CN107887244A - 高速旋转阳极驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速旋转阳极驱动器，主要由MCU SPWM驱动电路模块、IGBT桥式驱动电路模块、ADC检测电路模块、独立驱动电源供电电路模块和驱动信号控制电路模块构成。本发明主要是利用单片机（MCU）产生50Hz～180Hz的SPWM脉冲波形，通过驱动放大而控制后级由IGBT功率管组成的全桥桥式开关电路产生交变电流而驱动电机旋转；可以有效提高靶面转速，提高成像效果以及保护靶面不易受到电子束损伤，延长设备的使用寿命。

Description

高速旋转阳极驱动器
技术领域
本发明涉及一种医用高频X射线机的高速旋转阳极驱动器，属于X射线机设备技术领域。
背景技术
随着世界医疗技术不断的发展，应用在医疗诊断上的诊疗手段也日新月异，技术不断在更新，同样，运用于射频影像X光诊断系统的成像设备也发生了革命性的变化，高压发生器的工作频率从最初的50HZ工频到如今的400KHZ甚至更高频率，使得X射线成像质量更清晰稳定、病人接受X射线辐射剂量更低、机器设备占空体积大幅缩小，设备可控性更强。其中，在X射线诊疗设备中，球管是个比较重要的易耗部件，是诊疗X射线的产生来源，是靠高压电子束轰击到旋转的阳极钼靶上产生电离射线。
在以往的球管中，球管阳极靶面在工频电机驱动下，转速只能达到3600转/分钟；这主要是现用的主流球管大多采用交流两相三线制异步驱动电机，工作电压为AC160V～220V 不等，工作频率为50/60HZ，从而导致电机转速限制在了3000～3600转/分钟；由于阳极靶面旋转过慢，容易产生以下不利影响：
1.容易导致靶面在电子轰击下产生受热不均匀造成靶面龟裂损坏，导致射线产生不规则散射，影响了X射线影像的成像效果。
2.靶面某区域在长时间受到电子束轰击下金属表面被所产生的高温溶化，在旋转离心力的作用下溶化的高温金属液体溅射到球管的玻璃壁上，直接导致整个球管损坏报废。
鉴于以上情况，改善的方法有两种，一种是提高靶面散热效果，另一种是提高靶面旋转速度，让电子束能均匀照射到金属表面。第一种方法由于球管结构已固定，可改造空间有限，无法进一步改善。因此，市场上急需一种可以实现第二种处理方法的球管阳极，提高靶面转速，提高成像效果以及保护靶面不易受到电子束损伤，从而延长设备的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供了一种高速旋转阳极驱动器。。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高速旋转阳极驱动器，主要由MCU SPWM驱动电路模块、IGBT桥式驱动电路模块、ADC检测电路模块、独立驱动电源供电电路模块和驱动信号控制电路模块构成；
所述的MCU SPWM驱动电路模块包括MCU芯片和SPWM前级放大驱动电路；所述的 MCU芯片带8路AD转换IO口，并且取低四位作为频率选择开关使用；引脚P14～P16作为AD检测通道；引脚P20、P21为SPWM驱动信息输出口；引脚P22、P23为驱动信号检测口及工作模式切换端，由上位机对该IO口进行控制；引脚P25连接蜂鸣器；引脚P26为异常信号反馈端；引脚P27为输出继电器控制端；引脚P30、P31为程序下载端及串口通信口；所述的SPWM前级放大驱动电路主要由电阻R66、R10、R7、R13、R67、R11、R8、 R14和三极管Q2、Q3构成；所述的电阻R66的一端连接MCU芯片的引脚P20，另一端连接电阻R10的一端、三极管Q2的基极，所述的三极管Q2的集电极连接电阻R7的一端，发射极串联电阻R13后接地，并且三极管Q2的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R10、R7的另一端接入供电电压；所述的电阻R67的一端连接MCU芯片的引脚P21，另一端连接电阻R11的一端、三极管Q3的基极，所述的三极管Q3的集电极连接电阻R8的一端，发射极串联电阻R14后接地，并且三极管Q3的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R11、R8的另一端接入供电电压；
所述的IGBT桥式驱动电路模块包括光耦隔离放大式前驱电路和IGBT桥式电路；所述的IGBT桥式电路主要由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7以及电阻R45、电容C32构成；所述的电阻R45、电容C32串联后连接在由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7组成的桥式电路的输出脚H_OUT_A、H_OUT_B之间，输出脚H_OUT_A、H_OUT_B通过外接高频移相电容连接到球管相线，控制球管电机运转；所述的光耦隔离放大式前驱电路与SPWM前级放大驱动电路相连接；所述的IGBT桥式电路向阳极电机输出驱动电流；
所述的ADC检测电路模块的输入端连接IGBT桥式驱动电路模块，输出端与MCU SPWM 驱动电路模块相连接；ADC检测电路模块主要由电流互感器TA1、TA2、TA3和限流分压电路组成；
所述的独立驱动电源供电电路模块主要由信号发生器芯片U3、驱动电路芯片U4、变压器 T1组成，信号发生器芯片U3负责进行PWM波脉宽调制振荡输出，并驱动驱动电路芯片 U4进行桥式放大控制变压器T1的1、6脚初级线圈电流通断，从而产生交变电流，由变压器T1的四组次级线圈产生相互独立的供电电压；
所述的驱动信号控制电路模块主要由光耦继电器N1、N2、N3和球管温控电路N8组成，光耦继电器N1由上位机控制，实现驱动控制；光耦继电器N2为模式切换端，通过控制端口实现摄片与透视功能下的工作模式转换；光耦继电器N3为信号反馈端，电路出现异常信号时由该控制端口反馈到上位机；球管温控电路N8为检测球管的温控开关，将检测信号反馈到上位机。
在本发明中，IGBT桥式电路由Q4、Q5、Q6、Q7组成，通过改变通断时间控制 IGBT的栅极电压而控制(H_V+)电流的通断。Q4、Q7与Q5、Q6组成桥式电路，电流交叉通断从而产生交变电流。由于IGBT所需驱动流较大，所以电路采用了前级光耦隔离式放大电路，从而提供满足桥式电路正常工作的所需电流。前级驱动由N4、N5、N6、N7 组成，分别控制对应的输出功率管。输出电流由继电器K1控制通断，通过继电器后连接 C38移相电容连接到电机的启动端，另两路连接到电机的公共端与运行端，从而实现典型的异步电机驱动方式。
ADC检测电路模块工作时交变电流通过感应器时产生交变磁场，由感应器产生感应交变电流，通过二极管及电容整流滤波后由电阻组成的分压电路取得感应电压，通过的电流越大感应电压越高。RP2、RP3、RP4为分压调节器，调节输出的采样电压，DZ14、DZ15、DZ16为稳压二极管，限制输出最大电压值，作用是防止电压过高损坏MCU的检测IO口。 ADC检测电路通过电流互感器进行采样，将电流值转换成电压值输送到MCU的AD转换 IO口。ADC检测电路模块还设有继电器控制电路(主要由光耦继电器N9、继电器K1、电阻R59、R60、R61、R62、R65、二极管D4、三极管Q8、电容C42、C49、发光二极管 LED5等元器件组成)，一为控制后级通断，二为安全控制手段，避免IGBT损坏时高压直通接线端。
本发明的工作原理：
主要是以提高驱动电压的工作频率方式而提高电机转速，按现有高端球管设计技术要求，阳极电机可以承受10000转/分的转速，按此速度回推电机交变频率需要达到180Hz，本发明装备预设频率为170Hz，设计转速达到9400转/分，满足工作需要而又不超出电机额定技术指标。
220V50Hz交流电经整流滤波后，由脉冲调制电路根据单片机指令(控制输出启动VR)和采样电路输出的反馈电压，输出不同占空比控制信号控制可控硅的导通时间，在负载和储能电容作用下获得稳定的电机驱动电压，该电压通过全桥逆变电路获得一定频率的交流电驱动旋转阳极电流，单片机通过改变程序设定的参数可输出50Hz～180Hz的控制脉冲以控制全桥逆变电路的交流电频率，由单片机稳定输出SPWM驱动波形信号，电机从启动到运行的间隔时间由单片机控制，预设转速达到9400转/分，完全满足系统设计要求。
技术实现方法主要是利用单片机(MCU)产生50Hz～180Hz的SPWM脉冲波形，通过驱动放大而控制后级由IGBT功率管组成的全桥桥式开关电路产生交变电流而驱动电机旋转。采用SPWM模式是因为正弦波电流对于交流设备来说更适宜，电流过渡比较平稳，噪声小，SPWM采用了傅立叶转换算法模拟产生正弦波电流，把常用的PWM上升沿划分若干小份，改变通断的时间，从而实现电流通断以及频率控制等功能。
与现有技术相比较，本发明的优点：
1.本发明通过驱动器内部电路构造改进，利用单片机(MCU)产生50Hz～180Hz的SPWM脉冲波形，通过驱动放大而控制后级由IGBT功率管组成的全桥桥式开关电路产生交变电流而驱动电机旋转。
2.本发明电流过渡比较平稳、噪声小。
3.本发明可以有效提高靶面转速，提高成像效果以及保护靶面不易受到电子束损伤，延长设备的使用寿命。
4.本发明装备预设频率为170Hz，设计转速达到9400转/分，满足工作需要而又不超出电机额定技术指标。
附图说明
图1是本发明一实施例中工作原理结构图；
图2是本发明一实施例中SPWM模拟正弦波示意图。
图3是本发明一实施例中MCU芯片串口连接示意图；
图4是本发明一实施例中SPWM前级放大驱动电路原理图；
图5是本发明一实施例中光耦隔离放大式前驱电路原理图；
图6是本发明一实施例中IGBT桥式电路原理图；
图7是本发明一实施例中ADC检测电路模块原理图；
图8是本发明一实施例中独立驱动电源供电电路模块原理图；
图9是本发明一实施例中驱动信号控制电路模块原理图；
图10是本发明一实施例中球管温控电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图1-10所示，一种高速旋转阳极驱动器，主要由MCU SPWM驱动电路模块、IGBT桥式驱动电路模块、ADC检测电路模块、独立驱动电源供电电路模块和驱动信号控制电路模块构成；
所述的MCU SPWM驱动电路模块包括MCU芯片和SPWM前级放大驱动电路；所述的 MCU芯片带8路AD转换IO口，并且取低四位作为频率选择开关使用；引脚P14～P16作为AD检测通道；引脚P20、P21为SPWM驱动信息输出口；引脚P22、P23为驱动信号检测口及工作模式切换端，由上位机对该IO口进行控制；引脚P25连接蜂鸣器；引脚P26为异常信号反馈端；引脚P27为输出继电器控制端；引脚P30、P31为程序下载端及串口通信口；所述的SPWM前级放大驱动电路主要由电阻R66、R10、R7、R13、R67、R11、R8、R14和三极管Q2、Q3构成；所述的电阻R66的一端连接MCU芯片的引脚P20，另一端连接电阻R10的一端、三极管Q2的基极，所述的三极管Q2的集电极连接电阻R7的一端，发射极串联电阻R13后接地，并且三极管Q2的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R10、R7的另一端接入供电电压；所述的电阻R67的一端连接MCU芯片的引脚P21，另一端连接电阻R11的一端、三极管Q3的基极，所述的三极管Q3的集电极连接电阻R8的一端，发射极串联电阻R14后接地，并且三极管Q3的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R11、R8的另一端接入供电电压；
所述的IGBT桥式驱动电路模块包括光耦隔离放大式前驱电路和IGBT桥式电路；所述的IGBT桥式电路主要由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7以及电阻R45、电容C32构成；所述的电阻R45、电容C32串联后连接在由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7组成的桥式电路的输出脚H_OUT_A、H_OUT_B之间，输出脚H_OUT_A、H_OUT_B通过外接高频移相电容连接到球管相线，控制球管电机运转；所述的光耦隔离放大式前驱电路与SPWM前级放大驱动电路相连接；
所述的ADC检测电路模块的输入端连接IGBT桥式驱动电路模块，输出端与MCU SPWM 驱动电路模块相连接；ADC检测电路模块主要由电流互感器TA1、TA2、TA3和限流分压电路组成；
所述的独立驱动电源供电电路模块主要由信号发生器芯片U3、驱动电路芯片U4、变压器 T1组成，信号发生器芯片U3负责进行PWM波脉宽调制振荡输出，并驱动驱动电路芯片 U4进行桥式放大控制变压器T1的1、6脚初级线圈电流通断，从而产生交变电流，由变压器T1的四组次级线圈产生相互独立的供电电压；
所述的驱动信号控制电路模块主要由光耦继电器N1、N2、N3和球管温控电路N8组成，光耦继电器N1由上位机控制，实现驱动控制；光耦继电器N2为模式切换端，通过控制端口实现摄片与透视功能下的工作模式转换；光耦继电器N3为信号反馈端，电路出现异常信号时由该控制端口反馈到上位机；球管温控电路N8为检测球管的温控开关，将检测信号反馈到上位机。
所述的MCU芯片产生50Hz～180Hz的SPWM脉冲波形，通过驱动放大而控制后级由IGBT功率管组成的桥式电路产生交变电流而驱动电机旋转。

Claims (2)

1.一种高速旋转阳极驱动器，其特征在于：主要由MCU SPWM驱动电路模块、IGBT桥式驱动电路模块、ADC检测电路模块、独立驱动电源供电电路模块和驱动信号控制电路模块构成；
所述的MCU SPWM驱动电路模块包括MCU芯片和SPWM前级放大驱动电路；所述的MCU芯片带8路AD转换IO口，并且取低四位作为频率选择开关使用；引脚P14～P16作为AD检测通道；引脚P20、P21为SPWM驱动信息输出口；引脚P22、P23为驱动信号检测口及工作模式切换端，由上位机对该IO口进行控制；引脚P25连接蜂鸣器；引脚P26为异常信号反馈端；引脚P27为输出继电器控制端；引脚P30、P31为程序下载端及串口通信口；所述的SPWM前级放大驱动电路主要由电阻R66、R10、R7、R13、R67、R11、R8、R14和三极管Q2、Q3构成；所述的电阻R66的一端连接MCU芯片的引脚P20，另一端连接电阻R10的一端、三极管Q2的基极，所述的三极管Q2的集电极连接电阻R7的一端，发射极串联电阻R13后接地，并且三极管Q2的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R10、R7的另一端接入供电电压；所述的电阻R67的一端连接MCU芯片的引脚P21，另一端连接电阻R11的一端、三极管Q3的基极，所述的三极管Q3的集电极连接电阻R8的一端，发射极串联电阻R14后接地，并且三极管Q3的发射极还与IGBT桥式驱动电路模块相连接，所述的电阻R11、R8的另一端接入供电电压；
所述的IGBT桥式驱动电路模块包括光耦隔离放大式前驱电路和IGBT桥式电路；所述的IGBT桥式电路主要由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7以及电阻R45、电容C32构成；所述的电阻R45、电容C32串联后连接在由IGBT功率管Q4、Q5、Q6、Q7组成的桥式电路的输出脚H_OUT_A、H_OUT_B之间，输出脚H_OUT_A、H_OUT_B通过外接高频移相电容连接到球管相线，控制球管电机运转；所述的光耦隔离放大式前驱电路与SPWM前级放大驱动电路相连接；
所述的ADC检测电路模块的输入端连接IGBT桥式驱动电路模块，输出端与MCU SPWM驱动电路模块相连接；ADC检测电路模块主要由电流互感器TA1、TA2、TA3和限流分压电路组成；
所述的独立驱动电源供电电路模块主要由信号发生器芯片U3、驱动电路芯片U4、变压器T1组成，信号发生器芯片U3负责进行PWM 波脉宽调制振荡输出，并驱动驱动电路芯片U4进行桥式放大控制变压器T1的1、6 脚初级线圈电流通断，从而产生交变电流，由变压器T1的四组次级线圈产生相互独立的供电电压；
所述的驱动信号控制电路模块主要由光耦继电器N1、N2、N3和球管温控电路N8 组成，光耦继电器N1由上位机控制，实现驱动控制；光耦继电器N2为模式切换端，通过控制端口实现摄片与透视功能下的工作模式转换；光耦继电器N3为信号反馈端，电路出现异常信号时由该控制端口反馈到上位机；球管温控电路N8为检测球管的温控开关，将检测信号反馈到上位机。
2.根据权利要求1所述的高速旋转阳极驱动器，其特征在于：所述的MCU芯片产生50Hz～180Hz的SPWM脉冲波形，通过驱动放大而控制后级由IGBT功率管组成的桥式电路产生交变电流而驱动电机旋转。
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