CN106304587A - 一种混合控制管电流的系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合控制管电流的系统，包括管电流控制系统和与其连接的灯丝电流控制系统；所述灯丝电流控制系统通过灯丝电流驱动系统与灯丝连接。方法包括：管电流控制系统根据X射线球管反馈的管电流对管电流进行控制，输出灯丝电流设定值至灯丝电流控制系统；灯丝电流控制系统根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行控制，输出灯丝电流驱动信号，通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。本发明能够精确控制管电流，提高其准确性和稳定性，解决模拟技术存在的器件老化问题，使设计更灵活，减少体积，降低成本，提高系统一致性。

Description

一种混合控制管电流的系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压发生器技术领域，特别涉及一种X射线管电流控制系统及其控制方法。

背景技术

X射线管是一个具有阴阳两极的真空管，灯丝是阴极，一般是钨丝，阳极是金属制成的靶。在阴阳两极之间加有很高的直流电压(管电压)，当阴极加热到白炽状态时会释放出大量的电子，这些电子在高压电场中被加速，从阴极飞向阳极(管电流)，最终以很大的速度撞击在金属靶上，失去所具有的动能，这些动能绝大部分转换为热能，仅有极少的一部分转化为X射线。调节灯丝的电流即可改变灯丝发射的电子数量，灯丝电流与发射电子的数量关系是呈指数的非线性关系。因此灯丝电流的稳定性和准确性直接影响着管电流的稳定性和准确性。

现有X射线机，部分设备仅以灯丝电流为反馈形成闭环，没有直接与管电流形成闭环，难以满足前沿要求，当灯丝在冷态和热态时电阻的差别导致管电流不稳定，影响图像质量。还有一部分设备闭环系统采用模拟电路实现，一般采用运放电路，存在扩展性和更改性差，控制方式不灵活，器件差异对电路影响大和电路面积大等缺点。

发明内容

鉴于上述存在的问题，本发明的目的是提供一种混合控制管电流的系统及其控制方法，用以保证X射线管管电流的稳定性和准确性，同时部分采用数字技术解决模拟电路在系统中存在的缺点。

本发明采用的技术方案如下：一种混合控制管电流的系统，包括管电流控制系统和与其连接的灯丝电流控制系统；所述灯丝电流控制系统通过灯丝电流驱动系统与灯丝连接；

管电流控制系统，用于根据X射线球管反馈的管电流对管电流进行控制，输出灯丝电流设定值至灯丝电流控制系统；

灯丝电流控制系统，用于根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行控制，输出灯丝电流驱动信号，通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

所述管电流控制系统包括顺序连接的AD模块、管电流控制模块、DA模块，以及与管电流控制模块连接的存储器；X射线球管的管电流反馈至AD模块，外部输入管电流设定值至管电流控制模块；DA模块与灯丝电流控制系统连接；管电流控制模块用于实现PID控制灯丝电流设定值的输出。

所述灯丝电流控制系统包括顺序连接的灯丝电流控制模块、PWM模块；所述灯丝电流控制模块与DA模块连接，PWM模块与灯丝电流驱动系统连接；灯丝电流驱动系统与灯丝电流控制模块连接；灯丝电流控制模块用于实现PID输出模拟信号控制PWM模块，PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

所述灯丝电流驱动系统包括半桥逆变电路、变压器与半波整流积分电路，半桥逆变电路的两个输出端与变压器初级绕组两端连接，变压器次级绕组两端连接灯丝；变压器初级绕组的一端通过半波整流积分电路与灯丝电流控制模块连接，半桥逆变电路中的两个MOS管的栅极分别与PWM模块的两个输出端连接。

所述半波整流积分电路包括顺序连接的电流互感器、半波整流电路和积分电路；变压器初级绕组的一端穿入电流互感器的圆环内，积分电路输出端与灯丝电流控制模块连接。

一种混合控制管电流的控制方法，包括以下步骤：

管电流控制系统根据管电流设定值以及X射线球管反馈的管电流值对管电流进行闭环控制，得到灯丝电流设定值；

灯丝电流控制系统根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行闭环控制，输出PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

所述管电流控制系统根据管电流设定值以及X射线球管反馈的管电流值对管电流进行闭环控制，得到灯丝电流设定值包括以下步骤：

管电流控制模块对设定时间内多次采样的管电流求取均值，将管电流设定值与管电流均值做差，输入至PID得到灯丝电流偏差值；该偏差值与初始值求和后得到灯丝电流设定值，输出至灯丝电流控制系统。

所述灯丝电流控制系统根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行闭环控制通过硬件实现，灯丝电流控制模块根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行PID控制，输出模拟信号控制PWM模块，PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

所述PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流具体为：PWM模块输出A、B两相PWM信号分别控制半桥逆变电路的上、下桥臂的开闭，产生灯丝电流。

所述灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值通过以下步骤得到：

通过电流互感器对变压器初级电流进行比例变换与隔离，再通过半波整流电路对滤波电容充电，取电容电压得到灯丝电流值

I(t)是经电流互感器隔离变换后的电流值，C为半波整流积分电路中的积分电容容值，U_C为整流滤波后得到的电压值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.管电流控制模块使用高性能的微控制器，并配合实时内核，实现多线程处理，高速系统时钟使其具备强大的处理能力和实时性，可实现系统的实时控制。

2.本发明使用双闭环控制，管电流闭环控制系统可保证管电流的准确性，灯丝电流闭环控制系统可保证管电流的稳定性和控制速度。

3.使用数字技术实现闭环控制可获得更大的灵活性，更小的体积和更好的一致性。

4.本发明能够精确控制管电流，提高其准确性和稳定性，解决模拟技术存在的器件老化问题，使设计更灵活，减少体积，降低成本，提高系统一致性。

5.使用模拟技术实现灯丝电流的闭环控制可获得更快的响应速度，提高系统控制的实时性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种混合控制管电流的系统的结构框图。

图2为根据本发明实施例的系统实施示意图。

图3为根据本发明实施例的一种混合控制管电流的系统的微控制器软件流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种采用数字技术和模拟技术混合的方式精确控制X射线球管管电流的系统，包括控制系统和驱动系统；控制系统为双闭环控制系统，外环是管电流闭环控制系统，内环是灯丝电流闭环控制系统。

管电流闭环控制使用数字技术，以微控制器为核心，配合系统软件实现管电流的精准控制，其对管电流进行实时采样，并与管电流设定进行比较，通过运算得到灯丝电流设定值，输出到灯丝电流闭环控制系统。

管电流闭环控制系统包括管电流控制模块、存储器、AD转换模块和DA转换模块；AD转换模块用于对外界的管电流反馈进行采样，将有效值读入微控制器芯片，供系统软件使用；存储器中存储着系统预设的曝光参数表(包括一些组曝光参数中X射线球管的球管电压和球管电流电流及与其对应的灯丝电流初始值)；管电流控制模块采用CPU，用于实现数字PID功能以及计算获取灯丝电流设定值，经高压油箱取回的X射线球管电流输入至AD转换模块，将AD转换模块采样得到的管电流有效值与管电流设定值求差，进行PID调节，得到灯丝电流的偏差值，同时从存储器读取曝光参数表，通过插值计算获取灯丝电流设定初始值，将灯丝电流初始值与偏差值叠加，得到调节后的灯丝电流设定，控制灯丝电流的输出；DA转换模块用于将管电流控制模块得到的灯丝电流设定转换为模拟值输出。

灯丝电流闭环控制系统使用模拟技术，以模拟电路为核心，使用高精度电子元器件实现灯丝电流的精准控制；灯丝电流闭环控制系统主要包括灯丝电流控制模块和PWM模块；灯丝电流控制模块实现模拟PID功能，其将管电流闭环控制系统输出的灯丝电流设定与驱动模块得到的灯丝电流反馈求差，进行PID调节，输出模拟信号控制PWM模块；PWM模块采用PWM芯片，将灯丝电流控制模块输出的模拟信号与PWM芯片配合外围电路生成的三角波进行比较，得到PWM信号，输出到灯丝电流驱动系统；管电流控制模块、存储器、AD转换模块、DA转换模块、灯丝电流控制模块和PWM模块组合共同实现控制系统的双闭环控制；灯丝电流驱动系统采用半桥逆变结构，半桥逆变电路接收PWM模块输出的两路PWM信号A和B，分别控制其上下桥臂的导通和关闭，产生灯丝驱动信号，输出到变压器初级，变压器次级连接到灯丝负载，驱动灯丝工作，同时在变压器初级使用电流互感器对灯丝电流进行隔离变换，再通过半波整流积分电路，得到灯丝电流反馈信号。半波整流积分电路包括顺序连接的电流互感器、半波整流电路和积分电路；变压器初级绕组的一端连出导线穿入电流互感器的输入端即圆环内，积分电路输出端与灯丝电流控制模块连接。

采用数字技术的管电流闭环控制系统，其中，所述实现数字PID功能为每1ms实现一次PID调整；高压发生器开始曝光后，每100us对管电流进行一次采样，每1ms计算得到10次采样的管电流反馈均值，将管电流反馈与管电流设定做差，计算出误差值，再将误差进行PID计算；其中，在实现数字PID功能的过程中采用经典的位置型控制，模型如下式：

$u_{\left(k\right)}=K_p{E}_{\left(k\right)}+K_p\frac{T}{T_I}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^k{E}_{\left(j\right)}+K_p\frac{T_D}{T}\[E_{\left(k\right)}-E_{(k-1)}\]$

上式中E_(k)是每个周期的管电流的误差值，K_p比例系数，T_I积分时间常数，T_D微分时间常数，T为调整周期，u_(k)是每个周期计算的结果，该结果与灯丝电流初始设定值相加求和，得到最终的灯丝电流设定值，输出到灯丝电流闭环控制系统。k＝1、2、3…，表示采样个数。

采用模拟技术的灯丝电流闭环控制系统，其中，将管电流闭环控制系统输出的灯丝电流设定模拟量与驱动模块获得的灯丝电流有效值模拟量求差，计算出误差，进行模拟PID调节；其中，PID调节由高精度的运算放大电路实现，其数学模型如下：

$u_{\left(t\right)}=K_p{e}_{\left(t\right)}+K_p\frac{1}{T_I}{\∫}_0^T{e}_{\left(t\right)}dt+K_p{T}_D\frac{{\mathrm{de}}_{\left(t\right)}}{dt}$

上式中e_(t)是灯丝电流的误差值输入，K_p比例系数，T_I积分时间常数，T_D微分时间常数，T为调整周期，u_(t)是PID调节的输出结果，该结果输出到PWM模块。

灯丝电流驱动系统为半桥逆变结构，其接收PWM模块输出的PWM信号分别控制其上下桥臂开通与关闭，产生灯丝电流。

驱动模块的灯丝电流反馈有效值的获取方法为：用交流互感器对灯丝电流进行比例变换与隔离，在通过整流电路对电容充电，取电容电压得到灯丝电流的有效值，相应的公式如下：

$U_C=\frac{1}{C}\∫I\left(t\right)dt$

上式中I(t)是经交流互感器隔离变换后的电流值，C为半波整理积分电路中的积分电容容值，U_C整流滤波后得到的电压值，U_C值即为灯丝电流值。

图1为根据本发明实施例的一种混合控制管电流的系统的结构框图。如图1所示，本发明提供的一种混合控制管电流的系统，包括控制系统和驱动系统，控制系统采用双闭环控制系统，包括管电流闭环控制系统和灯丝电流闭环控制系统。

管电流闭环控制系统是控制系统外环，使用数字技术，以微控制器为核心，配合系统软件实现管电流的精准控制，其对管电流进行实时采样，并与管电流设定进行比较，通过运算得到灯丝电流设定值，输出到灯丝电流闭环控制系统。

管电流闭环控制系统包括管电流控制模块、存储器、AD转换模块和DA转换模块。

AD转换模块用于将外界的管电流反馈的有效值读入微控制器芯片，供系统软件使用。

存储器及数据处理模块用于通过系统预设的曝光参数得到灯丝电流设定的初始值。

管电流控制模块用于实现数字PID功能，将AD转换模块采样得到的管电流有效值与管电流设定值求差，进行PID调节，得到灯丝电流的偏差值，与灯丝电流设定初始值叠加，得到调节后的灯丝电流设定，控制灯丝电流的输出。

DA转换模块用于输出灯丝电流设定的模拟值。

灯丝电流闭环控制系统是控制系统内环，使用模拟技术，以模拟电路为核心，使用高精度电子元器件实现灯丝电流的精准控制。灯丝电流闭环控制系统主要包括灯丝电流控制模块和PWM模块。灯丝电流控制模块实现模拟PID功能，其将管电流闭环控制系统输出的灯丝电流设定与驱动模块得到的灯丝电流反馈求差，进行PID调节，输出模拟信号控制PWM模块。PWM模块将灯丝电流控制模块输出的模拟信号与三角波进行比较，得到PWM信号，输出到灯丝电流驱动系统。

灯丝电流驱动系统采用半桥逆变结构，接收PWM模块输出的PWM信号，控制桥臂的导通和关闭，产生灯丝电流，同时在灯丝电流回路中进行隔离采样，提供灯丝电流反馈信号。

图2为根据本发明实施例的一种混合控制管电流的系统的系统实施示意图。由图2所示，微控制器部分对应图1中的管电流闭环控制系统，可以看到，管电流反馈的模拟信号首先进入到AD模块，将模拟信号转换成数字信号，该反馈信号值与系统的管电流设定值求差，得到误差值，将该值送入PID调整模块，完成数字PID运算，数字PID运算采用位置型控制，其模型如下：

$u_{\left(k\right)}=K_p{E}_{\left(k\right)}+K_p\frac{T}{T_I}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^k{E}_{\left(j\right)}+K_p\frac{T_D}{T}\[E_{\left(k\right)}-E_{(k-1)}\]$

上式中E_(k)是每个周期的管电流的误差值，K_p比例系数，T_I积分时间常数，T_D微分时间常数，T为调整周期，u_(k)是每个周期计算的结果，即灯丝电流设定2。同时，微控制器存储器中一组数据表，内容为部分曝光参数对应的灯丝电流设定值，读取该表内容，并根据实际的曝光参数，通过比例和插值等运算，得到灯丝电流设定的初始值，即灯丝电流设定1。将灯丝电流设定1和灯丝电流设定2求和，输出到DA模块，转换成模拟信号输出灯丝电流设定。

图3为微控制器的软件流程图。如流程图所示，在曝光准备阶段，首先读取曝光参数，包括管电压和管电流等值，然后根据曝光参数计算得到灯丝电流设定1；置位曝光信号，启动曝光；查询定时器1是否被触发，定时器1为100us触发一次，用于读取管电流AD反馈值和记录曝光时间，如果定时器1被触发，则读取管电流反馈AD值并累加，启动一次新的AD转换，然后查询定时器2是否被触发，如果定时器1未被触发则直接查询定时器2；定时器2为1ms触发一次，如果定时器2未触发，则查询曝光是否结束；如果定时器2触发，则用定时器1得到的管电流反馈的累加值计算管电流反馈均值并清零，然后进行PID运算得到灯丝电流设定值2，再将灯丝电流设定值1和灯丝电流设定值2求和，其结果送入DA寄存器，执行DA转换，最后查询曝光是否结束；如曝光时间到，则复位曝光信号结束曝光，退出，否者重新查询定时器1，如此循环，直到曝光结束。

根据图2，微控制器部分输出的灯丝电流设定输出后，与灯丝驱动部分的灯丝电流反馈求差，得到误差值，送入模拟PID模块，其模块主要有高精度的运算放大器和电阻电容等元器件组成，其数学模型如下：

$u_{\left(t\right)}=K_p{e}_{\left(t\right)}+K_p\frac{1}{T_I}{\∫}_0^T{e}_{\left(t\right)}dt+K_p{T}_D\frac{{\mathrm{de}}_{\left(t\right)}}{dt}$

上式中e_(t)是灯丝电流的误差值输入，K_p比例系数，T_I积分时间常数，T_D微分时间常数，T为调整周期，u_(t)是PID调节的输出结果，该结果输出到PWM模块。PWM模块由集成电路配合模拟元器件组成，采用调制法，根据电路配置，生成固定频路及幅值的三角波，该三角波与PID调节输出的电压值比较，生成脉宽信号，相邻两个周期的脉宽信号分别送到A和B的输出端，用于分别控制逆变电路的上下桥臂。

根据图2所示，驱动系统电路为半桥逆变结构。直流母线电压经过电源滤波后，得到一个稳定的低纹波直流源，PWM模块输出的A和B信号分别控制驱动电路的上下桥臂，即MOSFET-A和MOSFET-B，得到逆变后的交流电源，通过电容隔离交流电源的直流成分后，送入隔离变压器，用于驱动灯丝负载。同时在变压器原边串入交流互感器，并经过整流滤波，得到灯丝电流反馈的直流值，其数学模型如下：

$U_C=\frac{1}{C}\∫I\left(t\right)dt$

上式中I(t是经交流互感器隔离变换后的电流值，C为滤波电容容值，U_C整流滤波后得到的电压值，通过U_C值可得到灯丝电流值。

根据上述实施方式可以看出，本发明所述的一种混合控制管电流的系统，采用数字技术和模拟技术混合控制的方法，数字控制部分使用高性能的微控制器，并配合实时内核，实现多线程处理，高速系统时钟使其具备强大的处理能力和实时性，可实现系统的实时控制，并获得更大的灵活性，更小的体积和更好的一致性。使用双闭环控制，管电流闭环控制系统可保证管电流的准确性，灯丝电流闭环控制系统使用模拟技术可保证管电流的稳定性和控制速度。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的一种混合控制管电流的系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的一种混合控制管电流的系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种混合控制管电流的系统，其特征在于：包括管电流控制系统和与其连接的灯丝电流控制系统；所述灯丝电流控制系统通过灯丝电流驱动系统与灯丝连接；

管电流控制系统，用于根据X射线球管反馈的管电流对管电流进行控制，输出灯丝电流设定值至灯丝电流控制系统；

灯丝电流控制系统，用于根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行控制，输出灯丝电流驱动信号，通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

2.根据权利要求1所述的一种混合控制管电流的系统，其特征在于所述管电流控制系统包括顺序连接的AD模块、管电流控制模块、DA模块，以及与管电流控制模块连接的存储器；X射线球管的管电流反馈至AD模块，外部输入管电流设定值至管电流控制模块；DA模块与灯丝电流控制系统连接；管电流控制模块用于实现PID控制灯丝电流设定值的输出。

3.根据权利要求1所述的一种混合控制管电流的系统，其特征在于所述灯丝电流控制系统包括顺序连接的灯丝电流控制模块、PWM模块；所述灯丝电流控制模块与DA模块连接，PWM模块与灯丝电流驱动系统连接；灯丝电流驱动系统与灯丝电流控制模块连接；灯丝电流控制模块用于实现PID输出模拟信号控制PWM模块，PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

4.根据权利要求3所述的一种混合控制管电流的系统，其特征在于所述灯丝电流驱动系统包括半桥逆变电路、变压器与半波整流积分电路，半桥逆变电路的两个输出端与变压器初级绕组两端连接，变压器次级绕组两端连接灯丝；变压器初级绕组的一端通过半波整流积分电路与灯丝电流控制模块连接，半桥逆变电路中的两个MOS管的栅极分别与PWM模块的两个输出端连接。

5.根据权利要求4所述的一种混合控制管电流的系统，其特征在于所述半波整流积分电路包括顺序连接的电流互感器、半波整流电路和积分电路；变压器初级绕组的一端穿入电流互感器的圆环内，积分电路输出端与灯丝电流控制模块连接。

6.一种混合控制管电流的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

管电流控制系统根据管电流设定值以及X射线球管反馈的管电流值对管电流进行闭环控制，得到灯丝电流设定值；

灯丝电流控制系统根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行闭环控制，输出PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

7.如权利要求6所述的一种混合控制管电流的控制方法，所述管电流控制系统根据管电流设定值以及X射线球管反馈的管电流值对管电流进行闭环控制，得到灯丝电流设定值包括以下步骤：

管电流控制模块对设定时间内多次采样的管电流求取均值，将管电流设定值与管电流均值做差，输入至PID得到灯丝电流偏差值；该偏差值与初始值求和后得到灯丝电流设定值，输出至灯丝电流控制系统。

8.如权利要求6所述的一种混合控制管电流的控制方法，所述灯丝电流控制系统根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行闭环控制通过硬件实现，灯丝电流控制模块根据灯丝电流设定值以及灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值对灯丝电流进行PID控制，输出模拟信号控制PWM模块，PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流。

9.如权利要求8所述的一种混合控制管电流的控制方法，所述PWM模块生成PWM信号通过控制灯丝电流驱动系统控制灯丝电流具体为：PWM模块输出A、B两相PWM信号分别控制半桥逆变电路的上、下桥臂的开闭，产生灯丝电流。

10.如权利要求8所述的一种混合控制管电流的控制方法，所述灯丝电流驱动系统反馈的灯丝电流值通过以下步骤得到：

通过电流互感器对变压器初级电流进行比例变换与隔离，再通过半波整流电路对滤波电容充电，取电容电压得到灯丝电流值

I(t)是经电流互感器隔离变换后的电流值，C为半波整流积分电路中的积分电容容值，U_C为整流滤波后得到的电压值。