CN102291920B

CN102291920B - 准谐振型高频x线机的控制方法和控制电路

Info

Publication number: CN102291920B
Application number: CN2011101891584A
Authority: CN
Inventors: 陈海辉; 曾莹莹; 王强; 黄小民
Original assignee: Jinggangshan University
Current assignee: Jinggangshan University
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN102291920A

Abstract

一种准谐振型高频X线机的控制方法和控制电路，所述控制方法包括管电流前馈—反馈控制方法、管电流前馈—串级控制方法、非线性实时补偿阴极空间电荷效应方法和管电压控制方法。所述控制电路包括整流桥电路1、高频逆变电路2、串并联谐振电容电感电路3和高频球电路4、由管电流控制电路5和管电压控制电路8构成一种新型的零电压软开关直流高压DC—DC变换器拓扑电路。本发明采用集成芯片构建低成本高可靠性的控制器；采用集成芯片MC34067构建高频准谐振，实现软开关快速控制管电压；采用TL494构建管电流前馈控制方案；单片机选择分段补偿电路（系数），实现非线性补偿阴极空间电荷效应。本发明适用于准谐振型高频X线机的控制。

Description

准谐振型高频X线机的控制方法和控制电路

技术领域

本发明涉及一种准谐振型高频X线机的控制方法和控制电路，属X线机控制技术领域。

背景技术

现代医学对X线机提出了动态响应要求。近年来CT管电流调制技术得到广泛认同，它是根据球管处于人体的不同方位适时调节管电流输出，以降低图像噪声，提高图像的信噪比和空间分辨率。如果X线机管电压、管电流的输出能随人体解剖结构、尺寸的变化而变化，那就真正达到了在保证图像质量的约束下达到最小辐射剂量，这就要求管电压、管电流动态响应尽可能快，在短时间内输出达到稳态，即实时动态输出。

X线管的发射特性：X线管的管电流不仅与灯丝加热电流有关，而且还会受到管电压的影响。在灯丝电流不变的情况下，施加不同的管电压，会得到不同的管电流，该现象称为阴极空间电荷效应。

工频供电X射线机中，多数设备是采用线性补偿或电压补偿来抵消、抑制空间电荷的影响，空间电荷抵偿变压器使灯丝加热电压随管电压增加而降低，从而保证管电流不变。这种方法精度不高，体积庞大，只能在某些工作点比较适合，显然不适应于高频X线机。

采用谐振电路，实现软开关是高频逆变的发展趋势。准谐型高频直流电源基本能保证X线管电压的起动过渡快速无超调。

公开号CN2564112公开了一种便携式牙科X射线机，提出了小容量组合式X线发生器电路构成。它包括一个控制箱和主机，主机包括逆变电路、高频整流电路、灯丝电路。该类电路不足之处在将逆变电路放置在主机内，难于保证其绝缘、抗干扰能力。

西门子公司的中国专利200310085526.0提出使用单个内存储信息位置图控制X射线管电流调制的方法。公开号 CN1647590公开了一种X射线管控制装置和X射线管控制方法，在控制装置储存与管电压值对应的动作程序。利用了存储单位的预存数值、数值计算结合而输出控制信号，但无法消除元器件、X发射管的电参数差异影响。

公开号CN1048780公开了一种用恒定闭环增益的Ｘ射线管电流控制方法，提出了管电流反馈信号用来控制Ｘ射线管灯丝电流，通过插入一个与管电流命令倒数成比例的信号，在管电流的宽范围内使反馈环路的增益保持基本不变。但该专利的管电流进行了固定比率补偿，即只进行了一段补偿，难以精确补偿X射线发射管阴极空间电荷效应。

公告号CN201450662U公开了一种高频直流Ｘ射线源组合式机头，其中电路部分包括高频高压变压器、倍压整流电路、Ｘ线管工况检测电路、发射管工况检测电路和温度检测电路。

发明内容

本发明的目的是，针对已有X线机存在的上述问题，提供一种高频直流X线机的管电压、管电流的精确控制方法和控制电路，以及快速有效地对阴极空间电荷效应进行非线性分段补偿的电路。

本发明的技术方案是，本发明通过以下策略来提高X线机动态响应性能，解决管电流响应慢、精度低等难题：

（1）基于X线机管电流的闭环控制策略，引入管电压实时信号（占空比）构建前馈控制环节，构成X线管阴极空间电荷效应的非线性实时动态补偿，以快速应对管电压大范围变动；

（2）引入灯丝电流作副控变量，构建灯丝电流的串级控制，以快速应对管电流的滞后，提高其精度和减少整个过程的时间常数；

（3）采用集成芯片研制高性能低成本控制器。采用MC34067构建主电路高频准谐振，实现软开关快速控制管电压；采用TL494构建管电流控制策略；采用单片机实现根据管电压范围段进行分段（非线性）补偿。

为了实现以上策略，发明一种基于MC34067的准谐振PFM控制的X线机管电压控制主电路，该电路包括整流桥电路、高频逆变电路、串并联谐振电容电感电路、高频球电路、管电流控制电路和管电压控制电路构成一种新型的零电压软开关直流高压DC—DC 变换器拓扑电路，构建准谐振高频牙科X线机主电路，如图1所示。管电压控制方法如附图2，其控制电路如图３，管电压控制电路的核心芯片为零电压开关谐振型控制器MC34067，采用恒关断时间而改变导通时间（频率）来达到改变占空比的方式稳定输出电压。

上述电路中，整流桥电路可以是四个整流二极管组成，也可以是集成整流堆组成；高频逆变电路由四个高频逆变功率开关管，如 IGBT管或MOSFET管组成组成，每个功率开关管边上并联了一个续流二极管、电阻作保护；串并联谐振电容电感电路包括接入的高频变压器T₀的寄生电容和寄生电感；高频球即高频直流X射线源组合式机头，高频球电路包括高频变压器T₀、倍压整流电路、X线发射管、检测电路；管电流控制电路包括灯丝加热电路和采用集成芯片TL494构成的管电流控制器；管电压控制电路包括高频逆变的驱动电路和采用芯片MC34067构成的管电压控制器。

X射线机管电流的实时动态控制，其干扰主要来自射线管阴极空间电荷效应的影响。如何自动快速适应管电压的大范围改变，改善管电流的动态响应性，必须在控制环节上实时精确引入管电压信号，主动应对管电压波动才能实现管电流的精密控制。造成灯丝电流漂移因素无法预知，同样影响着管电流的动态响应性能，这种干扰只能通过构建复杂控制系统以提高响应速度和精度。

为此本发明对管电压和管电流采取了下述方法进行控制。

管电压控制方法：采用MC34067芯片作管电压控制器，接受来自系统主机发出管电压设定值V_ref的指令，与X射线管管电压实际值V_h的反馈数值V_t（高频球管检测电路给出）进行比较，它们之差V_err输入给MC34067，MC34067根据V_err的大小而改变导通时间（频率）来达到改变占空比D_h的方式，决定给高频逆变电路的开关频率,通过高频变压器T₀，从而改变管电压的大小，使得管电压符合设定要求。

管电流控制方法：管电流可采取两种控制方法，即管电流前馈—反馈控制方法和管电流前馈—串级控制方法。

管电流前馈—反馈控制方法，该方法基于X线机管电流的闭环控制策略，引入管电压实时信号（占空比）构建前馈控制环节，构成X线管的阴极空间电荷效应的实时动态补偿，以快速应对管电压大范围变动。

管电流前馈—串级控制方法，该方法将X管电流前馈—反馈控制电路的TL494做主控制器，在其输出端增加一片TL494做副控器，在它们之间加一个频率转化电压电路，以该电压作为副控器的命令设定数值，将灯丝电流信号负反馈给副控器对灯丝电流对管电流的影响，减少整个传递过程的时间常数，提高管电流动态响应速度和静态精度，由此构建了管电流前馈—串级电路的控制。

本发明还采用了一种非线性实时补偿阴极空间电荷效应方法，该方法根据导通电阻Rdown与场效应管Q6、Q7开断时间有直接联系，而场效应管Q6、Q7又受管电压信号（Dh）的驱动，即实时反应了管电压信号。单片机根据管电压范围选择不同的补偿系数，实现整个电压范围内的非线性补偿，综合信息电路给出最终的补偿量，该量可做管电流控制的前馈电路，如输送给TL494第四脚做死区电压，从而控制TL494的PWM输出的截止百分比。

本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明采用集成芯片构建低成本高可靠性的控制器；采用集成芯片MC34067构建高频准谐振，实现软开关快速控制管电压；采用TL494构建管电流前馈控制方案；单片机选择分段补偿电路（系数），实现非线性补偿阴极空间电荷效应。通过这些控制方法可以研制出低成本高可靠性电路来实现精确而快速控制管电压、管电流控制，取得最佳控制效果，最佳动态响应。

本发明适用于准谐振型高频X线机的控制。

附图说明

图1是准谐振型高频X线机的主控制电路图；

图2是本发明的管电压控制框图；

图3是本发明的管电压控制电路图；

图４是本发明的管电流前馈—反馈控制方法框图；

图５管电流前馈—串级控制方法框图；

图６是管电流前馈—反馈控制电路图；

图７是本发明的灯丝加热电路图；

图８是本发明的分段补偿控制电路图；

其中：1是整流桥；2是高频逆变电路；3是串并联谐振电容电感；4是高频球管（高频直流X射线源组合式机头）；5是管电流控制电路；6是灯丝加热电路；7是采用集成芯片TL494的管电流控制器；8是管电压控制电路；9是高频逆变的驱动电路；10是采用芯片MC34067的管电压控制器；11是管电压的反馈检测；12是管电流反馈检测；13是空间电路补偿电路；14是灯丝电流检测；15是灯丝推挽电路；16是场效应管；17是场效应管附加电路；18是单片机选择电路；19是灯丝变压器；

Ia是管电流；V_h是管电压；I_f是灯丝电流；V_f是灯丝电压；D_f1、D_f2是占空比；D_h是高频逆变驱动占空比；η是补偿系数；f_h是干扰；fa是管电压Vh时的干扰；R_down是导通电阻；X tube是X射线管；

V_ref是管电压设定值；V_t是管电压反馈值；V_err是管电压误差值；

I_aref是管电流设定值；I_at是管电流反馈值；f_h是管电压V_h的干扰；

MC34067(1)、(2)……芯片MC34067的引脚1、2……；

TL494(1)、(2)……芯片TL494的引脚1、2……；

PWM是脉宽调制；F-on/off是灯丝加热信号；V死区截止电压；t_D是死区截止时间；mcu是单片机引脚。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1至图8所示。

图1为本发明实施例准谐振型高频X线机的主电路，功率变换采用零电压开关准谐振全桥变换器的主电路拓扑结构，它实际上是一种串并联混合谐振变换器，并联谐振电容Cp采用次级绕组在初级侧的等效分布电容；谐振电感Lr包括了高频变压器的漏感；串联谐振电容Cs为MOSFET管的输出电容和外加电容，它具有串联谐振变换器和并联谐振变换器各自的优点，适应X球管这样的大动态范围负载。

图2为本发明实施例的管电压控制结构框图；它包括管电压控制电路、高频逆变电路和高频球管，其中管电压控制电路包括高频逆变驱动电路和采用芯片MC34067的管电压控制器。

图3为本发明实施例的管电压控制电路。在管电压控制电路中，其核心芯片为零电压开关谐振型控制器MC34067，集成了误差比较器、运算器，采用恒关断时间而改变频率来达到改变占空比的方式稳定输出电压。其中， R1和C1决定谐振频率；Vt为阳极电压反馈信号，Vref为阳极输出设定值；MC34067的输出信号Vag，Vbg经驱动电路分别接主电路图1的开关管S1／S4，S2／S3。

图4是本发明实施例管电流前馈—反馈控制方法框图；该图显示基于X线机管电流的闭环控制策略，引入管电压实时信号（占空比）构建前馈控制环节，构成X线管的阴极空间电荷效应的实时动态补偿，以快速应对管电压大范围变动。

图5是本发明实施例管电流前馈—串级控制方法框图；图中所示引入灯丝电路作副控变量，构建灯丝电流的串级控制，应对灯丝电流对管电流的影响，减少整个传递过程的时间常数，提高管电流动态响应速度和静态精度。

图６是本发明实施例管电流控制电路框图；图7是对X射线管进行灯丝加热电路图。

图8是本发明实施例的分段补偿电路，图中导通电阻Rdown与场效应管Q6、Q7开断时间有直接联系，而场效应管Q6、Q7受管电压信号（Dh）的驱动，即实时反应了管电压信号。单片机根据管电压范围选择不同的补偿系数，实现整个电压范围内的非线性补偿，综合信息电路给出最终的补偿量，该量可做管电流控制的前馈电路，如输送给TL494第四脚做死区电压，从而控制TL494的PWM输出的截止百分比。

本发明实施例采用集成芯片MC34067构建高频准谐振，实现软开关快速控制管电压；采用TL494构建管电流前馈控制方案；采用单片机选择分段补偿电路（系数），实现非线性补偿阴极空间电荷效应，研制出低成本高可靠性电路来实现控制新策略。

MC34067输出时序不同的两组正极性驱动脉冲，专为驱动NPN型大功率开关管或N沟道MOSFET开关而设计。巧妙地利用了TL494的死区时间控制端，构建管电压对管电流控制的干扰前馈处理，也就是实现对X射线管阴极空间效应进行补偿。利用前馈可以提高系统响应速度，串级控制可以提高精度。

本发明实施例根据上述设计思路，研制的样机其技术路线为：

（1）本实施例样机主电路如图１，采用高频逆变IGBT，型号G4PC50UD；变压器自行绕制；采用外购的高频球管；

（2）本实施例样机采用TL494集成芯片作为核心部件对管电流进行PWM控制；MC34067集成芯片作为核心部件对管电压进行PFM控制，实现高频串并联混合零电压准谐振；

（3）本实施例样机系统主机采用高性能单片机PIC16F877A；

（4）本实施例样机管电压控制电路如图3为，其核心芯片为MC34067，采用恒关断时间而改变导通时间（PFW）来达到改变占空比的方式稳定输出电压；

（5）本实施例样机管电流控制电路如图6，其核心芯片为TL494，采用脉宽调制（PWM）；

（6）本实施例样机管灯丝加热电路如图7，采用推挽电路，核心芯片为IRF640，将DC15V电压转换成３～５V高频高频方波信号经变压器降压隔离接至灯丝两端，输出电压的有效值大小受两个互补驱动信号的占空比决定，控制芯片为TL494；

（7）本实施例样机非线性实时补偿阴极空间电荷效应电路图，如图8，场效应管Q₆、Q₇；单片机即系统主机，PIC16F877A；

（8）本实施例样机将图6管电流前馈—反馈控制电路的TL494做主控制器，在其输出端增加一片TL494做副控器，他们之间要加一个频率转换电压电路，该电压作为副控器的命令设定数值，将灯丝电流信号负反馈给副控器，就构建了管电流前馈—串级控制电路；

（9）本实施例样机开发出该控制模式参数整定的专用调试软件、控制器，该软件有人机界面，便于人们整定控制参数，取得最佳控制效果，最佳动态响应；实验比较管电流控制方案的实际效果，考察管电流空间电荷效应的补偿效果、灯丝漂移影响；比较主电路软、硬开关的实验对比效果。

Claims

1.一种准谐振型高频X线机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）管电流前馈—反馈控制方法；所述方法基于X线机管电流的闭环控制策略，引入管电压实时信号构建前馈控制环节，构成X线管的阴极空间电荷效应的实时动态补偿，以快速应对管电压大范围变动；

（2）管电流前馈—串级控制方法，所述方法将X管电流前馈—反馈控制电路的芯片TL494做主控制器，在其输出端增加一片芯片TL494做副控器，在它们之间加一个频率转化电压电路，以该电压作为副控器的命令设定数值，将灯丝电流信号负反馈给副控器，以提高管电流动态响应速度和静态精度，由此构建了管电流前馈—串级电路的控制；

（3）非线性实时补偿阴极空间电荷效应方法，所述方法利用导通电阻（Rdown）的大小与场效应管（Q6）、（Q7）的开断时间有直接联系，而场效应管（Q6）、（Q7）又受管电压信号的驱动，即实时反应了管电压信号，单片机根据管电压范围选择不同的补偿系数，实现整个电压范围内的非线性补偿；

（4）管电压控制方法，所述方法采用MC34067芯片作管电压控制器，接受来自系统主机发出管电压设定值（Vref）的指令，与X射线管管电压实际值（Vh）的反馈数值（Vt）进行比较，它们之差Verr输入给芯片MC34067，芯片MC34067根据Verr的大小而改变导通时间来达到改变占空比Dh的方式，决定给高频逆变电路的开关频率,通过高频变压器T0，从而改变管电压的大小，使得管电压符合设定要求。

2.一种准谐振型高频X线机的控制电路，所述电路包括整流桥电路、高频逆变电路、串并联谐振电容电感电路和高频球电路，其特征在于，所述控制电路还包括由管电流控制电路和管电压控制电路构成一种新型的零电压软开关直流高压DC—DC 变换器拓扑电路。

3.根据权利要求2所述的一种准谐振型高频X线机的控制电路，其特征在于，所述管电压控制电路包括高频逆变的驱动电路和采用芯片MC34067构成的管电压控制器，芯片MC34067采用恒关断时间而改变导通时间来达到改变占空比的方式稳定输出电压。

4.根据权利要求2所述的一种准谐振型高频X线机的控制电路，其特征在于，所述管电流控制电路包括灯丝加热电路和采用集成芯片TL494构成的管电流控制器。