CN103414345B - 一种用于x射线管的负高压直流集成电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于X射线管的负高压直流集成电源及其控制方法，该装置包括负高压发生模块、控制模块和灯丝交流电压发生模块。负高压发生模块包括第一PWM发生电路、第一逆变电路、第一谐振电路、高频升压变压器和倍压整流电路；灯丝交流电压发生模块包括第二PWM发生电路、第二逆变电路、第二谐振电路和高频降压变压器；控制模块包括采样反馈电路、控制电路和输入输出控制电路。该方法为X射线管负高压直流电压和X射线管的管电流的双闭环控制并将滑模变结构控制方法应用于具有高频变结构特性的负高压控制回路中，使得负高压稳压回路具有较好的鲁棒性。小功率的X射线管采用此负高压直流集成电源一般不需要水冷装置，体积小且便于X射线管散热。

Description

一种用于X射线管的负高压直流集成电源及其控制方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种用于X射线管的负高压直流集成电源及其控制方法。

背景技术

X射线管若能够产生X射线，需要一个管用高压直流电源和一个低压灯丝电源。目前现有的X射线管用高压直流电源是一个正电压的集成电源，即将管用高压电源与灯丝低压电源集成在一起，高压管用电源和低压灯丝电源皆为直流正电压电源，如图1所示，高压直流电源引出3根线：高压直流电源的端子5引出一根高压线分别连接X射线管的阳极端1及X射线管的端子3，高压直流电源的端子6引出一根高压线连接X射线管的端子2，高压直流电源的端子7引出一根线接地。X射线管的端子1和X射线管的端子2间具有0～5伏的直流电位差作为灯丝电源，X射线管的阴极端4接地。X射线管工作时，灯丝产生的电子流在高压电场作用下撞击钨靶，此时电子流的小部分能量用于产生X光，大部分能量转化为热量使得钨靶处温度极高，这种设计由于X射线管阳极直接连接高压线而没有连接散热装置，散热差，因此需要在X射线管上增加水冷装置进行散热，导致装置复杂，增加了仪器成本。

现有的X射线管用高压电源中，高压直流电压的闭环稳压控制一般由经典PID控制算法实现，该控制方法可以实现基本的控制功能。但由于采用开关电源技术的高压直流电源，一般有较高的频率，其控制模型本身具有高频变结构的特点。PID算法并不适用于这样的控制条件，其表现就是当系统发生参数变化时，PID算法不能够继续发挥控制作用，具有较差的鲁棒性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于X射线管的负高压直流集成电源及其控制方法。

本发明的技术方案是：

一种用于X射线管的负高压直流集成电源，包括：

负高压发生模块、控制模块和灯丝交流电压发生模块；负高压发生模块的一个输出端连接X射线管，负高压发生模块的另一个输出端连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接负高压发生模块的输入端和灯丝交流电压发生模块的输入端，灯丝交流电压发生模块的输出端连接X射线管；

负高压发生模块包括第一PWM发生电路、第一逆变电路、第一谐振电路、高频升压变压器和倍压整流电路；第一PWM发生电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一谐振电路的输入端，第一谐振电路的输出端连接高频升压变压器的输入端，高频升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的一个输出端作为负高压发生模块的输出端连接控制模块的输入端，倍压整流电路的另两个输出端中，一个输出端连接X射线管的阴极端，另一个输出端与X射线管的阳极端共地；

灯丝交流电压发生模块包括第二PWM发生电路、第二逆变电路、第二谐振电路和高频降压变压器；第二PWM发生电路的输出端连接第二逆变电路的输入端，第二逆变电路的输出端连接第二谐振电路的输入端，第二谐振电路的输出端连接高频降压变压器的输入端，高频降压变压器的两个输出端连接X射线管的灯丝两端；

控制模块包括采样反馈电路、控制电路和输入输出控制电路；采样反馈电路的两个输入端作为控制模块的两个输入端，其中一个输入端连接负倍压整流电路的一个输出端，另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，采样反馈电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路的两个输出端作为控制模块的两个输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端，控制电路的另一个输出端连接输入输出控制电路的输入端，输入输出控制电路的输出端连接控制电路的输入端。

负高压发生模块用于产生负高压直流电压为X射线管供电，并将产生的负高压直流电压信号反馈至控制模块。

灯丝交流电压发生模块用于产生低压交流电压为X射线管的灯丝供电。

控制模块用于实时采集负高压发生模块产生的负高压直流电压信号和实时采集X射线管的管电流信号，并根据设定的负高压直流电压参考值及X射线管的管电流参考值，实时控制负高压发生模块产生X射线管所需的负高压直流电压和实时控制灯丝交流电压发生模块产生低压交流电压，以得到所需的X射线管的管电流。

采样反馈电路包括电压采样反馈电路和电流采样反馈电路，电压采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的一个输入端连接倍压整流电路的一个输出端，电压采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的一个输出端连接控制电路的一个输入端；电流采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，电流采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的另一输出端连接控制电路的另一个输入端。

输入输出控制电路包括按键输入电路、模拟量输出电路、显示电路、过压和过流指示电路；按键输入电路的输出端连接控制电路的一个输入端，显示电路的输入端、过压和过流指示电路的输入端及模拟量输出电路的输入端均与控制电路的输出端连接，模拟量输出电路的输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端。

用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：输入输出控制电路设定X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值并输出至控制电路；

步骤2：控制电路根据接收到的X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值分别控制第一PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波及控制第二PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波；

步骤3：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第一谐振电路传输至高频升压变压器进行升压处理后得到高频正弦交流电压，再送入倍压整流电路进行负倍压和整流处理得到的负高压直流电压输出至X射线管的阴极端为X射线管供电，在X射线管阴极端和阳极端之间形成高压电场；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第二谐振电路传输至高频降压变压器，进行降压处理后得到低压交流电压并输出至X射线管的灯丝两端为X射线管的灯丝供电；

步骤4：采样反馈电路实时对负高压发生模块输出的负高压直流电压和X射线管的管电流进行采样，并将采样得到的负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值传送至控制电路，同时对负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值进行显示；

步骤5：控制模块对负高压发生电路产生的负高压直流电压的控制，执行步骤6；控制模块控制灯丝交流电压发生模块产生的的低压交流电压实现X射线管的管电流的控制，执行步骤7；

步骤6：控制电路实时计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值，并计算负高压直流电压输出值变化率，并采用滑模变结构控制算法计算出用于控制第一PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量，并执行步骤8；

步骤6-1，建立负高压发生模块的传递函数W(s)；

$W\left(s\right)=\frac{b_0}{s^2+a_{1}s}---\left(1\right)$

式中，

W(s)为被控对象的传递函数；s为拉普拉斯算子；b₀和a₁均为系数 $b_0=-\frac{K_{\mathrm{pwm}}N{n}^2{R}_L}{\sqrt{\mathrm{LC}}(n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}})},a_1=\frac{n^2{R}_L+n^2{R}_{\mathrm{tL}}+R_{\mathrm{tH}}}{n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}}},$ K_pwm为逆变电路增益；L为谐振电感，H；C为谐振电容，F；R_tH为原边绕组的电阻，Ω；L_tH为原边绕组的漏感，H；R_tL为副边绕组的电阻，Ω；L_tL为副边绕组的漏感，H；R_L为负载，Ω；n为变压器原边与副边的匝比；N为倍压整流的倍数；

步骤6-2，计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值及负高压直流电压输出值变化率；

输出负高压电压值与负高压参考值的差值x₁(t)的计算公式如式（2）：

x₁(t)＝v_ref-v_o（2）

式中，

t为时间变量，s；v_ref为输出负高压的参考值，V；v_o为输出负高压的检测值，V；输出负高压值变化率x₂(t)的计算公式如式（3）：

$x_2\left(t\right)={\stackrel{\·}{v}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\·}{v}}_o---\left(3\right)$

式中，

为输出负高压的参考值的变化率，V/s；为输出负高压的检测值的变化率，V/s；

步骤6-3：根据负高压发生模块的传递函数建立负高压发生模块的状态空间模型；

负高压发生模块的状态空间模型为式（4）：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -a_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ -b_{0}E\end{array}\right]u---\left(4\right)$

式中，

为x₁(t)的导数；为x₂(t)的导数；E为逆变电路的输入直流电压，V；Q₁Q₄和Q₂Q₃分别是第一逆变电路的两组同时导通的开关管；

步骤6-4：根据负高压发生模块的状态空间模型，控制电路采用滑模变结构控制算法，计算出用于控制PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量S(x,t)；

S(x,t)＝k₁x₁(t)+k₂x₂(t)（5）

式中，

S(x,t)为滑模控制量；k₁、k₂均为滑模面系数；滑模面系数k1与k2是决定控制效果的可调节参数，滑模面系数K1的调节范围为1～99，滑模面系数k2的调节范围为0.001～0.01；

步骤7：控制电路实时计算X射线管的管电流值与X射线管的管电流的参考值的差值，并采用增量式PID控制方法计算出用于控制第二PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的控制量；

步骤8：控制电路将计算出的滑模控制量和计算出的控制量传送给模拟量输出电路；

步骤9：模拟量输出电路对滑模控制量和控制量进行数模转换产生相应的模拟量数据并分别传送给第一PWM发生电路和第二PWM发生电路；

步骤10：第一PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；第二PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；

步骤11：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第一谐振电路传送至高频升压变压器；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第二谐振电路传送至高频降压变压器；

步骤12：高频升压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行升压并传送给倍压整流电路；

步骤13：倍压整流电路对接收到的高频高压正弦交流电压进行负倍压和整流，得到负高压直流电压并传输至X射线管进行供电；高频降压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行降压得到交流电压并传输至X射线管的灯丝两端进行供电，在X射线管阴极端和阳极端之间的高压电场的作用下，灯丝中的电子进行定向运动，形成X射线管的管电流。

有益效果：

本发明用于X射线管的负高压直流集成电源，将负高压发生技术、交流电压发生技术、以及控制技术应用于高压直流电源的设计中，实现了X射线管负高压直流电压和X射线管的管电流的双闭环控制。该电源的特点有如下有益效果：

1.对于小功率的X射线管采用此负高压直流集成电源一般不需要水冷装置，从而具有体积小、便于X射线管散热的特点；

2.将滑模变结构控制方法应用于具有高频变结构特性的负高压控制回路中，由于滑模变结构控制方法具有不变性原理，当系统参数发生变化时，滑模变结构控制方法仍能够实现稳压控制，使得负高压稳压回路具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为现有技术的一种正高压直流集成电源与X射线管的连接示意图；

图2为本发明一种实施方式的负高压直流集成电源连接X射线管的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的负高压直流集成电源的结构示意图；

图4为本发明一种实施方式的DSP最小系统电路的结构示意图；

图5为本发明一种实施方式的电源电路图；

图6为本发明一种实施方式的复位电路图；

图7为本发明一种实施方式的时钟电路图；

图8为本发明一种实施方式的JTAG接口电路图；

图9为本发明一种实施方式的第一PWM发生电路/第一PWM发生电路图；

图10为本发明一种实施方式的电压采样反馈电路图；

图11为本发明一种实施方式的电流采样反馈电路图；

图12为本发明一种实施方式的按键输入电路图；

图13为本发明一种实施方式的模拟量输出电路图；

图14为本发明一种实施方式的显示电路图；

图15为本发明一种实施方式的过压、过流指示电路图；

图16为本发明一种实施方式的用于X射线管的负高压直流稳压控制方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本实施方式的用于X射线管的负高压直流集成电源引出4根线，如图2所示，负高压直流集成电源的端子5引出两根高压线分别连接X射线管的端子3及X射线管的阴极端4，负高压直流集成电源的端子6引出一根高压线连接X射线管的端子2，负高压直流集成电源的端子7引出一根线接地。X射线管的端子2和X射线管的端子3间具有0～5伏的交流电位差作为灯丝电源，X射线管的阳极端1接地。X射线管工作时，灯丝产生的电子流在高压电场作用下撞击钨靶，电子流的小部分能量用于产生X光，大部分能量转化为热量，钨靶温度高，但是由于本设计方案X射线管阳极接地，利于散热，对于小功率的X射线管采用此负高压直流集成电源一般不需要水冷装置，从而体积小、便于X射线管散热；

用于X射线管的负高压直流集成电源包括：负高压发生模块、控制模块和灯丝交流电压发生模块，如图3所示；负高压发生模块的一个输出端连接X射线管，另一个输出端连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接负高压发生模块的输入端和灯丝交流电压发生模块的输入端，灯丝交流电压发生模块的输出端连接X射线管；

高压发生模块包括第一PWM发生电路、第一逆变电路、第一谐振电路、高频升压变压器和倍压整流电路；第一PWM发生电路采用典型的固定频率脉宽调制控制集成电路TL494，第一PWM发生电路用于产生第一逆变电路所需控制信号，第一PWM发生电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一谐振电路的输入端，第一谐振电路采用LC（电感-电容）并联式谐振电路，第一谐振电路的输出端连接高频升压变压器的输入端，高频升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的一个输出端作为负高压发生模块的输出端连接控制模块的输入端，倍压整流电路的另两个输出端中，一个连接X射线管的阴极端，另一个输出端与X射线管的阳极端共地；

灯丝交流电压发生模块包括第二PWM发生电路、第二逆变电路、第二谐振电路、高频降压变压器；第二PWM发生电路也采用典型的固定频率脉宽调制控制集成电路TL494，第二PWM发生电路用于产生第二逆变电路所需控制信号，第二PWM发生电路的输出端连接第二逆变电路的输入端，第二逆变电路也采用全控桥式逆变电路，第二逆变电路的输出端连接第二谐振电路的输入端，第二谐振电路也采用LC（电感-电容）并联式谐振电路，第二谐振电路的输出端连接高频降压变压器的输入端，高频降压变压器的两个输出端连接X射线管的灯丝两端；

负高压发生模块与灯丝交流电压发生模块的区别在于：1.负高压发生模块的高频变压器为升压变压器，升压后经过倍压整流输出负高压直流电信号，而灯丝交流电压发生模块的高频变压器为降压变压器，高频降压变压器输出低压交流电信号；2.负高压发生模块的稳压控制方法采用滑模变结构控制方法，而灯丝交流电压发生电路的稳压控制方法采用常规PID控制方法。

控制模块是负高压直流集成电源的数据采集和控制中心，具体用于负高压直流电的电压闭环控制和用于控制灯丝两端的交流电压进而实现控制X射线管的管电流的闭环控制。控制模块包括采样反馈电路、控制电路、输入输出控制电路；采样反馈电路的两个输入端作为控制模块的两个输入端，一个输入端连接负倍压整流电路的一个输出端，另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，采样反馈电路的输出端连接控制电路的输入端，本实施方式的控制电路采用的是DSP最小系统电路，DSP最小系统电路的两个输出端作为控制模块的两个输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端，DSP最小系统电路的另一个输出端连接输入输出控制电路的输入端，输入输出控制电路的输出端连接DSP最小系统电路的输入端。DSP最小系统电路负责实现用于X射线管的负高压直流集成电源的闭环控制算法和控制与其相连接的上述外围电路；采样反馈电路负责采样负高压发生模块输出的负高压直流电压信号和X射线管的电流信号；输入输出控制电路包括按键输入电路、模拟量输出电路、显示电路和过压、过流指示电路，分别用于按键输入、模拟量输出、数据显示和报警功能；

DSP最小系统电路包括DSP芯片及部分管脚连接电路、电源电路、复位电路、时钟电路和JTAG接口电路。控制模块的核心为DSP芯片，采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片，DSP芯片及部分管脚连接电路如图4所示；所述电源电路采用TI公司的TPS767D318电源芯片，如图5所示，为保证TMS320F2812DSP芯片正常工作，复位引脚/1RESET和/2RESET为开漏输出，所以外加100K上拉电阻；所述复位电路利用DSP内部复位电路，直接在复位管脚上外接一个上拉电阻即可，如图6所示；所述时钟电路由外部晶振通过片内OSC来产生时钟信号，外部晶振采用30MHz无源晶振，外接两个24pF的起振电容，如图7所示；所述JTAG接口电路为一个标准的14针插座，可以供仿真器调试目标板，如图8所示。

第一PWM发生电路/第二PWM发生电路采用典型的固定频率脉宽调制控制集成电路TL494，其具体电路如图9所示。从图中可以看到：5脚外接电容C18＝2.2nF，调节6脚外接滑动变阻器w3（阻值大约在12K），使三角波频率为30K；3脚直接连接到DAC7612的输出端，3脚电压值决定了输出控制信号的占空比，当反馈电压从0.5V变化到3.6V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通占空比下降到零；13脚接参考电压+5V，输出信号占空比最大为48%，当接地时输出占空比最大为96%，实际输出占空比还与4脚电压有关；当4脚电压取0～3.3V之间的某个值时，能在输出脉冲上产生附加死区时间，本实施方式中通过调节电位器w2使该脚电压为1V；1、2、15、16脚接上固定电平，不利用内置误差放大器。

采样反馈电路包括电压采样反馈电路和电流采样反馈电路，电压采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的一个输入端连接倍压整流电路的一个输出端，电压采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的一个输出端连接DSP最小系统电路的一个输入端；电流采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，电流采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的另一输出端连接DSP最小系统电路的另一个输入端。

电压采样反馈电路如图10所示，采用CHV25/600型霍尔电压传感器，该传感器测量范围是0-±900V，额定电压是600V，对应的输出电压为0-5V，因为TMS320F2812控制器AD采样输入电压范围是0-3V，对应的霍尔电压传感器输入电压范围为0-360V，所以选用高精度温度敏感系数低的高压电阻R11、R12,经过计算后取R12＝10K，R11＝845K。电路中增加运算放大器OP07，一方面可以通过调节w7滑动变阻器，弥补前级电路误差使输出电压达到AD采样满量程；另一方面可以防止反馈电压对DSP芯片的AD采样电路的冲击，起到缓冲作用。此外，OP07输出端还有二阶RC滤波电路，滤除电路中的高频干扰，提高了系统的准确度；D3、D12组成的保护电路，防止输出采样电压过大或者输出负电压，造成IO口的永久损坏。所述电流采样反馈电路如图11所示，采用KHEC-E4-A1-3-D15型霍尔电流传感器，该传感器输入电流量程为0-5mA，对应的输出电压为0-±5V。应用时将输出高压导线穿过该线圈，就可在输出端得到相应的电压值，通过调节w8，可使输出电压达到AD采样满量程，输出端同样有滤波电路和保护电路。

输入输出控制电路包括按键输入电路、模拟量输出电路、显示电路、过压和过流指示电路，如图4所示；按键输入电路的输出端连接DSP最小系统电路的一个输入端，显示电路的输入端、过压和过流指示电路的输入端及模拟量输出电路的输入端均与DSP最小系统电路的输出端连接，模拟量输出电路的输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端。

按键输入电路的输出端连接DSP最小系统电路的一个输入端，显示电路的输入端、过压、过流指示电路的输入端和模拟量输出电路的输入端均与DSP最小系统电路的输出端连接，模拟量输出电路的输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端。所述按键输入电路如图12所示；所述模拟量输出电路采用DA转换芯片DAC7612，DSP和DA芯片之间的逻辑电平转换芯片型号为74x4245，如图13所示；所述显示电路由MAX7219和数码管组成，其电路如图14所示；所述过压、过流指示电路包括指示灯和蜂鸣器电路，如图15所示。

负高压发生模块输出所需负高压直流电压的控制过程如下：

DSP最小系统电路通过控制模块的按键输入电路设定负高压直流电压的参考值，同时采样反馈电路实时检测倍压整流电路输出的负高压直流电压信号并传送至DSP芯片。DSP芯片接收到负高压直流电压的参考值后，与负高压直流电压的实时检测值比较并通过运算得到实时负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的电压偏差信号和负高压直流电压的变化率信号，这两个信号经过滑模变结构控制算法的作用，产生滑模控制量，滑模控制量通过模拟量输出电路输出一定幅值的模拟量，用于控制第一PWM发生电路输出一定占空比的PWM波形，该PWM波形控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，该高频交流矩形波电压经第一谐振电路后转换为高频正弦波并送至高频升压变压器进行升压，最后经过倍压整流电路进行负倍压整流后得到负高压直流电压。同时，DSP芯片将采样反馈电路实时检测到的倍压整流电路输出的负高压直流电压信号传送至显示电路进行实时显示。

X射线管的管电流控制是通过调节灯丝两端的交流电压进行的，具体过程如下：

DSP最小系统电路通过所述控制模块的按键输入电路设定X射线的管电流参考值，同时采样反馈电路检测到X射线管的管电流信号并传送至DSP最小系统电路。DSP最小系统电路接收到X射线管的管电流参考值后，与X射线管电流的检测值比较并通过实时运算得到X射线的管电流检测值与X射线管的管电流参考值的偏差信号，该偏差信号经过PID控制算法的作用，产生控制量，控制量通过所述模拟量输出电路输出一定幅值的模拟量，用于控制第二PWM发生电路输出一定占空比的PWM波形信号，该PWM波形信号控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，该高频交流矩形波电压经第二谐振电路后转换为高频正弦电压，再送至高频降压变压器进行降压得到低压交流电，该低压交流电加在灯丝两端，从而形成管电流。这样实现了通过调节灯丝交流电压控制X射线管电流了。同时，DSP芯片将X射线管电流的检测值传送给显示电路进行实时显示。

因此，用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，如图16所示，包括如下步骤：

步骤1：输入输出控制电路设定X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值并输出至DSP最小系统电路；

步骤2：DSP最小系统电路根据接收到的X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值分别控制第一PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波及控制第二PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波；

步骤3：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第一谐振电路传输至高频升压变压器进行升压处理后得到高频正弦交流电压，再送入倍压整流电路进行负倍压和整流处理得到的负高压直流电压输出至X射线管的阴极端为X射线管供电，在X射线管阴极端和阳极端之间形成高压电场；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第二谐振电路传输至高频降压变压器，进行降压处理后得到低压交流电压并输出至X射线管的灯丝两端为X射线管的灯丝供电；

步骤4：采样反馈电路实时对负高压发生模块输出的负高压直流电压和X射线管的管电流进行采样，并将采样得到的负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值传送至DSP最小系统电路，同时对负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值进行显示；

步骤5：负高压直流电压的控制方法，执行步骤6；X射线管的管电流的控制方法，执行步骤13；

步骤5：控制模块对负高压发生电路产生的负高压直流电压的控制，执行步骤6；控制模块控制灯丝交流电压发生模块产生的的低压交流电压实现X射线管的管电流的控制，执行步骤7；

步骤6：DSP最小系统电路实时计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值，并计算负高压直流电压输出值变化率，并采用滑模变结构控制算法计算出用于控制第一PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量，并执行步骤8；

步骤6-1，建立负高压发生模块的传递函数W(s)；

$W\left(s\right)=\frac{b_0}{s^2+a_{1}s}---\left(1\right)$

式中，

W(s)为被控对象的传递函数；s为拉普拉斯算子；b₀和a₁均为系数 $b_0=-\frac{K_{\mathrm{pwm}}N{n}^2{R}_L}{\sqrt{\mathrm{LC}}(n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}})},a_1=\frac{n^2{R}_L+n^2{R}_{\mathrm{tL}}+R_{\mathrm{tH}}}{n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}}},$ K_pwm为逆变电路增益；L为谐振电感，H；C为谐振电容，F；R_tH为原边绕组的电阻，Ω；L_tH为原边绕组的漏感，H；R_tL为副边绕组的电阻，Ω；L_tL为副边绕组的漏感，H；R_L为负载，Ω；n为变压器原边与副边的匝比；N为倍压整流的倍数；

步骤6-2，计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值及负高压直流电压输出值变化率；

输出负高压电压值与负高压参考值的差值x₁(t)的计算公式如式（2）：

x₁(t)＝v_ref-v_o（2）

式中，

t为时间变量，s；v_ref为输出负高压的参考值，V；v_o为输出负高压的检测值，V；输出负高压值变化率x₂(t)的计算公式如式（3）：

$x_2\left(t\right)={\stackrel{\·}{v}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\·}{v}}_o---\left(3\right)$

式中，

为输出负高压的参考值的变化率，V/s；为输出负高压的检测值的变化率，V/s；

步骤6-3：根据负高压发生模块的传递函数建立负高压发生模块的状态空间模型；

负高压发生模块的状态空间模型为式（4）：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -a_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ -b_{0}E\end{array}\right]u---\left(4\right)$

式中，

为x₁(t)的导数；为x₂(t)的导数；E为逆变电路的输入直流电压，V；Q₁Q₄和Q₂Q₃分别是第一逆变电路的两组同时导通的开关管；

步骤6-4：根据负高压发生模块的状态空间模型，DSP最小系统电路采用滑模变结构控制算法，如式（5）所示，计算出用于控制PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量；

S(x,t)＝k₁x₁(t)+k₂x₂(t)（5）

式中，

S(x,t)即为滑模控制量；k₁、k₂均为滑模面系数；滑模面系数k1与k2是决定控制效果的可调节参数，滑模面系数K1的调节范围为1～99，滑模面系数k2的调节范围为0.001～0.01。

步骤7：DSP最小系统电路实时计算X射线管的管电流值与X射线管的管电流的参考值的差值，并采用增量式PID控制方法计算出用于控制第二PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的控制量；

增量式PID表达式如式（6）：

ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝K_P[E(k)-E(k-1)]+K_IE(k)+K_D[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]（6）

式中，

k是采样序列，ΔU(k)是控制量的增量，U(k)是第k拍的控制量，U(k-1)是第k-1拍的控制量，E(k)是第k拍的偏差量，E(k)是第k-1拍的偏差量，E(k)是第k-2拍的偏差量；K_P是积分系数；K_I是积分系数；K_D是微分系数。

利用公式U(k)＝U(k-1)+ΔU(k)可计算出此次采样周期输出控制量U(k)的值。

步骤8：DSP最小系统电路将计算出的滑模控制量和计算出的控制量传送给模拟量输出电路；

步骤9：模拟量输出电路对滑模控制量和控制量进行数模转换产生相应的模拟量数据并分别传送给第一PWM发生电路和第二PWM发生电路；

步骤10：第一PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；第二PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；

步骤11：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第一谐振电路传送至高频升压变压器；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第二谐振电路传送至高频降压变压器；

步骤12：高频升压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行升压并传送给倍压整流电路；

步骤13：倍压整流电路对接收到的高频高压正弦交流电压进行负倍压和整流，得到负高压直流电压并传输至X射线管进行供电；高频降压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行降压得到交流电压并传输至X射线管的灯丝两端进行供电，在X射线管阴极端和阳极端之间的高压电场的作用下，灯丝中的电子进行定向运动，形成X射线管的管电流。

Claims (6)

1.一种用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，所述用于X射线管的负高压直流集成电源，包括：负高压发生模块、控制模块和灯丝交流电压发生模块；负高压发生模块的一个输出端连接X射线管，负高压发生模块的另一个输出端连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接负高压发生模块的输入端和灯丝交流电压发生模块的输入端，灯丝交流电压发生模块的输出端连接X射线管；所述负高压发生模块包括第一PWM发生电路、第一逆变电路、第一谐振电路、高频升压变压器和倍压整流电路；第一PWM发生电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一谐振电路的输入端，第一谐振电路的输出端连接高频升压变压器的输入端，高频升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的一个输出端作为负高压发生模块的输出端连接控制模块的输入端，倍压整流电路的另两个输出端中，一个输出端连接X射线管的阴极端，另一个输出端与X射线管的阳极端共地；所述灯丝交流电压发生模块包括第二PWM发生电路、第二逆变电路、第二谐振电路和高频降压变压器；第二PWM发生电路的输出端连接第二逆变电路的输入端，第二逆变电路的输出端连接第二谐振电路的输入端，第二谐振电路的输出端连接高频降压变压器的输入端，高频降压变压器的两个输出端连接X射线管的灯丝两端；所述控制模块包括采样反馈电路、控制电路和输入输出控制电路；采样反馈电路的两个输入端作为控制模块的两个输入端，其中一个输入端连接倍压整流电路的一个输出端，另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，采样反馈电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路的两个输出端作为控制模块的两个输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端，控制电路的另一个输出端连接输入输出控制电路的输入端，输入输出控制电路的输出端连接控制电路的输入端；

其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：输入输出控制电路设定X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值并输出至控制电路；

步骤2：控制电路根据接收到的X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值分别控制第一PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波及控制第二PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波；

步骤3：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第一谐振电路传输至高频升压变压器进行升压处理后得到高频正弦交流电压，再送入倍压整流电路进行负倍压和整流处理得到的负高压直流电压输出至X射线管的阴极端为X射线管供电，在X射线管阴极端和阳极端之间形成高压电场；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第二谐振电路传输至高频降压变压器，进行降压处理后得到低压交流电压并输出至X射线管的灯丝两端为X射线管的灯丝供电；

步骤4：采样反馈电路实时对负高压发生模块输出的负高压直流电压和X射线管的管电流进行采样，并将采样得到的负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值传送至控制电路，同时对负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值进行显示；

步骤5：控制模块对负高压发生电路产生的负高压直流电压的控制，执行步骤6；控制模块控制灯丝交流电压发生模块产生的的低压交流电压实现X射线管的管电流的控制，执行步骤7；

步骤6：控制电路实时计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值，并计算负高压直流电压输出值变化率，并采用滑模变结构控制算法计算出用于控制第一PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量，并执行步骤8；

步骤6-1，建立负高压发生模块的传递函数W(s)；

$W\left(s\right)=\frac{b_0}{s^2+a_{1}s}---\left(1\right)$

式中，

W(s)为被控对象的传递函数；s为拉普拉斯算子；b₀和a₁均为系数 $b_0=-\frac{K_{\mathrm{pwm}}N{n}^2{R}_L}{\sqrt{\mathrm{LC}}(n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}})},a_1=\frac{n^2{R}_L+n^2{R}_{\mathrm{tL}}+R_{\mathrm{tH}}}{n^2{L}_{\mathrm{tL}}+L_{\mathrm{tH}}},$ K_pwm为逆变电路增益；L为谐振电感，单位为H；C为谐振电容，单位为F；R_tH为原边绕组的电阻，单位为Ω；L_tH为原边绕组的漏感，单位为H；R_tL为副边绕组的电阻，单位为Ω；L_tL为副边绕组的漏感，单位为H；R_L为负载，单位为Ω；n为变压器原边与副边的匝比；N为倍压整流的倍数；

步骤6-2，计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值及负高压直流电压输出值变化率；

输出负高压电压值与负高压参考值的差值x₁(t)的计算公式如式(2)：

x₁(t)＝v_ref-v_o(2)

式中，

t为时间变量，单位为s；v_ref为输出负高压的参考值，单位为V；v_o为输出负高压的检测值，单位为V；输出负高压值变化率x₂(t)的计算公式如式(3)：

$x_2\left(t\right)={\stackrel{\·}{v}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\·}{v}}_o---\left(3\right)$

式中，

为输出负高压的参考值的变化率，单位为V/s；为输出负高压的检测值的变化率，单位为V/s；

步骤6-3：根据负高压发生模块的传递函数建立负高压发生模块的状态空间模型；

负高压发生模块的状态空间模型为式(4)：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -a_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ -b_{0}E\end{array}\right]u---\left(4\right)$

式中，

为x₁(t)的导数；为x₂(t)的导数；E为逆变电路的输入直流电压，单位为V；Q₁Q₄和Q₂Q₃分别是第一逆变电路的两组同时导通的开关管；

步骤6-4：根据负高压发生模块的状态空间模型，控制电路采用滑模变结构控制算法，计算出用于控制PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量S(x,t)；

S(x,t)＝k₁x₁(t)+k₂x₂(t)(5)

式中，

S(x,t)为滑模控制量；k₁、k₂均为滑模面系数；滑模面系数k₁与k₂是决定控制效果的可调节参数，滑模面系数k₁的调节范围为1～99，滑模面系数k₂的调节范围为0.001～0.01；

步骤7：控制电路实时计算X射线管的管电流值与X射线管的管电流的参考值的差值，并采用增量式PID控制方法计算出用于控制第二PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的控制量；

步骤8：控制电路将计算出的滑模控制量和计算出的控制量传送给模拟量输出电路；

步骤9：模拟量输出电路对滑模控制量和控制量进行数模转换产生相应的模拟量数据并分别传送给第一PWM发生电路和第二PWM发生电路；

步骤10：第一PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；第二PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；

步骤11：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第一谐振电路传送至高频升压变压器；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第二谐振电路传送至高频降压变压器；

步骤12：高频升压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行升压并传送给倍压整流电路；

步骤13：倍压整流电路对接收到的高频高压正弦交流电压进行负倍压和整流，得到负高压直流电压并传输至X射线管进行供电；高频降压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行降压得到交流电压并传输至X射线管的灯丝两端进行供电，在X射线管阴极端和阳极端之间的高压电场的作用下，灯丝中的电子进行定向运动，形成X射线管的管电流。

2.根据权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：所述的负高压发生模块用于产生负高压直流电压为X射线管供电，并将产生的负高压直流电压信号反馈至控制模块。

3.根据权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：所述的灯丝交流电压发生模块用于产生低压交流电压为X射线管的灯丝供电。

4.根据权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：控制模块用于实时采集负高压发生模块产生的负高压直流电压信号和实时采集X射线管的管电流信号，并根据设定的负高压直流电压参考值及X射线管的管电流参考值，实时控制负高压发生模块产生X射线管所需的负高压直流电压和实时控制灯丝交流电压发生模块产生低压交流电压，以得到所需的X射线管的管电流。

5.根据权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：所述的采样反馈电路包括电压采样反馈电路和电流采样反馈电路，电压采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的一个输入端连接倍压整流电路的一个输出端，电压采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的一个输出端连接控制电路的一个输入端；电流采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，电流采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的另一输出端连接控制电路的另一个输入端。

6.根据权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：所述的输入输出控制电路包括按键输入电路、模拟量输出电路、显示电路、过压和过流指示电路；按键输入电路的输出端连接控制电路的一个输入端，显示电路的输入端、过压和过流指示电路的输入端及模拟量输出电路的输入端均与控制电路的输出端连接，模拟量输出电路的输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端。