设计
5.1 经皮能量传输系统的功能模块
5.2 体外模块的电路设计
5.2.1 体外电路的功能模块
5.2.2 体外电路的设计
5.3 体内模块的电路设计
5.3.1 体内电路的功能模块
5.3.2 体内电路的设计
5.4 软件系统设计
5.4.1 体外系统软件设计
5.4.2 体内系统软件设计
5.4.3 信号传输协议
5.5 经皮能量传输系统的模块化设计
5.6 实验
5.6.1 体外电路
5.6.2 体内电路
5.6.3 元件参数
5.6.4 测量结果
5.7 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
附录A E类放大器参数设计中的重要公式推导
附录B 次级电路各元件的等效内阻
附录C 主要程序代码(MATLAB)
C.1 E类放大器的参数计算程序
C.2 无线能量传输系统的参数计算程序
附录D 无线能量传输系统的主要电路图
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]Feedback analysis and design of inductive power links driven by Class-E amplifiers with variable coupling coefficients[J]. Tian-liang YANG,Chun-yu ZHAO,Da-yue CHEN (Institute of Intelligent Mechatronics Research,School of Electronic,Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China). Journal of Zhejiang University-Science C（Computers & Electronics）. 2010(08)
[2]无线经皮能量传输系统的试验研究和分析[J]. 周煜,于歆杰,李臻,程锦闽,王崇慧,王琳. 电工技术学报. 2010(07)
[3]用于心脏起搏器的经皮能量传输系统[J]. 周煜,于歆杰,程锦闽,王崇慧,王琳. 电工技术学报. 2010(03)
[4]电诱发听性脑干反应应用于人工耳蜗植入的研究进展[J]. 董瑞娟,银力,刘博,曹永茂. 听力学及言语疾病杂志. 2010(02)
[5]全人工心脏无线能量传输技术研究现状[J]. 张驰,杨明. 中国医疗器械杂志. 2009(06)
[6]胶囊内窥镜无线能量传输系统的人体安全性研究[J]. 辛文辉,颜国正,王文兴. 中国生物医学工程学报. 2009(05)
[7]体内微机电无线能量传输系统的仿真分析[J]. 刘修泉,张炜,吴彦华,黄平. 系统仿真学报. 2008(08)
[8]永久心脏起搏器临床应用与疗效评价[J]. 胡清,任惠萍,张百宁,朱翠华,何庆荣. 陕西医学杂志. 2007(08)
[9]人工心脏研究进展[J]. 吴玉厚,吴冰洁,张永忠,朱奇,周国利,杨洪双,刘殿红,王静颖. 生物学通报. 2005(12)
[10]基于射频感应控制的掌指人工关节研究[J]. 赵春宇,陈大跃,谢国权,朱成刚,黄震宇,顾玉东,董震. 中国生物医学工程学报. 2003(05)
博士论文
[1]人体肠道诊查微型机器人系统及其无线供能技术研究[D]. 马官营.上海交通大学 2008
[2]无线胶囊内窥镜系统及内窥图像反降晰研究[D]. 周曲.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]E类放大器原理及其在经皮能量传输应用中的研究[D]. 梁俊睿.上海交通大学 2007
本文编号：3363312
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