一种经颅磁刺激电源的充电控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种经颅磁刺激电源的充电控制方法及控制系统，属于医疗仪器电源领域。本发明专利技术通过建立负载电容输出电压与谐振过程中串并联谐振电容电压初始值的关系，基于当前谐振过程的输出电压及开关周期，实时预测串并联谐振电路在下一谐振过程的谐振电流，基于预测的充电电流预测下一谐振过程的开关周期与占空比，调节该下一谐振过程的开关周期与占空比实现恒流或恒功率充电，实时更新开关频率及占空比，实现全范围软开关；在这个过程中，由于是实时更新开关频率及占空比，没有过渡过程，因而，提升了前端APFC电路的输入波形质量，并提升了电源利用率，且在整个电源系统的电流、功率允许范围内，减小充电时间，提高重复频率。提高重复频率。提高重复频率。

【技术实现步骤摘要】
一种经颅磁刺激电源的充电控制方法及控制系统


[0001]本专利技术属于医疗仪器电源领域，更具体地，涉及一种经颅磁刺激电源的充电控制方法及控制系统。

技术介绍

[0002]作为一种无创、无侵入式的神经调节技术，经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)广泛应用于精神障碍成因及精神类疾病治疗等领域。脉冲电源作为经颅磁刺激设备的重要组成部分，对经颅磁刺激设备的性能有着决定性作用。随着电力电子技术的迅猛发展，对TMS电源系统的要求不再局限于输出性能，同时对供电性能、电能效率、功率密度、电磁干扰和可靠性等提出要求。
[0003]经颅磁刺激电源输出侧通常选用高压电容作为终端储能，并通过电容充电电源将输出电压充电至设定值，随后对负载刺激线圈放电。重频运行下，放电后需将输出电容(负载电容)电压重复充电至设定值。不同于常规稳态直流电源，TMS充电电源负载为电容，其充电过程中输出电压会不断变化；放电结束后，输出电压及功率存在突变。由于TMS电源充电过程高度非线性，且放电线圈等效为脉冲负载。现有技术中，TMS电源设计过程中面临如下问题：
[0004](1)TMS电源重频运行时，现有的恒流或定频充电方式，通常采用PI控制，负载的动态特性差，重频运行时，存在输出功率突变而具有较长的过渡过程，在该过渡过程中，现有的PI控制不能实现恒功率或恒流充电，会在输入侧引入放电频次的低频谐波，导致前端PFC电路的输入波形质量差，难于满足各种谐波标准(如EN60555
‑
2，IEC555
‑
2，IEC61000
‑3‑
2，GB/T14549
‑
1993《电能质量公用电网谐波》等)。
[0005](2)在恒流充电方式下，随着输出电压升高电源功率增大，充电功率在充电末期达到最大功率，而前端的FPC电路以及后级充电电路均按照最大功率进行设计，充电过程中的平均功率低于最大功率，导致充电电源利用率低。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种经颅磁刺激电源的充电控制方法及控制系统，其目的在于降低TMS重频运行对电网侧冲击，提高输入侧电能质量、电源利用率以及TMS重复频率。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种经颅磁刺激电源的充电控制方法，所述经颅磁刺激电源包括直流母线电容及串并联谐振电路，所述串并联谐振电路包括开关管、串并联谐振电容及负载电容，所述控制方法包括模型预测控制步骤，所述模型预测控制步骤包括：
[0008]分别在DCM1和DCM2下，通过采样当前谐振过程直流母线电容的输入电压V
in
及负载电容C
o
的输出电压V
o
，得到串并联谐振电容的电压初始值V
1N
、V
2N
；
[0009]以所述电压初始值V
1N
、V
2N
及当前谐振过程直流母线电容的输入电压及负载电容
的输出电压为输入，预测下一谐振过程负载电容的充电电流I
pred,ave
及临界开关周期T
s,critical
；
[0010]以下一谐振过程的开关周期T
update
大于临界开关周期T
s,critical
为约束条件，基于所述充电电流I
pred,ave
及参考电流I
o,ref
，通过谐振过程满足电荷守恒，得到下一谐振过程的开关周期T
update
；
[0011]以所述开关周期T
update
与下一谐振过程的开关管占空比D之间满足得到下一谐振过程的开关管占空比，其中，
[0012]以下一谐振过程的开关周期T
update
及开关管占空比D为输入，通过PWM调制，产生触发开关管通断的控制信号，实现电流或功率充电控制。
[0013]进一步地，还包括充电步骤，所述充电步骤包括：
[0014]将负载电容C
o
从零电压充电至额定功率对应的电压的过程中，采用所述模型预测控制步骤，进行恒流充电；
[0015]将负载电容C
o
从额定功率对应的电压充电至设定电压的过程中，采用所述模型预测控制步骤，以额定功率进行恒功率充电。
[0016]进一步地，
[0017]在所述恒流充电过程中，所述参考电流I
o,ref
为电源系统允许的最大电流；
[0018]在所述恒功率充电过程中，所述参考电流I
o,ref
为负载电容C
o
的输出电流I
o
，其中，P
N
为负载电容C
o
的额定功率，V
o
为负载电容C
o
的输出电压。
[0019]进一步地，所述下一谐振过程负载电容C
o
的充电电流I
pred,ave
及临界开关周期T
s,critical
分别满足：
[0020]I
pred,ave
＝I
o,ave
[0021]T
s,critical
＝t
I
+t
II
+t
III
[0022]其中，t
I
、t
II
、t
III
分别表示DCM1或DCM2下串并联谐振电路三个运行阶段的持续时间；
[0023]在DCM1下及DCM2下，I
o,ave
分别可以表示为：
[0024][0025][0026]其中，V
in
为当前时刻直流母线电容的输入电压，T
s
为当前时刻的开关周期，C
s
为串联谐振电容，k为谐振参数，且
[0027]进一步地，所述下一谐振过程的开关周期T
update
为：
[0028][0029]其中，I
o,ref
为参考电流，T
s
为当前谐振过程的开关周期。
[0030]按照本专利技术的另一方面，提供了一种经颅磁刺激电源的充电控制系统，所述经颅磁刺激电源包括直流母线电容及串并联谐振电路，所述串并联谐振电路包括开关管、串并联谐振电容及负载电容，所述控制系统包括模型预测控制单元，所述模型预测控制单元包括：
[0031]谐振电容电压初始值计算节点，用于分别在DCM1和DCM2下，采样当前时刻直流母线电容的输入电压V
in
及负载电容C
o
的输出电压V
o
，得到串并联谐振电容的电压初始值V
1N
、V
2N
；
[0032]负载电容充电电流预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种经颅磁刺激电源的充电控制方法，所述经颅磁刺激电源包括直流母线电容及串并联谐振电路，所述串并联谐振电路包括开关管、串并联谐振电容及负载电容，其特征在于，所述控制方法包括模型预测控制步骤，所述模型预测控制步骤包括：分别在DCM1和DCM2下，通过采样当前谐振过程直流母线电容的输入电压V
in
及负载电容C
o
的输出电压V
o
，得到串并联谐振电容的电压初始值V
1N
、V
2N
；以所述电压初始值V
1N
、V
2N
及当前谐振过程直流母线电容的输入电压及负载电容的输出电压为输入，预测下一谐振过程负载电容的充电电流I
pred,ave
及临界开关周期T
s,critical
；以下一谐振过程的开关周期T
update
大于临界开关周期T
s,critical
为约束条件，基于所述充电电流I
pred,ave
及参考电流I
o,ref
，通过谐振过程满足电荷守恒，得到下一谐振过程的开关周期T
update
；以所述开关周期T
update
与下一谐振过程的开关管占空比D之间满足得到下一谐振过程的开关管占空比，其中，以下一谐振过程的开关周期T
update
及开关管占空比D为输入，通过PWM调制，产生触发开关管通断的控制信号，实现电流或功率充电控制。2.根据权利要求1所述的充电控制方法，其特征在于，还包括充电步骤，所述充电步骤包括：将负载电容C
o
从零电压充电至额定功率对应的电压的过程中，采用所述模型预测控制步骤，进行恒流充电；将负载电容C
o
从额定功率对应的电压充电至设定电压的过程中，采用所述模型预测控制步骤，以额定功率进行恒功率充电。3.根据权利要求2所述的充电控制方法，其特征在于，在所述恒流充电过程中，所述参考电流I
o,ref
为电源系统允许的最大电流；在所述恒功率充电过程中，所述参考电流I
o,ref
为负载电容C
o
的输出电流I
o
，其中，P
N
为负载电容C
o
的额定功率，V
o
为负载电容C
o
的输出电压。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述下一谐振过程负载电容C
o
的充电电流I
pred,ave
及临界开关周期T
s,critical
分别满足：I
pred,ave
＝I
o,ave
T
s,critical
＝t
I
+t
II
+t
III
其中，t
I
、t
II
、t
III
分别表示DCM1或DCM2下串并联谐振电路三个运行阶段的持续时间；在DCM1下及DCM2下，I
o,ave
分别可以表示为：分别可以表示为：
其中，V
in
为当前时刻直流母线电容的输入电压，T
s
为当前时刻的开关周期，C
s
为串联谐振电容，k为谐振参数，且5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述下一谐振过程的开关周期T
update
为：其中，I
o,ref
为参考电流，T
s
为当前谐振过程的开关周期。6.一种经颅磁刺激电源的充电控制系统，所述经颅磁刺激电源包括直流母线电容及串并联谐振电路，所述串并联谐振电路包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁洪发，何州，张聃帝，张梓琦，邵剑南，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：