CN117097160A - 一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统及方法，包括，高压发生器；电流采样模块；电压采样模块；mA控制环路；kV控制环路；解耦控制模块；所述电流采样模块与mA控制环路电性连接，所述电压采样模块与kV控制环路电性连接，所述mA控制环路与kV控制环路通过解耦控制模块通讯连接。控制系统从参数输入端输入电流和/或电压指令将电流和/或电压指令传递到解耦控制模块中；当变化的电流指令输入到解耦控制模块中会产生相应的频率△fskV令谐振变换器增益改变，抵消因电流变化引起的电压波动，使输出的kV和mA均可以快速同时达到指令值，实现了kV和mA的独立控制。
Description
技术领域
本申请涉及高压发生器技术的技术领域，尤其是涉及一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统及方法。
背景技术
现有的各种X射线设备都具有高压发生器和X射线球管。高压发生器用于产生千伏级的直流高压，此直流高压可以是正高压，也可以是负高压。将直流高压加载到X射线球管的阴极和阳极之间，使得X射线球管中的灯丝被加热产生电子后，在高压电场的加速作用下轰击阳极靶面产生X射线。
在相关技术中，灯丝温度或者说灯丝电流大小相等的情况下，kV的大小会影响mA的输出大小；在谐振变换器输出频率相等的情况下，即控制条件相同情况下，kV和mA的大小随着其中任一数值改变，另一数值也会随之改变，所以kV和mA是互相耦合的，这样的耦合特性使得kV和mA的稳定速度降低，动态性能减弱。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在有以下缺陷：在高压发生器给球管供电时，电路中会出现耦合特性使得mA和kV相互影响。
发明内容
为了实现kV和mA的独立控制，本申请提供一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统及方法。
第一方面，本申请提供了一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，采用如下技术方案：
一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，包括：
高压发生器；
电流采样模块，所述电流采样模块用于控制传输至灯丝的采样电流；
电压采样模块，所述电压采样模块用于控制输出至球管的采样电压；
mA控制环路，所述mA控制环路用于对输入的环路电流与采样电流进行修正并合为合成电流；
kV控制环路，所述kV控制环路用于对输入的合成电压进行修正；
解耦控制模块，mA电流和kV电压流经解耦控制模块时通过设置参数输入端，使kV电压或/和mA电流修正至预设目标电压值或/和电流值进而调节谐振变换器的增益以抵消对应的输出波动；以及
所述电流采样模块与mA控制环路电性连接，所述电压采样模块与kV控制环路电性连接，所述mA控制环路与kV控制环路通过解耦控制模块通讯连接。
通过采用上述技术方案，控制系统从参数输入端输入电流和/或电压指令将电流和/或电压指令传递到解耦控制模块中；当变化的电流指令输入到解耦控制模块中会产生相应的频率△fskV令谐振变换器增益改变，抵消因电流变化引起的电压波动，使输出的kV和mA均可以快速同时达到指令值，实现了kV和mA的独立控制。
可选的，所述解耦控制模块包括第一参数输入端和第二参数输入端，所述第一参数输入端和第二参数输入端均为PI控制器。
通过采用上述技术方案，可以将输入的电流和电压进行修正，以矫正电路中出现耦合特性的情况，并在提高mA控制速度加快mA稳定的同时kV输出不会发生波动。
可选的，所述第一参数输入端和第二参数输入端包括数据获取单元、数据存储单元和数据调用单元；
所述数据获取单元用于从所述mA控制环路和/或kV控制环路获取实测数据；
所述数据存储单元，与所述数据获取单元通讯连接，用于将实测数据以表格的形式进行分类存储；
所述数据调用单元，与所述数据存储单元通讯连接，用于调用实测数据进行拟合曲线控制。
通过采用上述技术方案，在工况少的应用场景可以使用开环控制方式，此时参数输入端为实际测量数据可以精确的进行解耦控制；在工况较多的应用场景，参数输入端以PI控制的方式得到的结果控制简单，不需要大量的实际测量数据。
可选的，所述电流采样模块包括第一逆变单元、LLC谐振单元和倍压单元；
通过所述第一逆变单元的输入端输入有直流电压，通过所述倍压单元的输出端输出有交流电压；
所述第一逆变单元用于将直流电压转换为交流电压；
所述LLC谐振单元，与所述第一逆变单元电性连接，用于减小电路中的噪声；
所述倍压单元，与所述LLC谐振单元电性连接，用于将电路中的恒定电流进行放大。
通过采用上述技术方案，在本电路中能够实现将直流电压转换为交流电压的同时减小电路中的噪声，最后将输出的采样电流倍增，提高了mA输出稳定性。
可选的，所述电压采样模块包括第二逆变单元、LCC谐振单元和整流单元；
通过所述第二逆变单元的输入端输入有直流电压，通过所述整流单元的输出端输出有交流电压；
所述第二逆变单元用于将直流电压转换为交流电压；
所述LCC谐振单元，与第二逆变单元电性连接，用于减小电路中的噪声；
所述整流单元，与LCC谐振单元电性连接，用于将交流电压转换为直流电压。
通过采用上述技术方案，实现了将输入的直流电压转换为交流电压最后再转化为单向脉动性直流电压，提高了输出至负载的电压并加快了kV输出的稳定速度。
可选的，所述mA控制环路包括PI控制模块和脉冲宽度调制模块；
所述PI控制模块用于逐次对输入的环路电流与采样电流进行修正；
所述脉冲宽度调制模块，与所述PI控制模块通讯连接，用于将传输给球管的电流进行带宽脉冲调制。
通过采用上述技术方案，多次对mA控制环路中流入的电流进行修正，在改善了mA控制环路的稳态性能的同时提高了输出mA波形的稳定性。
可选的，所述kV控制环路包括kV控制模块和脉冲宽度调制模块；
所述kV控制模块用于对输入的环路电压和采样电压的合成电压进行修正；
所述脉冲宽度调制模块，与所述kV控制模块通讯连接，用于传输给球管的电流进行带宽脉冲调制。
通过采用上述技术方案，对kV控制环路中输入的电压进行修正，改善kV控制环路的稳态性能同时提高了输出kV波形的稳定性。
第二方面，本申请提供了一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制方法，采用如下技术方案：
一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的方法，包括：
获取输入至高压发生器的mA指令和kV指令，所述mA指令应用于电流采样模块，所述kV指令应用于电压采样模块；
所述电流采样模块响应于mA指令并输出采样电流，所述电压采样模块响应于kV指令并输出采样电压；
所述采样电流流入mA控制环路，所述采样电压流入kV控制环路；
所述mA控制环路和所述kV控制环路修正输入的环路电流、采样电流和合成电压；
所述解耦控制模块对所述mA电流和所述合成电压的信号再次进行修正。
通过采用上述技术方案，在mA控制环路和kV控制环路中对电流与电压进行第一次修正，提高了kV和mA的稳定速度，后续再通过解耦控制模块对合成电流和合成电压进行第二次修正尽量避免了kV和mA耦合，不再需要通过降低mA控制器的调节速度去避免kV输出的波动，加快了kV和mA的稳定速度。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过加入解耦控制模块对输入的合成电压和合成电流进行修正，尽量避免了kV和mA耦合，使输出的kV和mA都可以快速同时达到指令值，实现了kV和mA的独立控制；
2.通过mA控制环路与电流采样模块电性连接，电流采样模块中的LLC逆变器将输出的采样电流倍增，提高了mA控制速度并增加了mA稳定；
3.通过mA控制环路与kV控制环路对输入的环路电流、采样电流和合成电压进行修正，提高了kV和mA的稳定速度，后续再通过解耦控制模块对合成电流和合成电压进行修正尽量避免了kV和mA耦合，提高了kV和mA响应速度，减少了响应时间。
附图说明
图1是本申请实施例的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的原理框图；
图2是图1中LCC控制器的电路图；
图3是图1中LLC控制器的电路图；
图4是图1中kV控制环路、mA控制环路和解耦控制模块的原理框图；
图5是相关技术中的伏安特性曲线的示意图一；
图6是相关技术中的伏安特性曲线的示意图二；
图7是本申请一个实施例提供的伏安特性和反馈频率曲线的示意图。
附图标记说明：1、高压发生器；2、电流采样模块；21、第一逆变单元；22、LLC谐振单元；23、倍压单元；3、电压采样模块；31、第二逆变单元；32、LCC谐振单元；33、整流单元；4、mA控制环路；41、PI控制模块；5、kV控制环路；51、kV控制模块；6、解耦控制模块；61、第一参数输入端、62、第二参数输入端；7、脉冲宽度调制模块。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统。
参考图1，一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统包括高压发生器1、电流采样模块2、电压采样模块3、mA控制环路4、kV控制环路5以及解耦控制模块6。电流采样模块2与mA控制环路4电性连接，电压采样模块3与kV控制环路5电性连接，mA控制环路4与kV控制环路5通过解耦控制模块6通讯连接。本申请的控制系统从参数输入端输入电流和/或电压指令将电流和/或电压指令传递到解耦控制模块6中；当变化的电流指令输入到解耦控制模块6中会产生相应的频率△fskV令谐振变换器增益改变，抵消因电流变化引起的电压波动。
参考图2，图2为一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的电压采样模块3的电路图。如图2所示电压采样模块3为LCC控制器，LCC控制器包括高频逆变桥、LCC谐振网络和高频整流桥。第二逆变单元31对应高频逆变桥，LCC谐振单元32对应LCC谐振网络以及整流单元33对应高频整流桥。其中高频逆变桥的SiC体二极管S1的正极分别连接于电压输入端正极和SiC体二极管S3正极，SiC体二极管S1的负极连接于SiC体二极管S2的正极；SiC体二极管S2的负极分别连接于电压输入端的负极和SiC体二极管S4负极，SiC体二极管S2的正极连接于SiC体二极管S1的负极；SiC体二极管S3的负极连接于SiC体二极管S4的正极。本申请的LCC控制器电路使用SiC体二极管作为开关，使得开关可以高频率操作并减少死区时间，并且将直流电压转换为交流电压。其中对于LCC谐振网络，电容Cr1的正极连接于电容Cp的负极，电容Cr1的负极连接于SiC体二极管S4的正极；电感Lr1的负极连接于电容Cp的正极，电感Lr1的正极连接于SiC体二极管S1的负极。本申请的LCC控制器电路通过谐振网络降低电路中的噪声。其中对于高频整流桥含有n个整流单元33并且该n个整流单元33串联连接。任选一整流单元33，该整流单元33中电容Cp1分别连接于二极管D11的负极、变压器的输出端、电容C11的负极和电容C12的正极；二极管D11分别连接于二极管D12和电容C11的正极；二极管D12连接于电容C12的负极。本申请的LCC控制器电路通过高频整流桥将交流电压转换为直流电压。
参考图3，图3为一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的电流采样模块2的电路图。如图3所示，电流采样模块2为LLC控制器，LLC控制器包括高频逆变桥、LLC谐振网络和倍压器；第一逆变单元21对应高频逆变桥，LLC谐振单元22对应LCC谐振网络以及倍压单元23对应倍压器。其中高频逆变桥的SiC体二极管S5的正极分别连接于电压输入端、SiC体二极管S7正极和电容C1的正极，SiC体二极管S5的负极连接于SiC体二极管S6的正极；SiC体二极管S6的负极分别连接于电压输入端、SiC体二极管S8负极和电容C1的负极，SiC体二极管S5的正极连接于SiC体二极管S5的负极；SiC体二极管S7的负极连接于SiC体二极管S8的正极。本申请的LLC控制器电路使用SiC体二极管作为开关，使得开关可以高频率操作并减少死区时间，并且将直流电压转换为交流电压。其中对于LLC谐振网络，电容Cr2的正极连接于SiC体二极管S5的负极，电容Cr2的负极连接于电感Lr2的负极；电感Lrm的负极连接于电感Lr2的正极，电感Lrm的正极连接于SiC体二极管S8的正极。本申请的LLC控制器电路通过谐振网络降低电路中的噪声。其中倍压器的二极管D1的正极分别连接于变压器输出端、二极管D2的正极，二极管D1的负极连接于二极管D3的正极；二极管D2的正极分别连接于二极管D4的正极和电容C2的负极；二极管D3的正极分别连接于变压器输出端和二极管D4的正极，二极管D3的负极连接于电容C2的正极；二极管D4的正极连接于电容C2的负极。本申请的LLC控制器电路的倍压器为全波整流电压电路均为电容C2充电，并将恒定电流进行放大。
参考图4，图4为kV控制环路5、mA控制环路4和解耦控制模块6的原理框图。mA控制环路4包括两个PI控制器和PWM发生器，这两个PI控制器构成PI控制模块41，其中第一PI控制器对环路电流进行修正，第二PI控制器对环路电流和采样电流（灯丝电流）的合成电流进行修正，最后输入至PWM发生器中进行带宽脉冲调制。kV控制环路5包括kV控制器和PWM发生器，该kV控制器构成kV控制模块51，其中kV控制器可以为PI控制，动态调节增益的PI控制，积分分离形式的PI控制或者是状态轨迹控制。在mA控制环路4和kV控制环路5中的PWM发生器构成脉冲宽度调制模块7。在解耦控制模块6中第一参数输入端61和第二参数输入端62为图4中的参数输入端m和参数输入端n，该参数输入端m和参数输入端n可以是开环的控制参数，也可以是闭环PI调节器。当为开环控制时，参数输入端m和参数输入端n的大小可以通过数据获取单元来获取mA控制环路4和/或kV控制环路5的实测数据，通过数据调用单元调用实测数据拟合曲线控制，也可以通过数据存储单元将实测数据存储成表格。开环控制方式的参数输入端m和参数输入端n是根据实际测量数据形成，所以可以精确的进行解耦控制，抵消耦合带来的不利影响，由于需要大量的实测数据，所以适合工况少的应用场景。而参数输入端m和参数输入端n以PI的方式得到的结果控制简单，不需要大量的实际测量数据，虽然不能在任意工况下都实现精确解耦，但是也很好的改善了耦合的影响，适合工况多而复杂的应用。
参考图5和图6，在示意图一的伏安特性曲线在进行mA调节时，通过加大两个控制环路之间的控制带宽差，kV控制环路5比mA控制环路4的截止频率更高，这样尽量避免了耦合产生的影响但是mA的稳定时间变长；在示意图二的伏安特性曲线在进行mA调节时，保证了mA输出的稳定速度，但是kV输出就会产生动态波动。
参考图7，使用本申请的解耦控制模块6，解决了kV和mA的耦合造成的影响，可以使mA在调节过程中不影响kV的输出，在mA调节的过程中既能达到稳定时间端也能使kV输出尽量避免波动。
本实施例还提供一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的方法，包括如下步骤：
S1:获取输入至高压发生器1的mA指令和kV指令， mA指令应用于电流采样模块2，kV指令应用于电压采样模块3。本实施例中电流采样模块2为LLC控制器，电压采样模块3为LCC控制器。
S2:电流采样模块2响应于mA指令并输出采样电流，电压采样模块3响应于kV指令并输出采样电压。
S3：采样电流流入mA控制环路4，采样电压流入kV控制环路5。
S4： mA控制环路4和kV控制环路5修正输入的环路电流、采样电流和合成电压。
S5：解耦控制模块6对合成电流和合成电压的信号再次进行修正。
在本实施例中，当高压发生器1启动完成后进入稳态，不进行mA调节时，解耦控制模块6的输入即参数输入端m的输入信号和参数输入端n的输入信号为0，所以解耦控制模块6不会起到调节作用。在某个稳态时刻发生mA调节，如mA指令变化，那么参数输入端m的输入信号就不再为0，△fskV也不再为0，当参数输入端m的输入为正时，表示mA指令变大，mA控制环路4即将使mA输出变大，那么就意味着负载加重，所以kV控制环路5中减去相应的频率△fskV使谐振变换器增益变大，以抵消负载突然加重引起的kV输出波动。同样的，当mA指令变小，意味着负载变轻，需要调节加大kV的控制频率使增益降低，此时参数输入端m的输入信号为负，即△fskV为负，使kV输出频率加大。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于，包括：
高压发生器(1)；
电流采样模块(2)，所述电流采样模块(2)用于控制传输至灯丝的采样电流；
电压采样模块(3)，所述电压采样模块(3)用于控制输出至球管的采样电压；
mA控制环路(4)，所述mA控制环路(4)用于对输入的环路电流与采样电流进行修正并合为合成电流；
kV控制环路(5)，所述kV控制环路(5)用于对输入的合成电压进行修正；
解耦控制模块(6)，mA电流和kV电压流经解耦控制模块(6)时通过设置参数输入端，使kV电压或/和mA电流修正至预设目标电压值或/和电流值进而调节谐振变换器的增益以抵消对应的输出波动；以及
所述电流采样模块(2)与mA控制环路(4)电性连接，所述电压采样模块(3)与kV控制环路(5)电性连接，所述mA控制环路(4)与kV控制环路(5)通过解耦控制模块(6)通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：所述解耦控制模块(6)包括第一参数输入端(61)和第二参数输入端(62)，所述第一参数输入端(61)和第二参数输入端(62)均为PI控制器。
3.根据权利要求2所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：
所述第一参数输入端(61)和第二参数输入端(62)包括数据获取单元、数据存储单元和数据调用单元；
所述数据获取单元用于从所述mA控制环路(4)和/或kV控制环路(5)获取实测数据；
所述数据存储单元，与所述数据获取单元通讯连接，用于将实测数据以表格的形式进行分类存储；
所述数据调用单元，与所述数据存储单元通讯连接，用于调用实测数据进行拟合曲线控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：
所述电流采样模块(2)包括第一逆变单元(21)、LLC谐振单元(22)和倍压单元(23)；
通过所述第一逆变单元(21)的输入端输入有直流电压，通过所述倍压单元(23)的输出端输出有交流电压；
所述第一逆变单元(21)用于将直流电压转换为交流电压；
所述LLC谐振单元(22)，与所述第一逆变单元(21)电性连接，用于减小电路中的噪声；
所述倍压单元(23)，与所述LLC谐振单元(22)电性连接，用于将电路中的恒定电流进行放大。
5.根据权利要求1所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：
所述电压采样模块(3)包括第二逆变单元(31)、LCC谐振单元(32)和整流单元(33)；
通过所述第二逆变单元(31)的输入端输入有直流电压，通过所述整流单元(33)的输出端输出有交流电压；
所述第二逆变单元(31)用于将直流电压转换为交流电压；
所述LCC谐振单元(32)，与第二逆变单元(31)电性连接，用于减小电路中的噪声；
所述整流单元(33)，与LCC谐振单元(32)电性连接，用于将交流电压转换为直流电压。
6.根据权利要求1所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：
所述mA控制环路(4)包括PI控制模块(41)和脉冲宽度调制模块(7)；
所述PI控制模块(41)用于逐次对输入的环路电流与采样电流进行修正；
所述脉冲宽度调制模块(7)，与所述PI控制模块(41)通讯连接，用于将传输给球管的电流进行带宽脉冲调制。
7.根据权利要求1所述的一种用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统，其特征在于：
所述kV控制环路(5)包括kV控制模块(51)和脉冲宽度调制模块(7)；
所述kV控制模块(51)用于对输入的环路电压和采样电压的合成电压进行修正；
所述脉冲宽度调制模块(7)，与所述kV控制模块(51)通讯连接，用于传输给球管的电流进行带宽脉冲调制。
8.一种基于上述权利要求1-7所述的用于高压发生器的kV和mA的解耦控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取输入至高压发生器(1)的mA指令和kV指令，所述mA指令应用于电流采样模块(2)，所述kV指令应用于电压采样模块(3)；
所述电流采样模块(2)响应于mA指令并输出采样电流，所述电压采样模块(3)响应于kV指令并输出采样电压；
所述采样电流流入mA控制环路(4)，所述采样电压流入kV控制环路(5)；
所述mA控制环路(4)和所述kV控制环路(5)修正输入的环路电流、采样电流和合成电压；
所述解耦控制模块(6)对所述合成电流和所述合成电压的信号再次进行修正。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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