CN111130420B - 一种数字化x线球管单相旋转阳极电机的双速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字化X线球管单相旋转阳极电机的双速控制方法，逆变驱动电路发送SPWM信号至用于触发控制单相旋转阳极电机的拓扑结构，通过控制拓扑结构的各晶体管进而控制单相旋转阳极电机。本发明使用STM32F4系列ARM，可以降低成本，可方便移植嵌入式系统，片上外设资源丰富，便于增加扩展功能。采用混合式单向逆变驱动方式，完美匹配主控芯片PWM输出的特殊性和局限性，方式实用便捷。算法简单，实现容易。
Description
技术领域
本发明属于X线摄影系统的技术领域，具体地说是数字化X线球管单相旋转阳极电机的双速控制实现方式。
背景技术
在X线摄影系统中，球管阳极分为固定阳极和旋转阳极两种，固定阳极虽然结构简单，制造成本低，但负载容量、高速电子撞击靶面面积、连续负载工作等受限，常用于小型X线机。旋转阳极X线管的阳极靶为一个可以高速旋转的圆盘，在发生X线时，高速电子轰击的不再是靶面的固定位置，而是以个转动的环形面积上，使热量分布面积大大增加，从而大大提高了X线管的功率，带动阳极靶面旋转的部件就是旋转阳极电机转子。
旋转阳极电机的转动频率根据不同球管参数而不同，分为高速/低速和只有低速两种模式；低速实际转速约为2800r/min(f＝50Hz)，高速一般为8500r/min(f＝150Hz),转速越高，电子束在某点停留的时间越短，靶面温度差越小，X线管的功率越大。
在旋转阳极电机驱动控制中，X线发生时，旋转阳极电机首先要进入阳极电机启动状态，该状态需要电压和电流较大，启动完成后，进入阳极电机运行状态，此状态所需的电压和电流较小，上述阳极电机的启动和运行状态的频率不变，因此，在启动和运行的过程中，需要对输出电压的幅值进行调节。
目前旋转阳极控制技术应用较为广泛的是两相异步电机的变频调速，有移相电容和非移相电容两种，采用控制芯片一般都是DSP控制；非移相电容技术对输入电源有明确限制，直流电压利用率较低，大概在70％左右，如果输出220VAC有效值的交流电源，那么需要母线电压直流为(220V*1.414/0.7)＝440V以上的直流输入电压；对于增加移相电容的技术与发明一致，但选用DSP作为主控芯片虽然控制手段灵活，但更适用于复杂算法控制，资源利用率低，成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种X线球管单相旋转阳极电机的双速控制实现方式，目的是为了提出一种实现更简单，成本更低，以ARM作为主控芯片的旋转阳极电机控制新方式；该控制方法采用移相电容连接辅助绕组的硬件连接方式，对输入母线电压的要求低，可以直接连接网电源220VAC/50Hz。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种数字化X线球管单相旋转阳极电机的双速控制方法，其特征在于包括以下步骤：
逆变驱动电路发送SPWM信号至用于触发控制单相旋转阳极电机的拓扑结构，通过控制拓扑结构的各晶体管进而控制单相旋转阳极电机。
拓扑结构采用三相全桥电路。
所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式，包括以下步骤：
在t1时刻，在第一组桥臂的上MOS管V1、下MOS管V2和第二组桥臂的上MOS管V3、下MOS管V4互补输出SPWM信号；第三组桥臂的上MOS管V5、下MOS管V6中V6的输出完全开启，即输出半个周期的高电平信号，V5的输出完全关闭，即输出半个周期的低电平信号，即产生一路SPWM正半周的输出；
在半个周期过后的t2时刻，V5和V6输出对称互补的SPWM信号，V2和V4的输出完全开启，即输出半个周期的高电平信号,V1和V3的输出完全关闭，即输出半个周期的低电平信号，即产生一路SPWM负半周的输出。
所述SPWM信号的占空比通过如下方式得到：
计算拓扑结构电流输出的反馈值和给定值之间的差，通过PID控制得到偏差，将该偏差与幅值设定值做差，即得占空比。
所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式时，逆变驱动电路中的主控芯片采用STM32系列ARM。
所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式时，在单相旋转阳极电机的辅助绕组外串接移相电容。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明使用STM32F4系列ARM，可以降低成本，可方便移植嵌入式系统，片上外设资源丰富，便于增加扩展功能。
2.采用混合式单向逆变驱动方式，完美匹配主控芯片PWM输出的特殊性和局限性，方式实用便捷。
3.算法简单，实现容易。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的混合式单向逆变控制方式波形；
图3为本发明的拓扑结构输出正半周示意图；
图4为本发明的拓扑结构输出负半周示意图；
图5为本发明的输出反馈控制电路方框示意图；
图6为本发明的旋转阳极电机控制简要流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供的一种数字化X线球管单向旋转阳极电机的双速控制实现方式，以STM32F4系列ARM作为核心，通过集成功率控制CIPOS模块构成三路全桥拓扑结构，采用混合式单向SPWM逆变驱动单相旋转阳极电机，其拓扑结构和逆变驱动选取是最关键要素，通过单电流取样和软件PID调节控制电流的稳定输出，通过本发明，既可以完成驱动旋转阳极电机的需求，又可以降低产品成本，便于扩展外部功能和集成嵌入式系统。
本发明的硬件电路如图1所示：包括全桥整流电路、逆变驱动电路、拓扑电路；全桥整流电路将市电转为直流电压，当系统系统工作时，ARM的驱动管脚输出SPWM驱动信号，经驱动隔离芯片传输至拓扑结构中功率开关管的控制端，功率开关管按接收到的控制方式进行周期性的导通或关断，母线直流电压逆变后产生驱动阳极电机的工作交流电压，交流电流由电流采样模块取样后，取样信号进ARM取样管脚，软件PID调节输出SPWM信号占空比，形成单电流闭环回路，输出设定SPWM驱动信号，最终输出设定的旋转阳极电机驱动电压；
其中，逆变驱动电路包括主控芯片、驱动隔离芯片，主控芯片ARM内部比较器与基准正弦波电压进行比较，输出脉冲宽度按正弦规律变化的正弦波等效PWM波形，即SPWM驱动波形，ARM输出SPWM驱动波形至驱动隔离芯片，驱动隔离芯片为高速隔离光耦，采用驱动隔离芯片的目的是防止强电地对数字地的干扰，最终实现低压控制的逆变驱动电路输出驱动高压母拓扑中功率开关管的作用。
主控芯片，STM32F4系列ARM芯片；
拓扑结构，是功率器件的重要组成部分，接收来自ARM驱动管脚到驱动隔离芯片的SPWM信号，控制拓扑结构中功率开关管的周期性导通和关断，实现主回路母线直流电压逆变成驱动旋转阳极电机的交流电压的功能。采用三路全桥两相异步电机变频调速的拓扑结构，所述三路全桥架构为集成功率控制CIPOS模块内部结构实现，所述两相异步电机是具有主绕组和辅助绕组两相的旋转阳极电机。
软件算法为对称规则采样算法和单电流闭环PID调节，对称规则采样算法实现控制所述CIPOS模块输出的幅值和频率，所述单电流闭环PID调节是通过取样电路取样的电流反馈值与电流的实际设定值进行比较，根据所述PID算法计算得出的误差关系来控制所述电流反馈值跟随所述电流设定值的变化；所述取样电流包括电流霍尔取样电路、取样后放大电路和所述主控芯片的A/D取样电路。
逆变驱动方式，采用混合式单向SPWM控制方式。
对称规则采样算法调节频率和幅值，PID算法实现单电流闭环控制，混合式单向SPWM控制方式配合ARM的180°互补PWM功能输出。
相对于主流DSP芯片,STM32F4系列ARM相对新颖，价格便宜，发明控制开关频率和单电流闭环的实现算法简单，ARM内核资源足够，不会造成资源浪费；拓扑结构作为主功率器件，其特点是高集成，耐高压，大电流，且具有故障保护功能，相对于分离器件，无需外部搭建自举电路，进一步缩小成本和节约空间；驱动旋转阳极电机输出对于有移相电容和无移相电容均适用。
逆变驱动方式适用于ARM芯片的互补PWM功能输出只能为对称180°互补引脚的特殊性，传统的单向或双向SPWM控制方式均不适用于ARM作为主控芯片且在三路全桥两相异步电机变频调速的拓扑结构下。
对称规则算法，引用算法计算，通过控制载波比和调制比，可以调节逆变输出的频率和幅值；
单电流闭环是通过软件PID算法计算输出电流的反馈值和给定值之间的差异，调节电流使得反馈值跟随给定值的变化，使得旋转阳极电机电流可以平稳输出。
混合式单向SPWM控制方式，STM32系列ARM的PWM输出功能，对于互补SPWM输出，需要严格按照180°互补输出原则，传统的单向SPWM和双向SPWM控制方式均不适用于本发明，因此就采用混合式单向SPWM控制方式。
所述的混合式单相SPWM控制方式的具体实现方法为：在起始的t1时刻，同一桥臂的上下MOS管V1,V2和第二组桥臂的上下MOS管V3,V4互补输出SPWM信号，另一组桥臂的上下MOS管V5,V6，所述V6完全开启输出，即输出半个周期的高电平信号，所述V5完全关闭输出，即输出半个周期的低电平信号，这样就会产生一路SPWM正半周的输出；在半个周期过后的t2时刻，所述V5和V6输出对称互补的SPWM信号，所述V2和V4完全开启输出，即输出半个周期的高电平信号,所述V1和V3完全关闭输出，即输出半个周期的低电平信号，这样就会产生一路SPWM负半周的输出，这样就完成了整个周期的驱动过程。
主绕组和辅助绕组的驱动信号相同，在辅助绕组外串接移相电容驱动旋转阳极电机，也可以单独控制主绕组和辅助绕组。
本发明提出了一种数字化X线球管单向旋转阳极电机的双速控制电路和软件实现方式，由附图1可知，该方式采用STM32F4系列ARM作为主控芯片，通过采用混合式单向SPWM逆变方式、对称规则采样算法，经隔离驱动后接CIPOS模块，模块输出驱动旋转阳极电机，闭环采用电流霍尔传感器采样电流反馈值，反馈值经运放放大后进入ARM的A/D输入管脚，采用单电流闭环PID算法稳定输出电流，完成对旋转阳极电机的双速控制。
附图2和附图3所示逆变控制实际开关管状态，附图4所示混合式单向逆变控制方式波形，在输出电压的正半周，混合逆变方式V5和V6低频互补，V5常闭，V6常通；V1和V2桥臂，V3和V4桥臂高频脉宽调制，且互补，V1与V3的驱动波形一致，V2和V4的驱动波形一致；
在输出电压的负半周，V1、V3桥臂和V2、V4桥臂低频互补，V5和V6桥臂高频脉宽调制，且互补。
在混合式单向逆变控制方式下，保证有一路或两路桥臂互补高频输出，可以得到理想的SPWM输出电压，另外两路或一路桥臂互补低频输出，这样可以保证功率管的工作状态均衡，ARM设定互补死区时间，确保不会出现桥臂直连的情况，提高安全性和可靠性。
采用对称规则采样算法，它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波)与三角波相交，由交点得到脉冲宽度。利用如下公式：
其中：ton为开关管(V1-V6中任一个)导通时间，Tc是三角波的载波周期，M是调制比，N是载波比，k是一个周期的采样计数值。
根据Tc确定驱动频率，调节M可以控制SPWM输出的幅值，调节N可以调节输出的频率。将此SPWM输出的幅值作为幅值设定值，与PID输出的偏差offset做差即得到SPWM的输出占空比。如图5所示。
在旋转阳极电机驱动控制中，X线发生时，旋转阳极电机首先要进入阳极电机启动状态，该状态需要电压和电流较大，启动完成后，进入阳极电机运行状态，此状态所需的电压和电流较小，上述阳极电机的启动和运行状态的频率不变，因此，在启动和运行的过程中，需要对输出电压的幅值进行调节，主要控制调制比M。
旋转阳极电机的转动频率根据不同球管参数而不同，分为高速/低速和只有低速两种模式；低速实际转速约为2800r/min(f＝50Hz)，高速一般为8500r/min(f＝150Hz),转速越高，电子束在某点停留的时间越短，靶面温度差越小，X线管的功率越大，对于转速的控制，主要控制载波比N，本发明可以在阳极静止或运行时自由切换。
完成上述阳极启动和运行过程，就进入了阳极停止阶段；阳极停止阶段的控制方式采用低速自由滑行，利用摩擦力停止，高速刹车停止。低速停止过程，关闭所有开关管，自由滑行，利用摩擦力停止；高速采用-90°驱动增加反向磁动势的方式，停止阳极的高速转动，刹车驱动时间大概10ms，阳极电机停转时间限制在1s以内。
单电流闭环的PID调节功能，为了稳定电流输出，设计采用单电流闭环软件PID的调节方式，算法公式如下：
offset＝Kp×Err(k)+Ki×∑Err(j)+Kd×(Err(k)-Err(k-1))
其中offset是调节量，Err是误差值，Kp是比例因子，Ki是积分因子，Kd是微分因子；
通过调节三者数值来达到一个最优的反馈值跟随跟定制的调整时间。电流反馈值通过电流霍尔传感器取样，经运算放大器放大后，由ARM的A/D输入管脚取样PID计算后，输出对应占空比，调节输出电流。
如图6所示为软件控制阳极在不同状态下的简要流程图，开机初始化完成后，阳极电机进入空闲状态，当PREP(曝光手柄按下启动工作的信号)产生后，阳极跳出空闲状态进入启动状态，若停止PREP信号，阳极切换回空闲模式前需要判断是否是高速启动，如果是高速启动，就需要刹车制动，如果低速启动，就关闭输出信号，惯性停止，然后阳极回到空闲状态；2.启动完成，然后阳极进入运行状态，如果停止PREP信号，阳极就会退出运行状态，高速需制动停止，低速利用惯性摩擦力停止。在运行状态下可以进行转速的切换。3.制动模式下有高速时PREP信号停止的制动模式，该制动完成后阳极状态切换到空闲状态，还有一种制动模式是高速切换低速时的制动，该制动完成后阳极状态切换到启动模式；4.速度切换时分为高速切换低速和低速切换高速两种模式，高速切换低速时，需要制动，制动完成后阳极电机自动进入低速的启动状态，如果低速切换高速时，只需要利用惯性摩擦力自由停止即可。5.以上状态均不符合要求时，故障报错，阳极状态切换回空闲状态。PREP为曝光手柄按下启动工作的信号。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明的串一种数字化X线球管单向旋转阳极电机的双速控制电路和软件实现方式。但是本领域技术人员应该理解，对于上述本发明所提出的一种数字化X线球管单向旋转阳极电机的双速控制电路和软件实现方式，还是可以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 (2)
1.一种数字化X线球管单相旋转阳极电机的双速控制方法，其特征在于包括以下步骤：
逆变驱动电路发送SPWM信号至用于触发控制单相旋转阳极电机的拓扑结构，通过控制拓扑结构的各晶体管进而控制单相旋转阳极电机；
拓扑结构采用三相全桥电路；
所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式，包括以下步骤：
在t1时刻，在第一组桥臂的上MOS管V1、下MOS管V2和第二组桥臂的上MOS管V3、下MOS管V4互补输出SPWM信号；第三组桥臂的上MOS管V5、下MOS管V6中V6的输出完全开启，即输出半个周期的高电平信号，V5的输出完全关闭，即输出半个周期的低电平信号，即产生一路SPWM正半周的输出；
在半个周期过后的t2时刻，V5和V6输出对称互补的SPWM信号，V2和V4的输出完全开启，即输出半个周期的高电平信号,V1和V3的输出完全关闭，即输出半个周期的低电平信号，即产生一路SPWM负半周的输出；
所述SPWM信号的占空比通过如下方式得到：
计算拓扑结构电流输出的反馈值和给定值之间的差，通过PID控制得到偏差，将该偏差与幅值设定值做差，即得占空比；
所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式时，在单相旋转阳极电机的辅助绕组外串接移相电容。
2.根据权利要求1所述的一种数字化X线球管单相旋转阳极电机的双速控制方法，其特征在于，所述逆变驱动电路发送SPWM信号至拓扑结构采用混合式单向SPWM控制方式时，逆变驱动电路中的主控芯片采用STM32系列ARM。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 117004 No.9 Yaodu street, economic and Technological Development Zone, Benxi City, Liaoning Province Patentee after: Kuantang (Liaoning) Medical Equipment Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 117004 No.9 Yaodu street, economic and Technological Development Zone, Benxi City, Liaoning Province Patentee before: LIAONING KAMPO MEDICAL SYSTEM Co.,Ltd. Country or region before: China |
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