CN116390326A - 一种x波段轻量化加速器主控盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X波段轻量化加速器主控盒，包括：低压电源板、继电器板、主控板、加速器控制电路板和‑400V电离室电源模块；所述‑400V电离室电源模块为DC‑400V固定电压输出给电离室供电，最大输出电流20mA，带0‑3V电压反馈，该电压值经所述主控板的模拟量采集后实现输出电压的实时监测和保护；所述加速器控制电路板用于对X波段轻量化加速器进行自动频率控制，对X射线剂量率的实时采集，以及加速器运行参数的采集输出，所述自动频率控制采用锁相调频技术，确保磁控管的输出频率和加速管的谐振频率保持一致；上述各组成部件封装于封闭的铝盒内。所述X波段轻量化加速器的主控盒体积小、重量轻、结构优，可实现X波段轻量化加速器的运行控制和状态监测。
Description
技术领域
本发明涉及电气控制领域，具体而言，涉及一种X波段轻量化加速器主控盒。
背景技术
传统S波段电子直线加速器电气控制系统体积庞大，结构复杂，需要制作专门的操作控制台。其中，控制核心采用西门子S7-200PLC，成本高、体积大、使用不灵活。加速器控制电路主要包括自动频率控制电路、剂量率采集电路，运行参数保护电路、时序调整电路等，需要多块电路板才能实现上述控制功能。采用欧姆龙功率继电器，每个继电器需配备一个底座用于接线，占用空间大。电离室-400V供电需先经过变压器隔离降压，再经过整流升压电路输出-400V直流电压。由于整个电气控制系统结构复杂，元器件众多，所需5V、±15V和24V直流电源功耗大，所使用的低压直流电源功率大，体积也大。
X波段轻量化加速器与传统S波段电子直线加速器的区别在于，无需专用的探伤室和行车，只需2-3人便可实现设备的运输、展开、操作，因此对其电气控制系统也提出了要求：结构简单可靠、体积小、重量轻。
基于上述要求，设计了X波段轻量化加速器专用的主控盒。该主控盒采用STM32单片机替代PLC作为控制核心，根据X波段轻量化加速器的实际需求确定主控板各功能接口的数量，同时将主控板和加速器控制电路一体化设计，大大减少了控制电路板的体积；-400V电离室电源采用专用的隔离电源模块，同时带有电压反馈输出，使电气结构进一步精简。整体电气控制结构的优化和简化，也使各直流电源模块的功率显著减小。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出了X波段轻量化加速器的主控盒，所述X波段轻量化加速器的主控盒体积小、重量轻、结构优，可实现X波段轻量化加速器的运行控制和状态监测。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种X波段轻量化加速器主控盒，包括低压电源板、继电器板、主控板、加速器控制电路板和-400V电离室电源模块；
所述-400V电离室电源模块为DC-400V固定电压输出给电离室供电，最大输出电流20mA，带0-3V电压反馈，该电压值经所述主控板的模拟量采集后实现输出电压的实时监测和保护；
所述加速器控制电路板用于对X波段轻量化加速器进行自动频率控制，对X射线剂量率的实时采集，以及加速器运行参数的采集输出，所述自动频率控制采用锁相调频技术，确保磁控管的输出频率和加速管的谐振频率保持一致；
上述各组成部件封装于封闭的铝盒内。
优选地，所述低压电源板包括5V、±15V和24V三个板载式AC/DC电源模块，输入电压均为交流220V，功率均在30W以内，具有功耗低、体积小、可靠性高、安全隔离特点；
所述低压电源板中，DC5V提供给主控板，DC±15V提供给所述加速器控制电路板，DC24V用于联锁信号。
优选地，所述继电器板包括8个继电器，其最大切换电压为440VAC/300VDC，最大切换电流为8A，满足加速器控制及供电系统要求；
所述继电器板上的继电器分别用于控制±15V、24V、-400V电源的通断。
优选地，所述主控板包括主控板电源模块、单片机、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、脉冲输入/输出模块和以太网通讯模块功能模块；
所述数字量输入模块用于采集X波段加速器的控制指令、状态信息和故障信号，采用光隔元件对输入信号进行隔离；
所述数字量输出模块通过继电器控制加速器的运行以及保护电路的动作；
所述以太网通讯模块，通过MODBUS-TCP协议与上位操作界面进行通讯，接收上位机的控制指令同时上传加速器的运行状态。
优选地，所述单片机模拟量输入电压范围0-3.3V，所述系统设计了模拟量输入信号调理电路，把模拟量限定在0-3.3V之间。
优选地，所述单片机型号为STM32H750。
优选地，所述主控板电源模块为LM1085-3.3V线性稳压器，将输入DC5V电压转换为DC3.3V给所述单片机供电。
优选地，所述脉冲输入模块对加速器重复频率进行实时采集，采用单片机的外部时钟计数器对重复频率进行输入捕获。
优选地，所述脉冲输出模块利用单片机的定时器产生加速器的重复频率脉冲，可在50Hz-250hz之间连续变化。
优选地，所述对X射线剂量率的实时采集，包括：取自电离室的脉冲信号进行处理，使其转化为与剂量率成正比的直流信号，经单片机模拟量采集并处理后在上位界面进行显示。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明提出了一种X波段轻量化加速器主控盒，优化了电气控制系统的原理，精简了各电路的结构，可根据X波段轻量化加速器的实际需求定制各功能模块的数量，减少了系统的冗余，使系统的针对性强、可靠性提高，同时降低了的功耗，主控盒的体积和重量显著减小，满足设备轻量化的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明主控板的输入隔离电路原理图；
图2为本发明剂量率采样电路原理图。
具体实施方式
下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了本发明提供了一种X波段轻量化加速器主控盒，包括低压电源板、继电器板、主控板、加速器控制电路板和-400V电离室电源模块；
所述-400V电离室电源模块为DC-400V固定电压输出给电离室供电，最大输出电流20mA，带0-3V电压反馈，该电压值经所述主控板的模拟量采集后实现输出电压的实时监测和保护；
所述加速器控制电路板用于对X波段轻量化加速器进行自动频率控制，对X射线剂量率的实时采集，以及加速器运行参数的采集输出，所述自动频率控制采用锁相调频技术，确保磁控管的输出频率和加速管的谐振频率保持一致；
上述各组成部件封装于封闭的铝盒内。
本发明提出了一种X波段轻量化加速器主控盒，优化了电气控制系统的原理，精简了各电路的结构，可根据X波段轻量化加速器的实际需求定制各功能模块的数量，减少了系统的冗余，使系统的针对性强、可靠性提高，同时降低了的功耗，主控盒的体积和重量显著减小，满足设备轻量化的要求。
进一步地，所述对X射线剂量率的实时采集，包括：取自电离室的脉冲信号进行处理，使其转化为与剂量率成正比的直流信号，经单片机模拟量采集并处理后在上位界面进行显示。
铝盒内部上侧从左到右依次为：低压电源板、继电器板、加速器控制电路板；下侧从左到右依次为：-400V电离室电源、主控板。控制盒后面板为控制线缆航插，左右两侧开有散热孔，前面板装有一个急停按钮。整个主控盒重7kg，长宽高为375mm×440mm×285mm。
所述低压电源板包括DC5V、DC±15V和DC24V三个电源模块,采用金升阳板载式AC/DC模块电源，输入电压均为交流220V，功率均在30W以内，具有体积小、功耗低、效率高、可靠性高、安全隔离等特点。电路板上每个电源模块的输出端均装有指示灯和开关，便于通断指示和单独控制。
所述低压电源板中，DC5V电压提供给主控板，DC±15V电压提供给加速器控制电路板，直流24V电压用于联锁信号、-400V电离室电源等供电。
所述继电器板上包括8个继电器，其最大切换电压为440VAC/300VDC，最大切换电流为8A，满足加速器控制及供电系统要求，每个继电器都有通断指示灯。
通过主控板I/O口控制继电器板上的继电器通断，分别用于控制±15V、24V、冷却风扇、-400V等供电。
所述主控板主要包括主控板电源模块、16路数字量输入、12路数字量输出、8路继电器输出、7路模拟量输入、1路脉冲输入、4路脉冲输出和1路以太网口。上述各接口数量根据X波段轻量化加速器的需求定制设计。
所述主控板电源模块使用LM1085-3.3V线性稳压器，将输入DC5V电压转换为DC3.3V给单片机供电。
所述STM32单片机型号为STM32H750。
所述数字量输入模块用于采集X波段加速器的控制指令、状态信息和故障信号。为防止加速器工作时产生的高压及高频信号对单片机造成干扰或损坏，以及外部信号不同电平与单片机3.3V之间的电平转换，采用TLP521光隔元件对输入信号进行隔离，光隔输入测的指示灯可对输入状态进行指示，电路原理图如图1所示。
所述数字量输出模块通过继电器控制加速器的运行、供电以及保护电路的动作；所述继电器板所使用的继电器最小线圈电压为5V，单片机引脚无法直接驱动该继电器线圈，采用74LV4245进行电平转换，将3.3V转换为5V输出；再通过ULN2003功率缓冲器来驱动继电器工作。
所述模拟量输入口采集加速器运行参数，包括剂量率、电子枪灯丝电流、电子枪发射电流、真空电流、-400V电压、自动频率控制的位置和误差等模拟量参数。STM32单片机模拟量输入电压范围0-3.3V，超过该范围会损坏单片机。模拟量输入电路采用RC阻容滤波，双二极管BAT54S对输入电压进行钳位保护，可将输入电压限定在0-3.3V之间。
所述脉冲输入模块可对加速器重复频率进行实时采集，采用光隔元件对该重复频率信号进行隔离。使用单片机的外部时钟计数器进行输入捕获。
所述脉冲输出是利用STM32单片机的定时器产生占空比为50％的加速器重复频率脉冲，可在50Hz-250hz之间连续变化。
所述以太网通讯模块，通过MODBUS-TCP协议与上位操作界面进行通讯，接收上位机的控制指令同时上传加速器的运行状态。上位机对加速器的控制指令主要有电源、待机、开机、出束、停束、急停以及自动频率控制等；上位机所显示的加速器运行状态主要包括故障状态、运行参数等。
所述加速器控制电路板可实现X波段轻量化加速器的自动频率控制，对X射线剂量率的实时采集，以及加速器运行参数的采集输出。
所述自动频率控制采用锁相调频技术，确保磁控管的输出频率和加速管的谐振频率保持一致。所述自动频率控制的两个重要参数：位置信号和误差信号，经信号调理电路处理后输出给单片机的模拟量输入口，进行显示和限位保护。
加速器的剂量率信号取自电离室。由于加速器产生的是和重复频率相关的脉冲式的X射线，因此经电离室转化的电压信号也是随重复频率周期性波动的信号，且波动较大。该信号经AD585反向放大电路并滤波后，波动变小但无法消除。若重复频率在250Hz时，波动周期为4ms，由于单片机模拟量采样频率很高，会在一个重复频率周期内采集到不同的点，导致剂量率频繁跳动。单片机程序中设定模拟量0.5ms采样一次，采样40次再取平均值，这样每次取值的时间为20ms,可以覆盖50Hz-250Hz之间不同的波动周期，实测剂量率显示稳定。
剂量率采样电路原理图如图2所示，AD515为单片高精度、低功耗FET输入静电计运算放大器。电离室原始信号经AD515反向放大后，进入STM32H750单片机模拟量采集模块。可通过调整R81电阻阻值改变电路放大倍数，进而对剂量率显示值进行修正。
-400V电离室电源模块为DC-400V固定电压输出，最大输出电流20mA，体积小，外形尺寸仅为50*35*20mm；带0-3V电压反馈，该电压值经STM32单片机的模拟量采集后实现输出电压的实时监测和保护。
在本实施例中，所述一种X波段轻量化加速器主控盒已经应用于X波段轻量化加速器上，经长时间出束测试，工作稳定可靠。该控制盒也可应用于其它类型加速器产品，根据其要求进行功能定制，以实现最优化设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，包括：低压电源板、继电器板、主控板、加速器控制电路板和-400V电离室电源模块；
所述-400V电离室电源模块为DC-400V固定电压输出给电离室供电，最大输出电流20mA，带0-3V电压反馈，该电压值经所述主控板的模拟量采集后实现输出电压的实时监测和保护；
所述加速器控制电路板用于对X波段轻量化加速器进行自动频率控制，对X射线剂量率的实时采集，以及加速器运行参数的采集输出，所述自动频率控制采用锁相调频技术，确保磁控管的输出频率和加速管的谐振频率保持一致；
上述各组成部件封装于封闭的铝盒内。
2.根据权利要求1所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述低压电源板包括5V、±15V和24V三个板载式AC/DC电源模块，输入电压均为交流220V，功率均在30W以内，具有功耗低、体积小、可靠性高、安全隔离特点；
所述低压电源板中，DC5V提供给主控板，DC±15V提供给所述加速器控制电路板，DC24V用于联锁信号。
3.根据权利要求1所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述继电器板包括8个继电器，其最大切换电压为440VAC/300VDC，最大切换电流为8A，满足加速器控制及供电系统要求；
所述继电器板上的继电器分别用于控制±15V、24V、-400V电源的通断。
4.根据权利要求1所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述主控板包括主控板电源模块、单片机、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、脉冲输入/输出模块和以太网通讯模块功能模块；
所述数字量输入模块用于采集X波段加速器的控制指令、状态信息和故障信号，采用光隔元件对输入信号进行隔离；
所述数字量输出模块通过继电器控制加速器的运行以及保护电路的动作；
所述以太网通讯模块，通过MODBUS-TCP协议与上位操作界面进行通讯，接收上位机的控制指令同时上传加速器的运行状态。
5.根据权利要求4所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述单片机模拟量输入电压范围0-3.3V，所述系统设计了模拟量输入信号调理电路，把模拟量限定在0-3.3V之间。
6.根据权利要求5所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述单片机型号为STM32H750。
7.根据权利要求4所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述主控板电源模块为LM1085-3.3V线性稳压器，将输入DC5V电压转换为DC3.3V给所述单片机供电。
8.根据权利要求4所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述脉冲输入模块对加速器重复频率进行实时采集，采用单片机的外部时钟计数器对重复频率进行输入捕获。
9.根据权利要求4所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述脉冲输出模块利用单片机的定时器产生加速器的重复频率脉冲，可在50Hz-250hz之间连续变化。
10.根据权利要求1所述的X波段轻量化加速器主控盒，其特征在于，所述对X射线剂量率的实时采集，包括：取自电离室的脉冲信号进行处理，使其转化为与剂量率成正比的直流信号，经单片机模拟量采集并处理后在上位界面进行显示。
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