超声波生物处理全闭环系统的研究.pdf

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1、分类号密级硕士学位论文题目：超声波生物处理全闭环系统的研究英文并列题目：ResearchonFullCloseLoopSystemoffUltrasonicBiologicalTreatment研究生：王天虬专业：电气工程研究方向：电力电子与电力传动导师：屈百达指导小组成员：学位授予日期：2015年6月答辩委员会主席：惠晶江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一五年六月摘要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。

2、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

3、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

4、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；FPGAIAbstractAbstractIt’sagreatdevelopmentonultrasonicusedinthefieldofbiologytreatmentinrecentyears.Ultrasoniccanbeusedtodisruptcell,stimulatecellactivity,increaseinenzymeactivity,extractproteinandpolysaccharideandfacilitatepenetration.Nowaday

5、stheultrasonicbiologicalsystemonlyhasoneworkingfrequencyanditcauseslowefficiencyduringbiologicaltreatment.Appropriatefrequencyandpowercanimproveefficiency.Soitisneededthatakindoffullcloseloopsystemofbiologicalultrasonictreatmentandtheefficiencycanbeimproved.Frequencytrackinga

6、ndpoweradjustmentofultrasonicsupplyisresearchedinthispaperbasedonthefoundationofpredecessor.AmethodmixeddigitalPIcontrollerandalldigitalphaselockedloop.PIcontrollerisusedwhenthereisalargefrequencydeviation.Alldigitalphaselockedloopisusedwhenworkfrequencyisclosetotheresonancef

7、requencyintherangeofADPLL.Thecombinationofstm32andFPGAisused.Inthetermofpoweradjustment,integralseparationPIalgorithmisusedtopreventintegralaccumulationfromtheoscillationofthesystem.Therateofchangeofconcentrationfrombiologicalliquidisgatheredtoselectthebestworkingfrequencysot

8、hatthefullclosedloopsystemisformed.Basedontheexplicitanalysisofevery