超声换能器的控制方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种超声换能器的控制方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.超声换能器和刀头组成的超声外科器械不同时刻和不同工况下的谐振频率往往不同。尤其是在不同负载下超声换能器的工作频率容易发生失谐，这将给超声换能器和超声系统带来伤害。因此，如何控制超声换能器工作在谐振频率下，成为亟需解决的问题。
3.相关的超声换能器频率控制算法，鲁棒性较差，尤其是在不同负载引起失谐的情况下或者更换一个新的超声换能器的情况下，无法有效地调整超声换能器的工作频率，这就可能导致超声换能器发热严重，随之也为超声系统带来不良影响，甚至严重影响超声系统的工作效果和使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种超声换能器的控制方法、装置、设备及存储介质，以解决超声换能器的工作频率容易发生失谐的问题。
5.根据本发明的一方面，提供了一种超声换能器的控制方法，该方法包括：
6.获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差；
7.确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子；
8.基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量；
9.基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
10.根据本发明的另一方面，提供了一种超声换能器的控制装置，该装置包括：
11.相位采集模块，用于获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差；
12.补偿计算模块，用于确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子；
13.增量确定模块，用于基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量；
14.频率确定模块，用于基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种医疗电子设备，所述医疗电子设备包括：
16.至少一个处理器；以及
17.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
18.所述存储器存储有本发明任一实施例中所述补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的系数数据和常数数据和/或可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的拟合和/或本发明中任一实施例所述的超声换能器的控制方法。
19.根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有数据和/或计算机指令，所述数据为权利要求1-15中任一项所述补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的系数数据和常数数据，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明中任一实施例所述的超声换能器的控制方法。
20.本发明实施例的技术方案，通过获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差，能够有效获取到集中等效电路的实际工作状态，然后，确定集中等效电路中的扰动因子以及与扰动因子对应的补偿算法，基于扰动因子以及补偿算法确定当前控制周期的补偿因子，能够采用与扰动因子适配的补偿算法精准计算出补偿因子，且将集中等效电路中的扰动因子与补偿因子关联，能够动态调整补偿因子，进而，基于当前控制周期的实际相位差、当前控制周期的补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，实现对控制频率增量的动态补偿，最后，基于当前控制周期的目标控制频率增量以及当前控制周期的控制频率确定下一控制周期超声换能器的控制频率。解决了由于超声换能器的工作频率失谐或者超声换能器更换影响超声换能器甚至超声系统的工作效果和使用寿命的技术问题，取得了基于集中等效电路中的扰动因子对谐振频率进行动态追踪，使得超声换能器能够在谐振频率下工作，提升频率控制的鲁棒性的有益效果。
21.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是根据本发明实施例提供的一种超声换能器的控制方法的流程示意图；
24.图2是根据本发明实施例提供的另一种超声换能器的控制方法的实例流程示意图；
25.图3为图2所提供的超声换能器的控制方法的实例流程示意图；
26.图4是根据本发明实施例提供的另一种超声换能器的控制方法的实例流程示意图；
27.图5为图4所提供的超声换能器的控制方法的实例流程示意图；
28.图6是根据本发明实施例提供的又一种超声换能器的控制方法的流程示意图；
29.图7是根据本发明实施例三提供的一种超声换能器的控制装置的结构示意图；
30.图8是实现本发明实施例的超声换能器的控制方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.为了便于理解，先对本发明的技术方案的应用场景进行简单介绍。超声换能器的集中等效电路可被等效成具有第一支路(静态支路)和第二支路(动态支路)的电路。示例性地，第一支路包括静电容，第二支路包括串联的电感、电阻和电容。电感、电阻和电容限定谐振器的机电性能。可选地，超声发生器可包括调谐电感器，该调谐电感器用于解谐处于谐振频率的静电容，以使超声发生器的电流输出均流入动态支路中，以使超声发生器能够保持其驱动输出处于超声换能器的谐振频率下。
34.在本发明实施例中，为了使得超声换能器持续工作在谐振频率下，使用动态频率追踪超声换能器的谐振频率的方法，通过调整超声换能器的控制频率来保证动态支路的电流与电压之间的相位差为0
°
。具体地，可使用增量式控制器，将目标控制频率至于谐振频率附近，在相位差大于0
°
的情况下，将控制频率往下调整，在相位差小于0
°
的情况下，往上调整。可以理解的是，相位差的绝对值越大，调整量也越大。
35.图1为本发明实施例提供了一种超声换能器的控制方法的流程图，本实施例可适用于超声换能器工作频率失谐或更新超声换能器的情况，该方法可以由超声换能器的控制装置来执行，该超声换能器的控制装置可以采用硬件和/或软件的形式实现。
36.如图1所示，本发明实施例的方法具体可包括：
37.s110、获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差。
38.在本发明实施例中，超声换能器的集中等效电路的电流与电压可以为动态支路的电流与电压，也可以是超声发生器的工作电流与工作电压。
39.其中，集中等效电路当前控制周期电流的电流与电压之间的实际相位差，具体可以是，集中等效电路中当前控制周期电流的实时电流与实时电压之间的相位差。可以理解的是，电压与电流的相位角的测量方法有多种，可以采用数字相角测量的方式，也可以采用模拟电路测量，例如检相电路、相干检相法、傅里叶检相法等。
40.s120、确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算
法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子。
41.其中，扰动因子可以理解为影响集中等效电路中电压和电流的相位差或控制频率增量的因素。考虑到在实际应用场景中，集中等效电路的结构有所不同或参数不同，可以根据实际需求确定扰动因子。可选地，确定所述集中等效电路中的扰动因子，包括：确定所述集中等效电路的负载，基于所述负载确定扰动因子。
42.其中，集中等效电路的负载的表征形式包括但不限于电阻、电感以及电容等中的一种或多种。在集中等效电路中，所述负载与所述扰动因子之间存在的相关性，因此可以基于集中等效电路的负载确定扰动因子。
43.在本发明实施例中，扰动因子的选取方式可以有多种。示例性地，所述扰动因子包括动态电容、动态电感、动态电阻、静态电容、总阻抗、电压、电流或功率中的至少一个。典型地，可以基于集中等效电路的总阻抗确定。
44.具体的，基于所述负载确定扰动因子，可以包括：根据所述负载与所述扰动因子之间存在的相关性，确定所述扰动因子；其中，所述相关性包括：正负相关或线性相关。这样处理的好处在于，能够实现扰动因子与负载之间的联动关系，从而更为精准有效匹配集中等效电路的实际运行情况，以提升频率控制的鲁棒性。
45.其中，所述补偿算法用于表示所述补偿因子与所述扰动因子之间的线性关系。补偿算法可以是一元一次函数、一元二次函数或一元三次函数等。补偿算法中增益系数为自变量，补偿因子为因变量。可选地，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子，包括：将所述扰动因子代入与所述扰动因子对应的所述补偿算法中进行计算，得到当前控制周期的增益系数；将预先设置的增益因子与所述增益系数的乘积作为当前控制周期的补偿因子。示例性地，可以表示为：k
γ
＝εkz，其中，k
γ
为补偿因子，即，补偿算法输出值，ε为增益因子，kz为增益系数，即，补偿算法中间值。需要说明的是，增益因子的取值可以根据实际需求进行设置，在此并不做具体限定。
46.可选地，确定与所述扰动因子对应的补偿算法，包括：基于所述扰动因子以及预先设置的扰动因子与工况之间的对应关系，获取在集中等效电路的工况下与所述扰动因子对应的补偿算法。
47.具体地，可以基于扰动因子的取值区间或者获取周期划分出不同的工况。需要说明的是，工况与补偿算法之间的对应关系可以是一对一的关系、一对多的关系或者多对一的关系。换言之，不同的工况对应的补偿算法可以相同也可以不同。不同的工况对应的补偿算法可以相同也可以不同。
48.s130、基于所述实际相位差、所述补偿因子以及期望相位差确定所述超声换能器的目标控制频率增量。
49.由于本发明实施例中的超声系统不同时刻负载变化会导致系统变化，是一个非线性时变系统，但是在常规的pid(proportion integration differentiation，比例-积分-微分)控制器中，默认控制系统为线性时不变系统。因此，在满足在控制周期变化δt范围内，默认系统负载不会发生突变，即系统受力变化值δf≈0n，对应的谐振动下，最小负载变化值δz
min
≈0ω这一前提下，可以假定超声换能器某一特定负载下系统在谐振点附近可以近似拟合相位-频率曲线为线性，例如在半功率点范围内，也就是f1～f2范围内，先将非线性时变系统转变成线性时变系统。进而，通过pid控制器计算控制频率增量。
50.在本发明实施例中，pid控制器是根据超声外科系统的性能指标获得的，该超声外科系统包括超声发生器和超声换能器，该系统的性能指标包括控制系统的快速性和稳定性。示例性地，所述pid控制器可以包括比例项和积分项，或者，可以包括比例项、积分项和微分项。
51.在本发明实施例中，可以先计算超声换能器的控制频率增量，再通过补偿因子对计算出的控制频率增量进行补偿，得到超声换能器的目标控制频率增量；或者，先通过补偿因子对实际相位差进行补偿，再计算超声换能器的目标控制频率增量。
52.s140、基于所述控制频率增量以及当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
53.具体地，将超声换能器当前控制周期的控制频率与控制频率增量相加，得到下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
54.可以理解的是，控制周期对应的时间常数要根据目标工况的变化率来决定。但控制周期并不是越小越好。控制周期需要考虑超声换能器的单位脉冲响应时间，即，超声换能器由瞬态响应到稳态响应的动态过程时间。具体地从瞬态响应到稳态响应的时间可以用激励周期衡量。
55.在本发明实施例中，具体可以基于所述超声换能器的谐振频率和所述超声换能器由瞬态响应到稳态响应所需的激励周期的数量确定所述超声换能器的控制周期，其中，所述控制周期不小于所述谐振频率的倒数与所述激励周期的数量的乘积。示例性地，可以将所述谐振频率的倒数与所述激励周期的数量的乘积作为最小控制周期，进而基于最小控制周期调整超声换能器的控制频率。示例性地，控制周期可以基于如下关系式确定：t》1/fs*n，例如，若fs最小谐振54.5khz，则最小控制周期t
min
通常为0.917us。
56.本发明实施例的技术方案，通过获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差，能够有效获取到集中等效电路的实际工作状态，然后，确定集中等效电路中的扰动因子以及与扰动因子对应的补偿算法，基于扰动因子以及补偿算法确定当前控制周期的补偿因子，能够采用与扰动因子适配的补偿算法精准计算出补偿因子，且将集中等效电路中的扰动因子与补偿因子关联，能够动态调整补偿因子，进而，基于当前控制周期的实际相位差、当前控制周期的补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，实现对控制频率增量的动态补偿，最后，基于当前控制周期的目标控制频率增量以及当前控制周期的控制频率确定下一控制周期超声换能器的控制频率。解决了由于超声换能器的工作频率失谐或者超声换能器更换影响超声换能器甚至超声系统的工作效果和使用寿命的技术问题，取得了基于集中等效电路中的扰动因子对谐振频率进行动态追踪，使得超声换能器能够在谐振频率下工作，提升频率控制的鲁棒性的有益效果。
57.图2为本发明实施例提供的另一种超声换能器的控制方法的流程图，图3为图2所提供的超声换能器的控制方法的实例流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上对如何确定超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量进行了进一步地细化。可选地，基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，包括：基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得
当前控制周期的期望相位差；基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述前一控制周期的实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得前一控制周期的期望相位差；根据预先构建的pid控制器对所述当前控制周期的期望相位差和所述前一控制周期的期望相位差进行处理，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。具体实施方式可以参见本实施例的说明。其中，与前述实施例相同或相似的技术特征在此不再赘述。
58.如图2和图3所示，本发明实施例的方法具体可包括：
59.s210、获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差。
60.s220、确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子。
61.s230、基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得当前控制周期的期望相位差。
62.具体地，可以将当前控制周期的实际相位差和当前控制周期的补偿因子相乘，得到当前控制周期的期望相位差。
63.s240、基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述前一控制周期的实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得前一控制周期的期望相位差。
64.具体地，计算所述当前控制周期的实际相位差与前一控制周期的实际相位差之间的差值，得到相位差增量，进而，通过所述当前控制周期的所述补偿因子与相位差增量相乘获得所述前一控制周期的期望相位差。
65.s250、根据预先构建的pid控制器对所述当前控制周期的期望相位差和所述前一控制周期的期望相位差进行处理，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
66.可选地，所述pid控制器可以包括比例项和积分项，或者，可以包括比例项、积分项和微分项。以所述pid控制器可以包括比例项和积分项为例，根据预先构建的pid控制器对所述当前控制周期的期望相位差和所述前一控制周期的期望相位差进行处理，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，包括：将所述pid控制器中的积分项对应的积分常数与所述当前控制周期的期望相位差相乘得到第一控制频率增量，其中，所述当前控制周期的期望相位差是通过将所述当前控制周期的所述实际相位差与所述当前控制周期的补偿因子相乘获得的；将所述pid控制器中的比例项对应的比例常数乘以所述前一控制周期的期望相位差得到第二控制频率增量；将所述第一控制频率增量与所述第二控制频率增量相加，得到所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
67.示例性地，采用k
γ
表示补偿因子，ki表示积分常数，k
p
表示比例常数，表示第n个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，为第n-1个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，此时，第n个控制周期的补偿相位差表示为第n-1个控制周期的补偿相位差表示为此时，第一控制频率增量可以表示为：第二控制频率增量可以为：超声换能器的目标控制频率增量的计算方式为：
68.s260、基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
69.沿用上例，在先通过前控制周期的补偿因子对基于所述当前控制周期与所述前一控制周期的实际相位差进行补偿，再计算超声换能器的目标控制频率增量的情况下，超声换能器的控制频率计算等式如下：
[0070][0071]
其中，f n+1
为第n+1个控制周期超声换能器的控制频率，f n
为第n个控制周期超声换能器的控制频率，k
γ
为补偿因子，ki为积分常数，k
p
为比例常数，为第n个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，为第n-1个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差。
[0072]
即，将当前控制周期超声换能器的控制频率f n
与目标控制频率增量相加得到超声换能器的控制频率f n+1
。
[0073]
本实施例的技术方案，能够通过当前控制周期的补偿因子对当前控制周期以及前一控制周期的相位差增量进行补偿后计算前一控制周期的期望相位差，使得得到的期望相位差更为精准，从而更为精准地计算出所述当前控制周期的目标控制频率增量，使得下一控制周期输出的所述超声换能器的控制频率能够置于谐振频率附近。
[0074]
图4为本发明实施例提供的另一种超声换能器的控制方法的流程图，图5为图4所提供的超声换能器的控制方法的实例流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上对如何确定超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量进行了进一步地细化。可选地，基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，包括：根据预先构建的pid控制器基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述前一控制周期的所述实际相位差，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标估计控制频率增量；基于所述当前控制周期的目标估计控制频率增量和所述当前控制周期的补偿因子，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。具体实施方式可以参见本实施例的说明。其中，与前述实施例相同或相似的技术特征在此不再赘述。
[0075]
如图4和图5所示，本发明实施例的方法具体可包括：
[0076]
s310、获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差。
[0077]
s320、确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子。
[0078]
s330、根据预先构建的pid控制器基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述前一控制周期的所述实际相位差，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标估计控制频率增量。
[0079]
可选地，所述pid控制器包括比例项和积分项；所述根据预先构建的pid控制器基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述前一控制周期的实际相位差，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标估计控制频率增量，包括：将所述pid控制器中的积分项对应的积分常数与所述当前控制周期的所述实际相位差相乘得到第一估计控制频率增量；将所
述pid控制器中的比例项对应的比例常数与相位差增量相乘得到第二估计控制频率增量，其中，所述相位差增量为所述当前控制周期的实际相位差与所述前一控制周期的实际相位差之间的差值；将所述第一估计控制频率增量和所述第二估计控制频率增量相加，获得所述超声换能器的当前控制周期的目标估计控制频率增量。
[0080]
示例性地，采用k
γ
表示补偿因子，ki表示积分常数，k
p
表示比例常数，表示第n个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，为第n-1个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，此时，超声换能器的第一估计控制频率增量的计算方式为：超声换能器的第二估计控制频率增量的计算方式为：当前控制周期的目标估计控制频率增量的计算方式为：超声换能器的目标控制频率增量的计算方式为：
[0081]
s340、基于所述当前控制周期的目标估计控制频率增量和所述当前控制周期的补偿因子，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0082]
具体地，将所述基于所述当前控制周期的目标估计控制频率增量与所述当前控制周期的补偿因子相乘，得到所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0083]
s350、基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
[0084]
沿用上例，在先计算超声换能器的目标估计控制频率增量，再通过补偿因子对计算出的目标估计控制频率增量进行补偿的情况下，超声换能器的控制频率计算等式如下：
[0085][0086]
其中，f n+1
为第n+1个控制周期超声换能器的控制频率，f n
为第n个控制周期超声换能器的控制频率，k
γ
为补偿因子，ki为积分常数，k
p
为比例常数，为第n个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差，为第n-1个控制周期集中等效电路的电流与电压之间的相位差。
[0087]
类似的，将当前控制周期超声换能器的控制频率f n
与目标控制频率增量相加得到下一个控制周期超声换能器的控制频率f n+1
。
[0088]
本实施例的技术方案，能够通过当前控制周期的补偿因子对目标估计控制频率增量进行补偿，使得得到的目标控制频率增量更为精准，从而更为精准地输出下一控制周期的所述超声换能器的控制频率。
[0089]
图6为本发明实施例提供的又一种超声换能器的控制方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上增加了对确定与所述扰动因子对应的补偿算法的描述。可选地，在所述确定与所述扰动因子对应的补偿算法之前，还包括：基于所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差与当前控制周期的控制频率之间的关系确定与所述扰动因子对应的补偿算法，并将所述扰动因子与所述补偿算法对应存储；其中，所述补偿算法用于表示所述补偿因子与所述扰动因子之间的相关关系。具体实施方式可以参见本实施例的说明。其中，与前述实施例相同或相似的技术特征在此不再赘述。
[0090]
如图6所示，本发明实施例的方法具体可包括：
[0091]
s410、基于所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差与当前控制周期的控制频率之间的关系确定与所述扰动因子对应的补偿算法，并将所述扰动因子与所述补偿算法对应存储；其中，所述补偿算法用于表示所述补偿因子与所述扰动因子之间的相关关系。
[0092]
其中，集中等效电路的所有工况可对应同一个第一线性拟合函数，也可以对应不同的第一线性拟合函数。类似地，每种工况对应的第一线性拟合函数可以是一个或多个。不同工况对应的同一个第二线性拟合函数，也可以对应不同的第二线性拟合函数。
[0093]
可选地，在所述基于所述集中等效电路的实际相位差、控制频率以及预先设置的第一线性拟合函数确定所述集中等效电路的增益系数之前，还包括：针对每种工况，获取预先构建的多个参考线性拟合函数；基于所述集中等效电路的实际相位差、控制频率分别确定每个所述参考线性拟合函数的拟合优度；基于所述拟合优度最大的参考线性拟合函数确定为所述工况的第一线性拟合函数。
[0094]
可选地，基于所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差与当前控制周期的控制频率之间的关系确定与所述扰动因子对应的补偿算法，包括：基于所述扰动因子的取值区间划分出所述集中等效电路的多种工况；基于每种工况对应的扰动因子和所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差、控制频率以及预先设置的第一多项式拟合函数确定所述当前控制周期的实际相位差和控制频率增量的增益系数；基于所述每种工况对应的扰动因子以及与所述扰动因子对应的增益系数，确定与所述扰动因子对应的补偿算法。
[0095]
在本发明实施例中，在每种工况下，不同时刻集中等效电路中的扰动因子的取值可能不同。每种工况下扰动因子的取值可以对应于一个取值区间，不同工况对应的扰动因子所处的取值区间可以不同。可选地，针对每种工况，获取所述工况下各个所述扰动因子的取值为换能器谐振状态下的值。
[0096]
可选地，基于所述每种工况对应的扰动因子以及与所述扰动因子对应的增益系数，确定与所述扰动因子对应的补偿算法，包括：基于所述每种工况对应的扰动因子、与所述扰动因子对应的增益系数以及补偿关系拟合函数，确定与所述扰动因子对应的补偿算法，其中，所述补偿关系拟合函数为所述第一多项式拟合函数或预先设置的第二多项式拟合函数。
[0097]
示例性地，所述第一多项式拟合函数为一阶多项式拟合函数，所述当前控制周期的实际相位差和控制频率增量的增益系数为一阶多项式拟合函数中的斜率；所述第二多项式拟合函数为二阶多项式拟合函数，用于确定扰动因子和与所述扰动因子对应的增益系数之间的关系。
[0098]
具体地，所述增益系数可以是当前控制周期单位时间内集中等效电路的实际相位差和控制频率增量的比值。
[0099]
示例性地，将每种工况下的增益系数作为因变量，该工况下与所述增益系数对应的扰动因子作为自变量，代入预先设置的第二线性拟合函数，结合过重工况下的所述增益系数和与所述增益系数对应的扰动因子求解出第二线性拟合函数中公式系数，得到该工况对应的补偿算法。
[0100]
举例而言，首先针对超声换能器的集中等效电路的每种工况，分别基于扫频仿真实验或历史工作数据，确定该工况下集中等效电路的频率-相位(电流与电压之间的相位差)曲线，然后针对该频率-相位曲线进行一项式线性拟合，以得到经校准后更为一致的斜
率，即，该工况下的增益系数k。其中，频率-相位曲线的横坐标为频率增量或绝对值，纵坐标为相位增量或绝对值。校准是指对数据进行一阶模态和二阶模态拟合以得到k值对数据(频率和相位)进行补偿。
[0101]
在发明实施例中，动态支路的频率-相位曲线斜率k会随着总阻抗z的增大而减小，相对应的，动态支路相位增量-频率增量曲线斜率k会随着总阻抗z的增大而增大。为了将超声换能器的时变系统转为时不变系统，可以尽可能多的去拟合超声换能器在不同工况下的频率-相位关系曲线，并获取相关增益系数k和该工况下最小的总阻抗之间的关系，通过最小的总阻抗对k的补偿实现系统时变到时不变的转化。在本实例中，第二线性拟合函数可以采用二项式线性拟合函数，例如，kz＝a*z
min2
+b*z
min
+c，将每种工况下的kz和z
min
(该工况下总阻抗中的最小值)代入二项式线性拟合函数，求解出a、b，和c，得到线性补偿算法。例如，得到的线性补偿算法具体可以是：kz＝0.000028336*z
min2
+0.0017324*z
min
+0.0115343。
[0102]
在本发明实施例中，具体地，确定所述集中等效电路中的扰动因子，包括：获取所述各种工况谐振状态下对应的扰动因子。
[0103]
s420、获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差。
[0104]
s430、确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子。
[0105]
s440、基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0106]
s450、基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
[0107]
本实施例的技术方案，通过基于所述集中等效电路当前控制周期的实际相位差与控制频率之间的关系确定与所述扰动因子对应的补偿算法，能够更加有针对性地计算出超声系统中的补偿因子，实现了超声系统的精细化控制，从而提升输出的超声换能器的控制频率的精准性，进一步提升了超声换能器的控制算法的鲁棒性。
[0108]
图7为本发明实施例提供的一种超声换能器的控制装置的结构示意图。如图7所示，该装置包括：相位采集模块510、补偿计算模块520、增量确定模块530和频率确定模块540。
[0109]
其中，相位采集模块510，用于获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差；补偿计算模块520，用于确定所述集中等效电路中的扰动因子以及与所述扰动因子对应的补偿算法，基于所述扰动因子以及所述补偿算法确定当前控制周期的补偿因子；增量确定模块530，用于基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述当前控制周期的所述补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量；频率确定模块540，用于基于所述当前控制周期的目标控制频率增量以及所述当前控制周期的控制频率确定下一控制周期所述超声换能器的控制频率。
[0110]
本发明实施例的技术方案，通过相位采集模块获取超声换能器的集中等效电路的当前控制周期电流与电压之间的实际相位差，能够有效获取到集中等效电路的实际工作状
态，然后，通过补偿计算模块确定集中等效电路中的扰动因子以及与扰动因子对应的补偿算法，基于扰动因子以及补偿算法确定当前控制周期的补偿因子，能够采用与扰动因子适配的补偿算法精准计算出补偿因子，且将集中等效电路中的扰动因子与补偿因子关联，能够动态调整补偿因子，进而，通过增量确定模块基于当前控制周期的实际相位差、当前控制周期的补偿因子以及前一控制周期电流与电压之间的实际相位差确定超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量，实现对控制频率增量的动态补偿，最后，通过频率确定模块基于当前控制周期的目标控制频率增量以及当前控制周期的控制频率确定下一控制周期超声换能器的控制频率。解决了由于超声换能器的工作频率失谐或者超声换能器更换影响超声换能器甚至超声系统的工作效果和使用寿命的技术问题，取得了基于集中等效电路中的扰动因子对谐振频率进行动态追踪，使得超声换能器能够在谐振频率下工作，提升频率控制的鲁棒性的有益效果。
[0111]
可选地，所述增量确定模块包括：相位差获得单元、前一相位差获得单元和频率增量确定单元。
[0112]
其中，当前相位差获得单元，用于基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得当前控制周期的期望相位差；前一相位差获得单元，用于基于所述当前控制周期的所述实际相位差、所述前一控制周期的实际相位差和所述当前控制周期的补偿因子获得前一控制周期的期望相位差；频率增量确定单元，用于根据预先构建的pid控制器对所述当前控制周期的期望相位差和所述前一控制周期的期望相位差进行处理，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0113]
可选地，所述增量确定模块包括估计增量确定单元和目标增量确定单元。
[0114]
其中，估计增量确定单元，用于根据预先构建的pid控制器基于所述当前控制周期的所述实际相位差和所述前一控制周期的所述实际相位差，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标估计控制频率增量；目标增量确定单元，用于基于所述当前控制周期的目标估计控制频率增量和所述当前控制周期的补偿因子，确定所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0115]
可选地，所述pid控制器包括比例项和积分项；相应地，所述频率增量确定单元具体可用于：
[0116]
将所述pid控制器中的积分项对应的积分常数与所述当前控制周期的期望相位差相乘得到第一控制频率增量，其中，所述当前控制周期的期望相位差是通过将所述当前控制周期的所述实际相位差与所述当前控制周期的补偿因子相乘获得的；
[0117]
将所述pid控制器中的比例项对应的比例常数乘以所述前一控制周期的期望相位差得到第二控制频率增量；
[0118]
将所述第一控制频率增量与所述第二控制频率增量相加，得到所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0119]
可选地，所述pid控制器包括比例项和积分项；
[0120]
所述估计增量确定单元，具体用于将所述pid控制器中的积分项对应的积分常数与所述当前控制周期的所述实际相位差相乘得到第一估计控制频率增量，将所述pid控制器中的比例项对应的比例常数与相位差增量相乘得到第二估计控制频率增量；
[0121]
所述目标增量确定单元，具体用于将所述基于所述当前控制周期的目标估计控制
频率增量与所述当前控制周期的补偿因子相乘，得到所述超声换能器的当前控制周期的目标控制频率增量。
[0122]
可选地，所述补偿计算模块，用于确定所述集中等效电路的负载，基于所述负载确定扰动因子，其中，所述扰动因子包括动态电容、动态电感、动态电阻、静态电容、总阻抗、电压、电流或功率中的至少一个。
[0123]
可选地，所述补偿计算模块，具体用于根据所述负载与所述扰动因子之间存在的相关性，确定所述扰动因子；其中，所述相关性包括：正负相关或线性相关。
[0124]
可选地，所述超声换能器的控制装置还包括：
[0125]
补偿算法存储模块，用于在所述确定与所述扰动因子对应的补偿算法之前，基于所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差与当前控制周期的控制频率之间的关系确定与所述扰动因子对应的补偿算法，并将所述扰动因子与所述补偿算法对应存储；其中，所述补偿算法用于表示所述补偿因子与所述扰动因子之间的相关关系。
[0126]
可选地，所述补偿算法存储模块包括：工况划分单元、增益系数确定单元和补偿算法确定单元。
[0127]
其中，工况划分单元，用于基于所述扰动因子的取值区间划分出所述集中等效电路的多种工况；增益系数确定单元，用于基于每种工况对应的扰动因子和所述集中等效电路的当前控制周期的实际相位差、控制频率以及预先设置的第一多项式拟合函数确定所述当前控制周期的实际相位差和控制频率增量的增益系数；补偿算法确定单元，用于基于所述每种工况对应的扰动因子以及与所述扰动因子对应的增益系数，确定与所述扰动因子对应的补偿算法。
[0128]
可选地，所述补偿算法定单元，具体用于：
[0129]
基于所述每种工况对应的扰动因子、与所述扰动因子对应的增益系数以及补偿关系拟合函数，确定与所述扰动因子对应的补偿算法，其中，所述补偿关系拟合函数为所述第一多项式拟合函数或预先设置的第二多项式拟合函数。
[0130]
可选地，所述补偿计算模块，具体用于获取所述各种工况谐振状态下对应的扰动因子。
[0131]
可选地，所述第一多项式拟合函数为一阶多项式拟合函数，所述当前控制周期的实际相位差和控制频率增量的增益系数为一阶多项式拟合函数中的斜率；所述第二多项式拟合函数为二阶多项式拟合函数，用于确定扰动因子和与所述扰动因子对应的增益系数之间的关系。
[0132]
可选地，所述补偿计算模块，具体用于：
[0133]
基于所述扰动因子以及预先设置的扰动因子与工况之间的对应关系，获取在集中等效电路的工况下与所述扰动因子对应的补偿算法。
[0134]
可选地，所述补偿计算模块，具体用于：
[0135]
将所述扰动因子代入与所述扰动因子对应的所述补偿算法中进行计算，得到当前控制周期的增益系数；
[0136]
将预先设置的增益因子与所述增益系数的乘积作为当前控制周期的补偿因子。
[0137]
可选地，所述超声换能器的控制装置还包括：
[0138]
控制周期确定模块，用于基于所述超声换能器的谐振频率和所述超声换能器由瞬
态响应到稳态响应所需的激励周期的数量确定所述超声换能器的控制周期，其中，所述控制周期不小于所述谐振频率的倒数与所述激励周期的数量的乘积。
[0139]
本发明实施例所提供的超声换能器的控制装置可执行本发明任意实施例所提供的超声换能器的控制方法，具备执行超声换能器的控制方法相应的功能模块和有益效果。
[0140]
图8示出了可以用来实施本发明的实施例的医疗电子设备10的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备(如头盔、眼镜、手表等)和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
[0141]
如图8所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器(rom)12、随机访问存储器(ram)13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器(rom)12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器(ram)13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在ram 13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、rom 12以及ram 13通过总线14彼此相连。输入/输出(i/o)接口15也连接至总线14。
[0142]
具体地，存储器存储有本发明中任一实施例中的补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的系数数据和常数数据和/或可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的拟合和/或本发明中任一实施例所述的超声换能器的控制方法。
[0143]
进一步地，存储器可位于超声换能器或激发所述超声换能器的超声发生器中。
[0144]
电子设备10中的多个部件连接至i/o接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0145]
处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(ai)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法超声换能器的控制。
[0146]
在一些实施例中，方法超声换能器的控制可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到ram 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的方法超声换能器的控制的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法超声换能器的控制。
[0147]
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实
现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
[0148]
用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0149]
在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0150]
具体地，计算机可读存储介质存储有数据和/或计算机指令，所存储的数据为本发明中任一实施例中所述的补偿算法中一阶或二阶多项式拟合函数的系数数据和常数数据，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求本发明中任一实施例所述的超声换能器的控制方法。
[0151]
为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
[0152]
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(lan)、广域网(wan)、区块链网络和互联网。
[0153]
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与vps服务中，存在的
管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。
[0154]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0155]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。