CN110505743B - 球管灯丝电流输出控制系统 - Google Patents

球管灯丝电流输出控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种球管灯丝电流输出控制系统，包括主控模块和灯丝电源模块，其中：所述主控模块用于输出灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块与所述主控模块数字通信连接，用于接收所述主控模块输出的所述灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块还用于采集第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为数字反馈信号，根据所述灯丝电流设定值以及所述数字反馈信号，所述灯丝电源模块控制第二输出电流输出至灯丝。上述球管灯丝电流输出控制系统通过数字通信方式，使得主控模块输出的灯丝电流设定值和数字反馈信号均为数字信号，数字信号在传输过程中可以避免ADC、DAC与传输路径上的误差，从而提高了灯丝电流的输出精度。

Description

球管灯丝电流输出控制系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种球管灯丝电流输出控制系统。
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，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，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，灯丝电流的准确性直接影响着灯丝发射的电子数量的准确性。
传统的球管灯丝电流输出控制系统，根据主控制器接收的灯丝电源设定信号与电流有效值进行模拟PI运算，产生PWM设定电压，由PWM产生芯片生成PWM信号，驱动电路将PWM驱动信号进行隔离放大后用于主电路开关管驱动，主电路开关管发生开关动作产生灯丝驱动波形。但是上述球管灯丝电流输出系统的精度较低。
发明内容
本申请提供一种球管灯丝电流输出控制系统，可以提高球管灯丝电流的输出精度。
一种球管灯丝电流输出控制系统，所述系统包括主控模块和灯丝电源模块，其中：
所述主控模块用于输出灯丝电流设定值；
所述灯丝电源模块与所述主控模块数字通信连接，用于接收所述主控模块输出的所述灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块还用于采集第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为数字反馈信号，根据所述灯丝电流设定值以及所述数字反馈信号，所述灯丝电源模块控制第二输出电流输出至灯丝。
在一实施例中，所述灯丝电源模块与所述主控模块串行或并行通信连接。
在一实施例中，所述灯丝电源模块包括数字控制电路、功率电路以及采样电路；
所述数字控制电路与所述主控模块数字通信连接，用于接收所述主控模块传输的灯丝电流设定值以及采样电路传输的第一输出电流，对所述第一输出电流进行模数转换得到数字反馈信号，并根据所述灯丝电流设定值和数字反馈信号输出控制信号；
所述功率电路与所述数字控制电路连接，用于将所述控制信号转换成第二输出电流并输出至灯丝；
所述采样电路的一端与所述数字控制电路连接，所述采样电路的另一端与所述功率电路的输出端连接，用于采集第一输出电流，并将所述第一输出电流反馈至所述数字控制电路。
在一实施例中，所述采样电路包括电流互感器和整流电路；
所述电流互感器的一端与所述功率电路的输出端连接，所述电流互感器的另一端与所述整流电路的一端连接，用于对所述功率电路输出的第二输出电流进行采样以得到采样信号；
所述整流电路的另一端与所述数字控制电路连接，用于对所述采样信号进行整流以得到第一输出电流，并将所述第一输出电流反馈至所述数字控制电路。
在一实施例中，所述数字控制电路包括：
模拟数字转换电路，与所述采样电路连接，用于接收所述采样电路输出的所述第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为所述数字反馈信号；
控制信号生成电路，所述控制信号生成电路分别与所述模拟数字转换电路、主控模块以及功率电路连接，用于接收所述数字反馈信号和所述灯丝电流设定值，根据所述数字反馈信号和所述灯丝电流设定值确定控制信号，并输出至所述功率电路。
在一实施例中，所述控制信号生成电路用于根据开关周期及模拟数字转换电路的采样周期确定所述数字反馈信号，根据所述数字反馈信号和所述灯丝电流设定值确定控制信号；其中，所述数字反馈信号为一个开关周期内所述第二输出电流的有效值。
在一实施例中，所述采样周期小于所述开关周期。
在一实施例中，所述灯丝电源模块的控制方式采用闭环控制。
在一实施例中，所述灯丝电源模块用于将所述灯丝电流设定值与所述数字反馈信号的差值进行积分得到积分值，并将所述积分值与积分速度参数相乘得到第一参数；将所述差值与误差比例参数相乘得到第二参数；
将所述第一参数和第二参数的和作为占空比，根据所述占空比生成所述第二输出电流至灯丝。
在一实施例中，所述主控模块还用于按照预设周期持续监测灯丝电流设定值；
在监测到所述灯丝电流设定值变化时，对所述灯丝电流设定值进行更新。
本申请实施例提供的球管灯丝电流输出控制系统，包括主控模块和灯丝电源模块，其中：所述主控模块用于输出灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块与所述主控模块数字通信连接，用于接收所述主控模块输出的所述灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块还用于采集第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为数字反馈信号，根据所述灯丝电流设定值以及所述数字反馈信号，所述灯丝电源模块控制第二输出电流输出至灯丝。上述球管灯丝电流输出控制系统通过数字通信方式，使得主控模块输出的灯丝电流设定值和数字反馈信号均为数字信号，数字信号在传输过程中可以避免ADC、DAC在传输路径上的误差，从而提高了球管灯丝电流的输出精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例提供的球管灯丝电流输出控制系统结构示意图；
图2为另一实施例提供的球管灯丝电流输出控制系统结构示意图；
图3为一实施例提供的串行通信编码方式示意图；
图4为一实施例提供的第二输出电流波形与采样电路输出的电流波形关系示意图；
图5为一实施例提供的数字控制电路的结构示意图；
图6为另一实施例提供的数字控制电路的结构示意图；
图7为一实施例提供的指令对齐通讯方式的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为一实施例提供的球管灯丝电流输出控制系统的结构示意图，如图1所示，球管灯丝电流输出控制系统包括主控模块110和灯丝电源模块120，其中：主控模块110用于输出灯丝电流设定值。主控模块110可以为主控芯片，用于根据高压发生器输出的电压值控制输出灯丝电流设定值。灯丝电流设定值是高压发生器需要灯丝电源模块120给球管灯丝加热的电流值，对于灯丝电源模块120是电流控制的设定值。
灯丝电源模块120与主控模块110数字通信连接，用于接收主控模块110输出的灯丝电流设定值；灯丝电源模块120还用于采集第一输出电流，并将第一输出电流转换为数字反馈信号，根据灯丝电流设定值以及数字反馈信号，灯丝电源模块120控制第二输出电流输出至灯丝。
第二输出电流为灯丝电源模块120最终输出的电流。灯丝电源模块120实时采集其自身输出的电流值(第二输出电流)，并将采集得到的电流作为第一输出电流。第一输出电流经过模数转换得到数字反馈信号反馈至灯丝电源模块120，灯丝电源模块120根据灯丝电流设定值和数字反馈信号控制输出第二输出电流至灯丝，使最终输出的第二输出电流值精确地跟随灯丝电流设定值。
在一实施例中，灯丝电源模块120与主控模块110串行或并行通信连接。
数据传输可以通过两种方式进行：并行通信和串行通信。串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。如果一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信。并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。
本实施例中，灯丝电源模块120与主控模块110串行通信连接。如图2所示，串行通信使用的串行接口，TX为一个IO口，用于输出灯丝电流设定值，RX为另一个IO口，用于接收数字反馈信号。
进一步地，由于串行通信会给数字控制带来一定的延时，本实施例为了减小通信延时，优化数字控制效果，提供了为一种高频串行通信方式。具体地，如图3所示，利用10Mbit/s的串行通信方式将灯丝电流设定值下发到灯丝电源模块120。以灯丝电流设定值为5000(mA)为例，串行通信中将5000转换为16bit二进制0001 0011 1000 1000，再加上通信起始与结束标志位，在10Mbit/s下传输用时仅为1.8us。
本实施例，通过对灯丝电流设定值进行编码，并采用串行通信方式传输，从而提高了传输速度。
在一实施例中，如图2所示，灯丝电源模块120包括数字控制电路121、功率电路122以及采样电路123，其中：
数字控制电路121与主控模块110数字通信连接，用于接收主控模块110传输的灯丝电流设定值以及采样电路123传输的第一输出电流，对第一输出电流进行模数转换得到数字反馈信号，并根据灯丝电流设定值和数字反馈信号输出控制信号；功率电路122与数字控制电路121连接，用于将控制信号转换成第二输出电流并输出至灯丝。
数字控制电路121可以包括控制芯片，控制芯片具有IO接口和模拟数字转换功能，数字控制电路121的IO接口与主控模块110的输出端数字通信连接，用于接收主控模块110输出的灯丝电流设定值，并将数字反馈电流发送至主控模块110。由于数字控制电路121与主控模块110数字通信连接，因此，灯丝电流设定值为数字信号。数字控制电路121的输入端与采样电路123的输出端连接，用于接收采样电路123输出的第一输出电流，并将接收到的第一输出电流进行模数转换，得到数字反馈信号。数字控制电路121根据灯丝电流设定值和数字反馈信号输出控制信号。控制信号是指控制芯片直接输出的PWM波形。
在一实施例中，数字控制电路121包括模拟数字转换电路1211和控制信号生成电路1212，其中：
模拟数字转换电路1211与采样电路123连接，用于接收采样电路123输出的第一输出电流，并将第一输出电流转换为数字反馈信号。
采样电路123的一端与数字控制电路121连接，采样电路123的另一端与功率电路122的输出端连接，用于采集第一输出电流，并将第一输出电流反馈至数字控制电路121。
在一实施例中，采样电路123包括电流互感器1231和整流电路1232，其中：
电流互感器1231的一端与功率电路122的输出端连接，电流互感器1231的另一端与整流电路1232的一端连接，用于对功率电路122输出的第二输出电流进行采样以得到采样信号。整流电路1232的另一端与数字控制电路121连接，用于对采样信号进行整流以得到第一输出电流，并将第一输出电流反馈至数字控制电路121。
电流互感器1231是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。电流互感器1231的两侧分别与功率电路122的输出端、整流电路1232的一端连接，实现对第二输出电流的采样，得到采样信号。灯丝电源模块120输出的第二输出电流采用电流互感器1231进行采样，采样电路123的电流互感器1231感应电流，并通过整流电路1232整流后转换为与电流波形成比例的电压采样波形。灯丝电源模块120将采样波形输入控制芯片，由ADC1211转换为数字信号，ADC1211的采样周期与采样波形关系如图4所示。
由图4可知，ADC1211的采样周期小于开关周期，开关周期可以理解为采样波形的周期。数字控制电路121通过明显高于开关频率的采样频率可得到第二输出电流有效值，而不需要有效值转换电路或芯片。采样周期是ADC固有的，这里的采样周期大小仅做示意进行说明，并不对采样周期的具体大小进行限定。
在一实施例中，数字控制电路121包括：模拟数字转换电路1211以及控制信号生成电路1212。控制信号生成电路1212用于根据开关周期及模拟数字转换电路1211的采样周期确定数字反馈信号，根据数字反馈信号和灯丝电流设定值确定控制信号；其中，数字反馈信号为一个开关周期内第二输出电流的有效值。
数字控制电路读取并记录一个开关周期内采样信号传输的第一输出电流，按照以下公式计算出一个开关周期内第二输出电流的有效值：
其中，Irms为一个开关周期的第二输出电流的有效值，T为一个开关周期，Δt为ADC的采样周期，In为开关周期内第n个采样得到的第一输出电流。
通过采用数字控制控制电路计算第二输出电流的有效值，可以实现一个开关周期完成一次有效值采样，大大减小了有效值芯片或模拟计算电路的采样延时，使控制延时更小，灯丝输出响应速度更快。
控制信号生成电路1212分别与模拟数字转换电路1211、主控模块110以及功率电路122连接，用于接收数字反馈信号和灯丝电流设定值，根据数字反馈信号和灯丝电流设定值确定控制信号，并输出至功率电路122。
在一实施例中，功率电路122包括驱动电路和主电路，控制信号输入至驱动电路后，驱动电路将控制信号转换为驱动信号。驱动信号是驱动主电路的PWM波形，驱动电路的种类与样式多种多样，可以用隔离芯片与隔离电源组成，也可以用驱动芯片与驱动变压器组成，驱动电路的具体形式本实施例不作限定。主电路包括开关管、电容等功率器件，其功能为通过开关管的动作输出灯丝所需电流波形，即第二输出电流。
在一实施例中，灯丝电源模块120的控制方式采用闭环控制。如图5所示，主控模块110从高压控制器获得灯丝电流设定值IS，灯丝电源模块120根据反馈的实际输出电流有效值If和灯丝电流设定值IS以数字处理方式得到最终输出电流的有效值，即第二输出电流，以使第二输出电流快速精确地跟随灯丝电流设定值IS。
具体地，灯丝电源模块120用于将灯丝电流设定值与数字反馈信号的差值进行积分得到积分值，并将积分值与积分速度参数相乘得到第一参数；将差值与误差比例参数相乘得到第二参数；将第一参数和第二参数的和作为占空比，根据占空比生成第二输出电流至灯丝。
在一实施例中，控制信号生成电路1212还用于根据输出电流有效值，确定数字反馈信号处于的电流范围；并根据电流范围调节积分速度参数和误差比例参数。
由于球管灯丝的电阻值在不同稳态电流下会发生变化，在没有电流时电阻几乎为零。因此，为了使球管灯丝电流输出控制系统在不同灯丝电阻下都能够保持快速精确的电流控制，本实施例采用边积分比例的数字控制电路121。具体地，数字控制电路121在不同稳态电流下采用不同的控制参数。由于灯丝电流在控制过程中是连续的，因此随着输出灯丝电流的变化，电流值将会跨越不同的控制区域。当采用积分速度不变，在不同控制区域使用不同的积分(Ki)与误差的比例(Kp)时，如图6所示，灯丝电流跨越不同控制区域时将会产生输出波动。而采用变积分速度(I)与误差比例(P)的参数调节方式，可以在不同控制区域内平滑过渡。控制区域是指不同输出电流范围采样的PI参数，跨越控制区域的原因是，输出电流发生变化，例如可以是输出电流从范围A进入范围B，则控制参数相应也由范围A的参数变为范围B的参数。
另外，根据功率电路122输出的电压与电流值计算可以得到灯丝阻值，通过监测灯丝阻值的变化可以预估灯丝寿命，并对由接触不良导致的灯丝阻值快速变化进行及时保护。
在一实施例中，主控模块110还用于按照预设周期持续监测灯丝电流设定值；并在监测到灯丝电流设定值变化时，对灯丝电流设定值进行更新。
高压发生器主控制器按照控制周期持续刷新灯丝设定值。在灯丝设定值变化时立即开始灯丝设定值的串行通信下发过程，即指令对齐通讯方式。参考图7，本实施例通过指令对齐通讯方式可将控制器输出灯丝设定值到数字灯丝电源收到最新指令值的时间缩短为一个通讯时间的延时，具有较高实时性。非对齐的通讯方式相对于对齐通信方式，延时更大且延时不固定。利用高频串行通信与对齐通讯方式，数字灯丝电源的通讯延时可以大幅的缩小，其输出响应速度比模拟控制灯丝电源更快。
本实施例提供的球管灯丝电流输出控制系统，包括主控模块110和灯丝电源模块120，其中：主控模块110用于输出灯丝电流设定值；灯丝电源模块120与主控模块110数字通信连接，用于接收主控模块110输出的灯丝电流设定值；灯丝电源模块120还用于采集第一输出电流，并将第一输出电流转换为数字反馈信号，根据灯丝电流设定值以及数字反馈信号，灯丝电源模块120控制第二输出电流输出至灯丝。本申请提供的球管灯丝电流输出控制系统，主控模块110输出的灯丝电流设定值和接收的反馈信号均为数字信号，在传输过程中避免了ADC、DAC与传输路径上的误差。从而提高了控制精度。另外，灯丝电源模块120使用AD直接对灯丝输出电流波形进行采样，再通过函数运算得到输出电流有效值，有效的减小了采样延时使控制响应速度更快，可以实现灯丝电流快速精确的调节。另外，本申请提供的球管灯丝电流输出控制系统减少了AD、DA、RMS等芯片的使用，降低了高压发生器成本。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种球管灯丝电流输出控制系统，其特征在于，所述系统包括主控模块和灯丝电源模块，其中：
所述主控模块用于输出灯丝电流设定值，其中，所述灯丝电流设定值为数字信号；
所述灯丝电源模块与所述主控模块数字通信连接，所述灯丝电源模块用于接收所述主控模块输出的所述灯丝电流设定值；所述灯丝电源模块还用于对由所述灯丝电源模块控制输出至灯丝的第二输出电流进行采集以得到第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为数字反馈信号，以及根据所述灯丝电流设定值以及所述数字反馈信号，控制第二输出电流输出至灯丝；
其中，所述灯丝电源模块包括数字控制电路、功率电路以及采样电路；
所述数字控制电路与所述主控模块数字通信连接，用于接收所述主控模块传输的灯丝电流设定值以及采样电路传输的第一输出电流，对所述第一输出电流进行模数转换得到数字反馈信号，并根据所述灯丝电流设定值和数字反馈信号输出控制信号，其中，所述数字反馈信号为一个开关周期内所述第二输出电流的有效值；
其中，所述数字控制电路包括：
模拟数字转换电路，与所述采样电路连接，用于接收所述采样电路输出的所述第一输出电流，并将所述第一输出电流转换为所述数字反馈信号；
控制信号生成电路，所述控制信号生成电路分别与所述模拟数字转换电路、所述主控模块以及所述功率电路连接，用于根据开关周期及所述模拟数字转换电路的采样周期确定所述数字反馈信号，接收所述灯丝电流设定值，根据所述数字反馈信号和所述灯丝电流设定值确定控制信号，并输出至所述功率电路；
所述功率电路与所述数字控制电路连接，用于将所述控制信号转换成第二输出电流并输出至灯丝；
所述采样电路的一端与所述数字控制电路连接，所述采样电路的另一端与所述功率电路的输出端连接，用于对所述第二输出电流进行采集以得到第一输出电流，并将所述第一输出电流反馈至所述数字控制电路；
其中，所述数字控制电路，用于读取并记录一个开关周期内采样信号传输的第一输出电流，并计算出所述开关周期内第二输出电流的有效值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述灯丝电源模块与所述主控模块串行或并行通信连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采样电路包括电流互感器和整流电路；
所述电流互感器的一端与所述功率电路的输出端连接，所述电流互感器的另一端与所述整流电路的一端连接，用于对所述功率电路输出的第二输出电流进行采样以得到采样信号；
所述整流电路的另一端与所述数字控制电路连接，用于对所述采样信号进行整流以得到第一输出电流，并将所述第一输出电流反馈至所述数字控制电路。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制信号生成电路用于根据开关周期及模拟数字转换电路的采样周期确定所述数字反馈信号，根据所述数字反馈信号和所述灯丝电流设定值确定控制信号；其中，所述数字反馈信号为一个开关周期内所述第二输出电流的有效值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述采样周期小于所述开关周期。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述灯丝电源模块的控制方式采用闭环控制。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述灯丝电源模块用于将所述灯丝电流设定值与所述数字反馈信号的差值进行积分得到积分值，并将所述积分值与积分速度参数相乘得到第一参数；将所述差值与误差比例参数相乘得到第二参数；将所述第一参数和第二参数的和作为占空比，根据所述占空比生成所述第二输出电流至灯丝。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控模块还用于按照预设周期持续监测灯丝电流设定值；在监测到所述灯丝电流设定值变化时，对所述灯丝电流设定值进行更新。
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