基于80C552的高频电刀功率控制系统设计

收稿日期:2009-04

作者简介:段亚辉(1984)),男,硕士研究生,研究方向为检测技术、嵌入式控制;梅涛,男,研究员。

基于80C552的高频电刀功率控制系统设计

段亚辉1,2

,梅 涛

1

(1.中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥230031;2.中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027)

摘要:提出一种基于80C552微控制器的高频电刀功率控制系统,对输出功率采用两级控制的方法,分别控制调节功放电路的工作电压和控制功放电路的驱动脉冲信号,其中前级电压控制包含对电网电压波动的补偿。实验结果表明,此功率控制系统具有很好的性能。

关键词:高频电刀;集肤效应;80C552;功率控制

中图分类号:T P368.1 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2009)10-0012-03

D esi gn of the Po w er Control Syste m of the

E lectrosurgical G enerator B ased on 80C552

DUAN Ya -hu i 1,2

,ME I Tao

1

(1.Instit ute o f IntelligentM achines ,Ch i nese A cade m y o f Sc iences ,H efe i 230031,Ch i na ;2.D epart m ent of A uto m a tion ,U n i ve rsity o f Sc ience and T echno l ogy o f Chi na ,H efe i 230027,Chi na)

Abst ract :A po w er control syste m of the e l e ctrosur g ical generator based on 80C552m icro -contr o ller is i n troduced to solve the prob le m of ou tput po w er fluctuation .Tw o levels contro l is adopted ,separately contr o lli n g the work vo ltage o f

ad j u sting po w er a m plifier circu it and driv i n g pulse si g nals o f co mm anding pow er a m plifi e r c ircu i,t of wh ich the first one conta i n s co mpensati o n to AC vo ltage fl u ctuati o n .The exper i m ent resu lt sho w s that the po w er control syste m perfor m s better .

K ey w ords :electr osur g ical generator ;gather skin effec;t 80C552;po w er contro l

1 高频电刀工作原理

高频电刀设计是基于电磁场原理的/集肤效应0。集肤效应(又称趋肤效应)是指导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀的一种现象。随着与导体表面的距离逐渐增加,导体内的电流密度呈指数递减,即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看,导体的中心部分电流强度基本为零,即几乎没有电流流过,只在导体边缘的部分会有电流,简单而言就是电流集中在导体的/皮肤0部分,所以称为集肤效应。产生这种效应的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场,与原来的电流相抵消。集肤效应在低频情况下不易察觉,频率越高就越显著。

因此高频电刀工作时是电流在人体这段/导体0的表面流动,而不是流经人体内脏组织,且这种高频电流不会对脏器造成伤害,患者自己基本上没有明显不适感,但在负电极的加入点上要选择柔软的皮肤表面,

并且要有足够的表面积,使得单位流入电流最小,避免因局部电流过大而使患者烧伤或有烧灼感。2 系统设计2.1 系统结构设计

高频电刀的功率控制系统如图1所示,分别由主

控制单元、晶闸管电路、功率放大电路组成。为了使输出的功率具有比较好的可调节性,同时具有不同的输出效果,在电刀的功率输出控制中采用了两级控制,即调节功放电路的工作电压和控制功放电路的驱动脉冲信号。在电刀系统中控制功放电路的工作电压是通过控制晶闸管的导通时间来实现的,控制功放电路的驱

图1 高频电刀功率控制系统框图

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动脉冲信号是将一高频脉冲经过调制后获得。系统中的高频脉冲源是由专用的信号发生电路产生,脉冲的调制功能由微控制器的一路脉冲宽度调制输出P WM 来完成。

2.2 微控制器的选择

由于高频电刀的控制系统结构复杂,需要检测和控制的信息量比较多,因此在设计控制系统时应考虑选用集成有多种功能的微控制器,这样在整体设计时可以有效地减少外围电路。Inte l 8051系列的单片机种类齐全,功能强大,在国内应用也比较广泛;同时51系列单片机及其开发装置具有较好的通用性,因此选择51系列的单片机80C552作为电刀系统的微控制器有着相对比较高的性价比。由于80C552没有程序存储器,因此在最小系统设计中采用32K 的EPROM 27H C256作为系统的程序存储器,用8K 的E 2

PROM 28C64作为外部数据存储器,用于存储高频电刀的工作状态及一些检测数据。2.3 功率输出控制

2.3.1 晶闸管调功控制

晶闸管调功的工作原理是通过改变交流电每一个正弦周期内的晶闸管导通时间,得到不同的输出电压,从而实现功率调整。

晶闸管调压电路的工作过程如下:电网电压经过全波整流后变成100H z 的单极性正弦波,在其经过零点时刻,打开晶闸管,经过延时t 0后,关闭晶闸管,得到输出电压U,如图2所示。U 再经过滤波电路,得到直流电压U d 。当t 0=10m s 时,晶闸管全导通,U d 的值与全波整流滤波得到的电压一样。通过改变t 0的大小,可以实现对U d 的调节,就可以实现对电刀输出功

率的调节。

图2 晶闸管整流电路波形

另外在应用中,由于电网电压波动会直接改变晶闸管调压电路的电压输出,从而影响高频电刀的功率输出,所以为了实现稳定控制电刀功率的目的,还应对导通时间t 0随着电压的波动进行补偿。假定电网电压相对220V 的偏移量为$U ,当$U >0,输出功率偏大,可以在t 0的基础上减去一个补偿量D ,适当减少晶闸管的导通时间,来补偿由于电网电压增加导致的输

出功率的增加;同样对于电网电压小于220V 时,在t 0

的基础上加上一个补偿量D ,增加晶闸管的导通时间,来补偿由于电网电压减少导致输出功率的减少。2.3.2 脉冲驱动控制

高频电刀需要的频率控制信号如图3所示,T 1是调制波周期,调制波频率的变化范围是0~30k H z ,T 0是基波周期,基波的频率变化范围是200k H z ~1000k H z 。在图3中,调制波的周期T 1是b 个T 0周期的时间和,在控制脉冲中有高频脉冲的时候便有功率输出,高频脉冲输出的时间越长功率便越高,因此在输出过程中,调整a 和b 的大小可以调整功率输出的大小,由于不同的工作模式对a 和b 的要求不同,调整a 和b 的大小也可以获得不同的输出效果。考虑到电刀以后的发展及不同型号电刀的要求,要求基波的频率变化范围为200k H z~1MH z ,同时基波的脉宽要求可调。

图3 希望得到的驱动脉冲信号

在有稳定的高频信号基础上,要想获得如图3所示的输出控制波形,有2种方法,一是通过计数来确定在b 个脉冲长度时间里输出a 个脉冲;另一种方法是设计一个频率和脉宽都可调的调制波,该调制波的周期为b 个脉冲的周期长,其高电平时间为a 个脉冲周期长,然后将基波和调制波进行与操作。

由于当前大多数计数器要求输入脉冲的频率最大不超过500k H z ,因此本系统采用设计调制波的办法来获得有效的输出控制脉冲。本系统利用80C552的脉冲宽度调制输出来实现频率和脉宽都可调的调制波,脉冲宽度调制输出的功能框图如图4所示。系统工作时,2路脉冲宽度调制输出的频率由8位预分频P WM P 所确定,P WM 0和P WM 1输出脉冲的频率f P WM 可由式(1)给出:

f P WM =f O SC /2@(1+PWMP )@255(1)

图4 脉冲宽度调制输出的功能框图

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