CN102201702A - 用于补偿感应耦合器中的系统公差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于补偿感应耦合器中的系统公差的方法。感应耦合器包括功率发生器，其将交流电提供至由谐振电容器和感应旋转传输装置形成的串联谐振电路。首先，由功率发生器将具有至少一个交流周期的短序列提供至串联谐振电路。然后，串联谐振电路被短路。第一谐振频率被测量。然后由功率发生器产生具有多个交流电压周期的较长序列，从而在负载处建立给定的小电压。现在在谐振电路被短路的同时测量第二谐振频率。然后由这两个谐振频率确定用于功率发生器的至少一个校正变量。

Description

用于补偿感应耦合器中的系统公差的方法

技术领域

本发明涉及用于非接触电力传输的感应耦合器(inductive coupler)，其尤其用于计算机断层扫描。使用这些感应耦合器，主要供X射线管运行的电力从计算机断层扫描设备的台架的固定侧被传输至旋转侧。这里，借助于以类似于变压器的方式建立的感应旋转接头(inductive rotary joint)，来无接触地实现传输，其中，初级侧和固定侧可以相对彼此旋转。

背景技术

如果具有可相对彼此移动的单元，诸如雷达设备或计算机断层扫描设备，与诸如吊运装置或传送带等线性可移动单元(linearly movable unit)的情况类似，经常需要在可移动单元之间传输电能。为了无接触地传输该能量，优选地使用感应耦合器。这相对于机械滑轨或滑环具有优势，因为大大减少了磨蚀、磨损、移动耦合器所需的机械力、以及维护工作量。术语“感应耦合器”在此表示用于产生交流电压的电路和用于在可相对彼此旋转的两个部分之间传输能量的感应传输装置或旋转接头，尤其是指可旋转的部分。

感应旋转传输装置，例如在美国7,197,113中所公开的，具有铁或铁氧材料的磁芯，并且在可相对彼此旋转的单元的每侧上具有至少一个绕组。交流电被提供至第一绕组，并且通过可相对第一绕组移动的第二绕组流出。

美国7,054,111示出了用于计算机断层扫描的感应功率传输系统的完整电路，包括相关联的电力电子器件。

使用导电耦合的滑环，将预定电压从定子侧传输至转子侧是很简单的。在此，只有相对较小的欧姆损耗必须被考虑。使用感应旋转传输装置，旋转传输装置的杂散电感(stray inductance)具有相当大影响。其呈现出依赖于频率的阻抗，大大影响了旋转传输装置的传输特性。杂散电感取决于各种因素，诸如定子侧和转子侧的绕组的电感，还取决于磁结构。现在，为了通过这种旋转传输装置传输电能，串联电容被串联连接用于补偿。这样，得到串联谐振电路。它在其谐振频率处具有零阻抗，并且允许传输大功率。为了控制功率流，可以选择与谐振频率不同的工作频率。

代替串联谐振电路，也可以通过将电容并联连接来构成并联谐振电路。下面所描述的特性类似地应用于并联谐振电路。在其谐振频率处，该谐振电路具有几乎为零的阻抗，并且在这里允许传输大功率。输出电压可以通过改变阻抗被控制，改变阻抗可以通过改变开关频率(switching frequency)来实现。

谐振电路中的电感呈现出依赖于频率的阻抗，其大大影响旋转传输装置的传输特性。这些电感取决于各种因素，诸如磁路的结构和导磁率、绕组的结构、以及尤其是定子侧和转子侧之间的空气间隙。这些因素在串联结构中不是恒定的，而是经受特定公差(tolerance)。已知有各种手段，用于对于有关的主要涉及的部件在串联中出现的所有的值，使旋转侧上的输出电压维持在可接受限度内，所述主要涉及的部件具体是谐振电容器、匹配变压器、以及感应旋转传输装置。一种可能性是测量输出电压并将该输出值反馈至固定侧。然而，为此，需要旋转传输装置，这导致额外的花费并需要空间。

另一种可能性是在旋转侧上在旋转变压器的次级侧和输出之间附加地安装转换器级，通常是DC-DC转换器。在这些转换器级中，往往使用降压或升压转换器，但是诸如Zeta或转换器等其他转换器也是可以的。这种下游连接的转换器级的输入电压可以在宽范围内波动，而输出电压保持恒定。然而，这种解决方案在旋转侧需要附加的转换器，这增加了成本，还增加了布置的重量和体积。

发明内容

本发明基于这样一个目的，即，设计感应耦合器，尤其是感应旋转传输装置，以使得通过使用初级侧控制，输出电压可以被维持为几乎恒定，而与电部件的机械和电公差无关。本发明的另一方面是用于使感应耦合器的输出电压维持恒定而与电部件的机械和电公差无关的方法。此外，根据本发明，不需要用于为了传输次级侧上的输出电压的测量值而将反馈或控制信号从次级侧传输至初级侧的旋转传输装置。

根据本发明的方法应用于感应耦合装置，优选地应用于感应旋转传输装置。感应耦合装置包括功率发生器，用于产生脉冲直流或交流电。此外，它包括感应功率传输装置，其中的初级侧和次级侧可相对彼此移动。该功率传输装置包括具有至少一个初级绕组的初级侧，以及具有至少一个次级绕组的次级侧。此外，电容，优选是以谐振电容器的形式，与初级绕组串联地插入，从而得到串联谐振电路。为了传输功率，功率发生器的脉冲直流电压或交流电压被提供到该串联谐振电路中，从而在初级绕组中产生交变磁场。这又在次级绕组中感应出提供给负载的电流。为了在初级绕组和次级绕组之间更好地进行耦合，提供具有软磁材料的部件，优选是铁或铁氧体部件。可选地可以提供匹配变压器。为了控制该方法，优选地提供控制装置。本发明的方法包括3个部分，每个部分可被细分成若干步骤：a，b，c，d，e，f，g。前两个部分涉及不同的谐振频率测量，而第三部分涉及测量结果的评估。前两个部分被执行的顺序可以改变，而不会由此改变该方法的基本要点。这得到步骤顺序d，e，f，a，b，c，g。

第一部分包括这些步骤：

a)产生具有至少一个直流电压脉冲或一个交流电压周期的短序列；

b)短路串联谐振电路；

c)测量所述串联谐振电路中产生的振荡的频率作为第一频率；

第二部分包括这些步骤：

d)产生具有多个直流电压脉冲或多个交流电压周期的较长序列，从而在负载(12)处建立给定的小电压；

e)短路串联谐振电路；

f)测量所述串联谐振电路中产生的振荡的频率作为第二频率；

第三部分包括这个步骤：

g)通过计算、估计或在数值表的帮助下，从步骤c和f测得的频率确定用于控制功率发生器的控制参数。

在第一部分中，功率发生器将具有至少一个直流脉冲或至少一个交流周期的短序列提供到谐振电路中。优选地，该序列包括少于10个并且最优选为一个脉冲或周期。在下一步骤，串联谐振电路被短路。因此，导致其以第一谐振频率振荡。在第三步骤，测量该谐振频率。该第一谐振频率由谐振电容器以及由在该串联谐振中有效的电感来确定。根据图2的等效电路图，这些主要是感应旋转传输装置的第一串联电感和第二串联电感。在匹配变压器连接在功率发生器和感应功率传输装置之间的情况下，其第一串联电感和第二串联电感也影响到谐振频率。

在第二部分，功率发生器产生具有若干个直流电压脉冲或若干个交流电压周期的较长序列。该较长序列使确定量的能量被传递至次级侧，在次级侧，位于整流电路之后的适当的充电电容器被充电。该充电电容器优选地以低于额定电压的电压被充电，从而该电路在可以是例如X射线源的负载处还没有被激活。接下来，该串联谐振电路被短路。在下一步骤中，测量第二谐振频率。第二谐振频率现在由不同于第一谐振频率的情况的其他部件确定。只要串联谐振电路仅具有小的振荡幅度，充电电容器的充电现在就使得整流二极管的极性为非导通方向。从而，当前的具有负载的电路与电路的其余部分去耦合(decouple)。因此，如图3中所示，感应功率传输装置的次级侧对串联谐振不做贡献。串联谐振仅仅由旋转传输装置的第一串联电感和第一并联电感以及——根据具体情况——由匹配变压器的第一串联电感和第一并联电感来确定。因为基本上，旋转传输装置的初级绕组的第一并联电感远大于第二串联电感，所以旋转传输装置的第一串联电感和第一并联电感之和现在得到远大于在第一部分中旋转传输装置的第一串联电感和第二串联电感之和的电感。因此，第二谐振频率明显低于第一谐振频率。感应旋转传输装置的电感非常依赖于旋转传输装置的空气间隙，并且对于相对小的空气间隙公差，已经变化相当大。

现在在第三部分，确定用于控制初级侧的控制参数的至少一个值，由此可以设置输出电压。这可以通过计算、估计或读出数值表来实现。优选地，功率发生器的工作频率被确定作为控制参数。可替换地或附加地，功率发生器的输入电压(中间电路电压)也可以被设置，例如由上游转换器或功率因子校正电路来产生。基本上，也可以使用调节电路的内部校正变量的校正参数，来取代控制参数。因此，特别作为例子，发生器频率或输出电压的预定值可以使用该校正参数来校正。

因为现在已经在第一部分和第二部分对于不同的频率执行了两个不同的测量，其中涉及了功率传输装置的不同部件，所以现在可以计算出功率传输装置的初级侧的电感和/或功率传输装置的杂散电感，其中假设部件的其余值，例如谐振电容器的电容以及——根据具体情况——匹配变压器的电感，是已知的或者被定义为恒定值。利用该电感，现在可以找到功率发生器的用于传输给定功率或用于在输出端得到合适的输出电压或输出电流的最佳工作点或最佳工作频率。

为了生成用于计算控制参数的数值表或公式，在校准阶段，多维数值表，诸如图9中示出的，可以被记录下来作为参考。这可以通过故意改变诸如空气间隙和谐振电容等参数来实现，使用空气间隙和谐振电容来设置两次测量的谐振频率。通过调节空气间隙，根据部分2的测量中获得的谐振频率被改变，而通过改变谐振电容或杂散电容，根据部分1的测量中获得的谐振频率被改变。对于每个测量的频率对，控制参数的值——在图9中，这例如是逆整流器的开关频率——被确定，该值是将输出电压设置为期望值所需的。多维曲线族被记录在例如可以是功率发生器的一部分的控制器或调节控制器的存储器中。当在串联装置中已经执行了两次测量之后，并且两次频率测量都可用时，就能够例如通过内插确定对于任何测量的频率对，控制参数的适当值。可替换地，代替曲线族，也可以记录描述控制参数和两个谐振频率之间的函数关系的公式，并用于确定控制参数的适当值。

所述的本发明的方法现在可以应用于功率传输装置的可移动部件之间的各种位置，特别是用于旋转传输装置的不同角位置。因此，在旋转传输装置的情况下，可以确定电感或最佳工作频率依赖于角位置的函数。在一种有利的方式中，在计算机断层扫描的初始操作过程中，执行初始化或测量序列，其中根据计算机断层扫描设备的台架的旋转部件的至少一次旋转的角位置，执行本发明的方法。

为了验证测量，或为了增加测量的准确度，连续执行多次测量是有利的。可以检查每次测得的频率的合理性(plausibility)。因此，错误的测量可以被筛除。整个测量的精度可以通过确定算术平均值而增加。

适当地，将期望测量值位于先前规定的范围内。该可允许范围得自于最大公差。如果现在从两种测量方法之一得到的测量值位于该可允许范围之外，则这可能意味着装置的故障，例如，导致其本身无法被直接测量的太高或太低的输出电压。利用上述方法，可以检测这种故障并且发出错误信号。从而，该装置然后可以被关闭，以及例如给出适当的维修报警信号。以该方式，检测机械或电部件的不允许的高公差。这些公差可能例如在寿命期间、在说明书中设置的范围之外操作期间、或随着材料的缺陷而改变，并且可能变得大于可允许的极限值。

在另一个实施例中，可以使用辅助发生器代替功率发生器，用于产生具有至少一个直流电压脉冲或一个交流电压周期的序列。与能够给X射线管负载馈电的发生器相比，该辅助发生器仅需要提供比较低的功率，并且其设计可以相应地简单。此外，可以提供适当的辅助开关，用于短路串联谐振电路。

有利地，也可以在负载下执行测量。可选地，负载状况的历史可以被评估以确定用于测量的适当时间点。在操作过程中，或在没有发出X射线辐射的短间隔时，可以检测并从而补偿操作的影响，诸如由于温度增加而导致的热膨胀。

本发明的方法还适于具有多个初级绕组和/或多个次级绕组的感应旋转传输装置。

本发明的进一步的主题是具有用于执行上述方法的控制装置的感应耦合器装置。

本发明的进一步的主题是具有上述感应耦合器装置的计算机断层扫描设备。

为了表述的简洁，在该文档中给出的解释涉及用于在可相对彼此旋转的单元之间传输能量的感应旋转传输装置。然而，本领域技术人员显然可知，同样的原理也可以应用于可相对彼此任意移动的单元之间的非接触能量传输，特别是线性可移动单元。为此，仅仅需要使旋转传输装置的几何设计适应这种移动的轨迹和类型。在此，本发明的测量方法可以有利地被应用。

附图说明

下面将参考附图，通过实施例的示例，以示例而非限制一般发明原理的方式描述本发明。

图1示意性地示出了根据本发明的感应旋转传输装置的等效电路图。

图2示出了在第一测量操作过程中电路中的电流路径。

图3示出了在第二测量操作过程中电路中的电流路径。

图4示出了在第一测量操作过程中，功率发生器的输出电流的时间路径。

图5示出了在第二测量操作过程中，功率发生器的输出电流的时间路径。

图6示意性示出了根据本发明的感应功率传输装置的设计。

图7示意性示出了根据本发明的另一功率传输装置的设计。

图8示意性示出了计算机断层扫描设备。

图9示出了3维曲线族的示例，利用该3维曲线族，从两次测量确定用于校正变量(在此为开关频率)的正确值。

图10作为示例示出了3D曲线族，其示出了从中确定的空气间隙宽度91、谐振电容90和第一频率92之间的关系。

具体实施方式

在图1中，示意性示出了根据本发明的感应旋转传输装置的等效电路图。功率发生器50包括功率开关51，用于从这里未示出的直流输入电压产生脉冲直流电压或交流电压。该开关可以例如是半桥或全桥。优选地，这里使用诸如FET或IGBT的功率晶体管。在开关的输出处设有谐振电容器52，其与电路的其他电感一起形成谐振电路。功率发生器50以输出电压55将输出电流54提供至匹配变压器60。这也是通过等效电路图示出的。匹配变压器60包括彼此磁耦合的第一并联电感62和第二并联电感63，还包括第一串联电感61和第二串联电感64。该匹配变压器用于使功率发生器的阻抗或电压水平与下游的感应旋转传输装置70或负载电路80相匹配。感应旋转传输装置70这里也由等效电路表示。传输装置本身包括初级电感(第一并联电感)72和次级电感(第二并联电感)73。两者通过这里示意性表示的旋转间隙75——即，转子和定子之间的空气间隙——彼此分开。第一串联电感71和第二串联电感74也在这里被示出。负载电路80连接在旋转传输装置的转子侧。负载电路80包括整流器81以及充电电容器82和负载——这里由负载电阻器83表示。整流器81可以是根据现有技术的单向整流器、桥整流器、或优选地是同步整流器。这里示出的电路是实施例的优选示例。根据本发明的感应旋转传输装置或根据本发明的方法也可以在没有匹配变压器60的情况下工作。这不是绝对必要的，然而，其大大增加了在设计整个布置的过程中的灵活性。而且，使用其可以实现进一步的分压。此外，谐振电容器52也可以布置在电路的其他位置，从而得到串联谐振电路。

图2示出了根据本发明的第一测量操作。通过功率开关51，经由谐振电容器52将短电流或电压脉冲或短脉冲序列发送至电路。然后，使用功率开关或辅助开关将功率开关的输出短路，从而谐振电路本身可以以其固有频率振荡。这里，串联谐振电路由谐振电容器52和串联电感61，64，71和74形成，其给负载电阻84馈电。通常，该负载电阻不对应于具有通过X射线管的额定负载的负载电阻83，因为X射线管还不能通过低的传输能量开始工作。因为整流器81将电流引入到因此被充电的充电电容器82中，所以得到该负载电阻。从谐振电路中汲取为充电电容器充电所需的能量。这里，如图4所示，产生第一谐振频率的衰减振荡。

在图3中，示出了在根据本发明的第二测量操作中的电流路径。在测量的准备过程中，使用功率开关51产生具有定义长度的脉冲序列，并将其提供至旋转传输装置的谐振电路。因此，充电电容器82被给予一定电荷，以及明确的电压。在第二步骤中，功率开关51的输出再次被短路电路53短路。这里该电路也以固有频率振荡。因为充电电容器82已经被前述脉冲包充电至预定电压，所以整流器81仅在整流二极管的阳极的电压的最大幅度超过阴极的电压时进入导通状态。当谐振电路中的测量电压小于充电电容器82的电压时，整流器81的一个或多个整流二极管固定地保持在非导通状态。因此，谐振电流不再从感应旋转传输装置的次级绕组和电感74流过输出侧电路。现在谐振电容器52的谐振频率由电感61，64，71，以及尤其是由旋转传输装置的初级绕组的相对高的电感72确定。因为通常该电感远大于电感74，所以这里得到低得多的谐振频率，如图4所示。由该谐振频率，现在可以得到关于旋转传输装置的初级绕组的第一并联电感72的结论。

图4示出了在一个布置示例中，在第一测量操作过程中功率发生器的输出电流54作为时间的函数的路径。这里，下面的水平轴表示以微秒为单位的时间，范围从左侧的0微秒至右侧的1000微秒。垂直轴表示电流，从图的下端的-50安培至上端的+50安培。这里，非常容易辨别是阻尼振荡。这里也看不到由电阻负载导致的非周期阻尼。与之不同，电流随着周期的数量而线性减小，表示在每个振荡周期从振荡电路获取恒定量的能量。充电电容器82使用这个量的能量逐步充电。

图5示出了在第二测量过程中，功率发生器的输出电流54的路径。与图4一样，这里在水平轴上也示出从0至1000微秒的时间。在垂直轴上，示出通过谐振电路的电流，从下端的-10安培至上端的+15安培。这里得到的振荡的频率远低于前面测量的第一曲线的情况。

图6示意性示出了根据本发明的感应功率传输装置的设计，其优选地被设计为旋转传输装置。该功率传输装置具有通常被安装得固定的初级侧20，以及通常被安装得可移动或旋转的次级侧10。当然，初级侧和次级侧也可以交换，从而能量可以从可移动侧传输至固定或静止侧。这里，可移动的次级侧是感应功率传输装置的次级绕组，其将其能量传递至负载12。该负载可以是例如计算机断层扫描设备的X射线管。该初级侧包括功率传输装置的初级侧21，其通过匹配变压器22由功率发生器23馈电。功率发生器23具有逆变器25以及谐振电容器24。代替在逆变器输出端的谐振电容器，也可以在该电路中布置与期望的电感串联的一个或多个电容器。

图7示意性示出了根据本发明的另一功率传输装置的设计，其适于并联谐振操作。例如，谐振电容器24在这里与功率传输装置的初级侧21并联连接。基本上，用于产生并联谐振的谐振电容器也可以与任何其他电感并联连接。也可以提供多个谐振电容器。为了串联或并联谐振的组合操作，也可以串联连接至少一个其他谐振电容器，如前面图中所示的示例。

在图8中示意性示出了根据本发明的具有感应旋转传输装置的计算机断层扫描设备的设计。旋转传输装置的固定部分悬挂在承力架110中。台架109的旋转部分相对于台架109被旋转地支撑并在旋转方向108上旋转。这里布置有用于产生X射线束102的X射线管101，其放射穿过躺在台107上的病104，被检测器103截住并转化为电信号。为了传输来自供电单元111的电能，感应功率传输线100与感应耦合器和感应旋转传输装置一起被提供。这里，初级侧布置在固定部分上，而次级侧布置在旋转部分上。由检测器103检测到的数据被传输至评估单元106。控制总线105为此服务，利用控制总线，台架本身也可以由评估单元控制。

在图9中，通过示例示出了3D曲线族，利用该3D曲线族，由两次谐振频率测量确定用于校正变量(这里为开关频率)的正确值。通过故意改变电感和电容来在参考系统中事先测量该曲线族。例如，其可以被存储在诸如DSP或微控制器的闪存等永久存储器中。如果利用串联装置测得的谐振频率的值在两个已确立的点之间，则执行适当的内插以实现尽可能小的误差。轴94(脉冲频率)示出了在第一部分测得的频率在34至44千赫兹的范围内。轴93(振荡频率)示出了在第二部分测得的频率在15至30千赫兹的范围内。轴95(设定频率)示出了输出参数，这里例如，发生器频率在30至50千赫兹范围内。

图10中作为示例示出了3D曲线族，其示出了从中确定的空气间隙宽度91、谐振电容90和第一频率92之间的关系。轴91示出空气间隙的宽度在0.4mm至2.0mm的范围内。轴90示出谐振电容在72至88纳法(nanofarad)的范围内。轴92示出在第一部分测得的第一频率在34至46千赫兹的范围内。

参考标号

10  可移动侧

11  功率传输器的次级侧

12  负载

20  固定侧

21  功率传输器的初级侧

22  匹配变压器

23  功率发生器

24  谐振电容器

25  逆变器

50  功率发生器

51  功率开关

52  谐振电容器

53  短路

54  功率发生器的输出电流

55  功率发生器的输出电压

60  匹配变压器的等效电路图

61  匹配变压器的等效电路图的第一串联电感

62  匹配变压器的等效电路图的第一并联电感

63  匹配变压器的等效电路图的第二并联电感

62  匹配变压器的等效电路图的第二串联电感

70  感应旋转传输装置的等效电路图

71  感应旋转传输装置的等效电路图的第一串联电感

72  感应旋转传输装置的等效电路图的第一并联电感

73  感应旋转传输装置的等效电路图的第二并联电感

74  感应旋转传输装置的等效电路图的第二串联电感

75  旋转间隙

80  负载电路

81  整流器

82  充电电容器

83  具有额定负载的负载电阻

84  测量的负载电阻

90  谐振电容

91  空气间隙宽度

92  脉冲频率

93  振荡频率

94  脉冲频率

95  设定频率

100 感应功率传输装置

101 X射线管

102 X射线束

103 检测器

104 病人

105 控制总线

106 评估单元

107 台

108 旋转方向

109 台架的旋转部分

110 台架的固定框架

Claims (10)

1.一种用于补偿感应耦合器的电部件的公差的方法，所述感应耦合器包括用于产生脉冲直流电压或交流电压的功率发生器(23)，所述脉冲直流电压或交流电压被耦合到具有至少一个谐振电容器(24)和一个感应功率传输装置(11，21)的串联谐振电路和/或并联谐振电路中以便给负载(12)馈电，所述方法包括以下步骤：

a)产生具有至少一个直流电压脉冲或一个交流电压周期的短序列；

b)短路所述串联谐振电路；

c)测量所述串联谐振电路中产生的振荡的频率作为第一频率；

d)产生具有多个直流电压脉冲或多个交流电压周期的较长序列，从而在负载(12)处建立给定的小电压；

e)短路所述串联谐振电路；

f)测量所述串联谐振电路中产生的振荡的频率作为第二频率；

g)通过计算、估计或在数值表的帮助下，从步骤c和f中测得的频率确定用于控制所述功率发生器的控制参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述感应耦合器是感应旋转传输装置。

3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

在所述功率发生器和所述一个感应功率传输装置之间设置匹配变压器。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

所述步骤以d、e、f、a、b、c、g的顺序被执行。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

使用步骤a至f执行测量序列，其中确定所述数值表，所述数值表优选地存储在永久存储器中，在以后为步骤g使用所述数值表。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

在X射线发射的短暂操作停顿期间执行所述方法。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

当所述第一频率和/或第二频率位于给定的值范围之外时，发出错误信号。

8.一种感应耦合器装置，包括用于执行权利要求1的方法的控制装置。

9.一种计算机断层扫描设备，包括感应耦合器装置和用于执行权利要求1的方法的控制装置。

10.一种计算机断层扫描设备，包括感应耦合器装置、在功率发生器和一个感应功率传输装置之间的匹配变压器、以及用于执行权利要求1的方法的控制装置。

Images