CN203377800U - 一种x线机高压油箱的测试控制系统 - Google Patents

Abstract

一种X线机高压油箱的测试控制系统，包括：交直流变换器、直流-直流变换器、H桥变换器、谐振组件、模拟负载箱、第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、中央控制单元、面板式工业计算机中央控制单元、直流-直流变换器、H桥变换器、模拟负载箱之间通过CAN总线通信。面板式工业计算机通过RS485总线与中央控制单元相连。本实用新型不仅可以提高生产效率，而且降低了损耗。同时，由于采取了模块化设计和数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。

Description

一种X线机高压油箱的测试控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种医用诊断X射线机，具体涉及的是一种X线机高压油箱的测试控制系统。

背景技术

自1895年德国物理学家伦琴发现了X射线后，利用X射线作医学诊断已有100余年的历史，其中传统（工频）X线机经历了前80年的发展历程，其主要特点是高压发生器的频率为50Hz，开环控制。因此工频X线机体积庞大、电源效率偏低、射线剂量输出不稳定、软射线成分较多以及成像质量不高。国外从20世纪70年代末开始出现现代X线机。其中80年代主要以中频X线机为主导产品，90年代则以高频X线机为主导产品。由于采用了高速半导体器件、电力变换技术和计算机控制技术，解决了传统X线机存在的问题，使其防护水平和成像质量得到了很大的提高。与传统X线机相比，高频X线机高压发生器的工作频率由传统X线机的工频提升至20k～100kHz。

X射线产生的条件是：高压、高真空、电子源、阳极靶。人工产生X射线的过程是：在高真空的环境中，灯丝加热到一定温度，电子的活动比较活跃，有大量的电子逸出，形成电子源；电子在高电压引起的高电场作用下，加速飞行；大量高速的电子撞击靶面，使得阳极靶面材料的电子产生能级跃迁，处于不稳定状态；电子在回到低能级时以X光光子的形式释放熊量。这就是X射线。产生X线的条件中，灯丝、阳极靶、高真空环境均由球管提供，而高压、灯丝加热是由高压发生器提供的。因此，高压发生器是X线设备的关键部件，其稳定与否直接关系到摄影效果的优劣。考虑到绝缘和体积的要求，产生高压的升压变压器、高频高压整流二极管、高压高频电容均放置在高压油箱中，加热灯丝用的变压器亦放置在其中。因此高压油箱是高压发生器的关键。

经过对现有文献检索发现，文献1（中国医疗器械杂志，第31卷5期：357～359，2007）主要对高压油箱中的高频变压器的漏感以及耐压进行了研究，并未涉及高压油箱（变压器及倍压整流电路）的性能测试。文献2（电源技术，第135卷11期：1412～1414，2011）和（中国电机工程学报，第32卷15期：16～22）针对高频变压器的分布电容的机理进行研究，涉及分布电容对断流模式串联谐振变换器特性的影响，并未涉及分布电容对并联谐振和串并联谐振变换器的影响。

经过对现有技术的检索发现，专利申请号200810229657.X和201110002041.0以及201110002032.1分别记载了“双球馆高压油箱”、“单床单管高频高压油箱”、“双床双管高频高压油箱”，均侧重于高压油箱的结构和工艺本身，并未涉及高压油箱的测试；又经检索，专利申请号03110962.4记载了“X线机高压发生器微机控制调试方法”，该方法用于高压发生器本身的性能调试，而且由于采用球管作负载测试，因此会缩短球馆寿命并且引起辐射；专利申请号200710050318.0记载了“双床双管医用诊断X射线高频高压发生器”，该技术主要通过双路高压输出设计和高压切换技术解决一机多用的问题。但由于采用不控整流器，因此直流电压不可调节，进而影响了不同输入电压的高压油箱的通用性。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种X线机高压油箱通用的测试系统。本实用新型在基本的高压发生器电路的基础上增加直流-直流变换器、谐振组件，并用模拟负载箱代替球管。在测试过程中，通过调节直流-直流变换器的输出电压，扩大测试系统对高压油箱的电压适用范围；通过更换谐振组件，实现系统的多种谐振方式；通过切换模拟负载，使高压油箱传递不同的功率；从而最终实现一个不同电压等级、不同谐振方式、不同功率等级的高压油箱的通用测试平台。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：交直流变换器、直流-直流变换器、H桥变换器、谐振组件、模拟负载箱、第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、中央控制单元、面板式工业计算机。其中：直流-直流变换器的主电路输入端与交直流变换器的输出端相连，其输出端跨接第一电压传感器后与H桥变换器的主电路输入端相连。谐振组件的输入端经第一电流传感器与H桥变换器的主电路输出端相连，其输出端经第二电流传感器与被试高压油箱输入端相连，被试高压油箱的输入端跨接第二电压传感器。模拟负载箱的输入端与被试高压油箱的主电路输出端相连。第一电压传感器的输出信号接至直流-直流变换器控制输入端。被试高压油箱的电流反馈信号和第一电流传感器输出信号接至H桥变换器的控制输入端，第二电流传感器和第二电压传感器的输出信号以及被试高压油箱的电压反馈信号均接至中央控制单元。中央控制单元、直流-直流变换器、H桥变换器、模拟负载箱之间通过CAN总线通信。面板式工业计算机通过RS485总线与中央控制单元相连。

所述的直流-直流变换器包括：直流-直流控制单元、直流-直流驱动单元和直流-直流主电路。其中：直流-直流主电路的输入端与交直流变换器输出端相连，其输出端与H桥变换器的输入端相连。直流-直流控制单元的输出经直流-直流驱动单元与直流-直流主电路相连，其输入端与第一电压传感器的输出端相连。直流-直流控制单元通过CAN总线与中央控制单元和H桥变换器连接。

所述的H桥变换器包括：H桥控制单元、H桥驱动单元、H桥主电路。其中：H桥主电路的输入端与直流-直流变换器输出端连接，其输出端经第一电流传感器与谐振组件输入端连接，H桥控制单元经H桥驱动单元与H桥主电路连接，被试高压油箱的电流反馈信号和第一电流传感器输出信号接至H桥控制单元的输入端。H桥控制单元通过CAN总线与直流-直流变换器和模拟负载箱连接。

所述的H桥控制单元包括：直流偏磁控制单元和谐振控制单元。其中：直流偏磁控制单元的输入端接被试高压油箱的电流反馈信号。其输出信号与第一电流传感器输出信号接至谐振控制单元的输入端。谐振控制单元的输出接至H桥驱动单元的输入端。

所述的直流偏磁控制单元包括：带通滤波器、加法器、低通滤波器和限幅单元。其中：两个带通滤波器的输入分别与被试高压油箱的电流反馈输出端相连，两个带通滤波器的输出经加法器相加后接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端与限幅单元连接，限幅单元的输出信号接至谐振控制单元。

所述的谐振控制单元包括：过零检测单元、相位差检测单元、扫频控制单元、正弦波发生单元、方波发生单元。其中：过零检测单元的输入接第一电流传感器输出信号，相位差检测单元的输入端接过零检测单元和方波发生单元的输出，其输出与扫频控制单元连接，扫频控制单元的输出经正弦波发生单元接至方波发生单元。方波发生单元的另一输入端接直流偏磁控制单元的输出。

所述的模拟负载箱包括：负载箱主电路和负载箱控制单元。其中：负载箱主电路输入端与被试高压油箱的输出端相连，负载箱控制单元的输出接至负载箱主电路。负载箱控制单元通过CAN总线与H桥变换器连接。

所述的交直流变换器用于将三相380V交流电变换成540V的直流电。

所述的直流-直流变换器，其特征为BOOST-BUCK组合直流-直流变换器（其原理可参考相关的参考书），相对于基本的直流-直流变换器，其输出电压范围更宽。直流-直流变换器根据面板式工业计算机要求为H桥变换器提供可变的直流母线电压；

所述的H桥变换器分两种工况，一种工况可以根据面板式工业控制计算机的要求输出不同频率的方波电压；另一种工况，可以根据第一电流传感器的信号，实现开关频率的自动跟踪，以达到其输出电压和电流同相的目的，使H桥主电路开关器件处于零电压和零电流的工作状态，降低功率损耗，减少干扰。除此之外，H桥变换器还可以根据被试高压油箱的电流反馈信号调节调节一个桥臂上下两个功率管的导通时间，以消除高压油箱中高频变压器的直流偏磁。

所述的谐振组件，为高压油箱提供匹配谐振电容和电感，按照需要可以选择串联谐振、并联谐振以及串并联谐振电路。

所述的模拟负载箱可以根据面板式工业计算机的要求提供不同功率的负载。

所述的中央控制单元采集第二电流传感器和第二电压传感器的输出信号，以及被试高压油箱的电压反馈信号，并与面板式工业计算机通过RS485总线交换信息。中央控制单元通过CAN总线与直流-直流变换器、H桥变换器和模拟负载箱通信，在面板式工业计算机与直流-直流变换器、H桥变换器和模拟负载箱间传递数据。

所述的面板式工业计算机用于向测试系统设置测试条件以及接收反馈的测试数据。

本实用新型通过以下方式进行工作：在系统开始测试前，首先根据被试高压油箱的相关参数选择谐振组件的连接方式以及相应的匹配电容和电感。然后根据需要选择测试系统的频率控制方式。第一种为开环控制方式，面板式工业计算机将设定测试条件，如母线电压、开关频率和负载大小，通过RS485总线经中央控制单元，以及CAN总线分别将电压、频率和负载信号分别传递给直流-直流变换器、H桥变换器和模拟负载箱。所述的直流-直流变换器的控制单元、H桥变换器控制单元、模拟负载箱控制单元以及中央控制单元均采用TI28335DSP作为控制芯片，分别实现PWM控制、频率自动跟踪并消除偏磁的PWM控制、负载切换控制以及电流电压信号采样。主电路开始工作后，直流-直流变换器、H桥变换器和中央控制单元将实时的直流电压、H桥侧交流电流、被试高压油箱的输入电压和输入电流以及被试高压油箱的输出电压和电流等信号的数字值经过CAN总线和RS485总线反馈至面板式工业计算机，用以显示和计算被试高压油箱的效率。第二种为谐振控制方式，面板式工业计算机只将母线设定电压和设定负载大小传递给直流-直流变换器和模拟负载箱，而H桥变换器工作于自扫频的方式。H桥变换器首先输出交流方波电压，其频率为100kHz。H桥变换器根据自身产生的触发脉冲和H桥侧交流电流的相位差，调节输出的交流方波的频率。当两者相位差为零时，H桥变换器则锁定此时的工作频率。同时，在两种工作方式下，H桥变换器均可以根据被试高压油箱反馈的差分电流信号进行直流偏磁控制。

与现有技术相比，本实用新型高压油箱测试系统，由于直流母线电压可在线调整，其应用不受油箱输入电压的限制；由于测试系统具有消除直流偏磁和频率自动跟踪的功能，可以测试高频变压器的谐振频率；测试系统可以更换谐振组件，根据需要可以组成串联、并联和串并联谐振工作方式，因此可以降低损耗和对电网所产生的谐波；测试系统具有负载调节功能，可以适应不同功率等级的高压油箱。同时，由于采取了模块化设计和数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。

附图说明

附图1为本实用新型测试系统结构图。

附图2为H桥变换器控制单元结构示意图。

附图3a、b、d为实施例效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：交直流变换器1、直流-直流变换器2、H桥变换器4、谐振组件6、被试高压油箱9、模拟负载箱10、第一电压传感器3、第一电流传感器5、第二电流传感器7、第二电压传感器8、中央控制单元19、面板式工业计算机20。其中：直流-直流变换器2的输入端与交直流变换器1的输出端连接，其输出端跨接第一电压传感器3后与H桥变换器4的输入端连接，H桥变换器4的输出端经第一电流传感器与谐振组件6的输入端连接，谐振组件6的输出经第二电流传感器7与被试高压油箱9的输入端连接，被试高压油箱9的输入端跨接第二电压传感器8，其输出端与模拟负载箱10连接。被试高压油箱9通过线25和26与H桥变换器4的控制输入端连接，其中线25和线26为高压油箱的差分电流信号线。被试高压油箱9通过线27和线28连接至中央控制单元19的输入端，其中线27和线28为差分电压信号线。第二电流传感器7通过电流信号线23与中央控制单元19连接，第二电压传感器8通过电压信号线24与中央控制单元19连接。第一电压传感器3输出通过电压信号线21连至直流-直流变换器2的控制输入端，第一电流传感器5的电流信号线22接至H桥变换器4的控制输入端。线29、线30、线31分别为中央控制单元19与直流-直流变换器2之间、直流-直流变换器2与H桥变换器4之间、H桥变换器4与模拟负载箱10之间的CAN通信线。线32为面板式工业计算机与中央控制单元间的RS485通信线。

所述的交直流变换器1将380V的交流电压转变成540V的直流电压。

所述的直流-直流变换器2依据面板式工业计算机20的要求，根据第一电压传感器3的反馈信号，调节变换器输出工业计算机20设定的直流母线电压。

所述的H桥变换器4将直流母线电压变换成面板式工业计算机20所设定频率的方波电压，以激励谐振组件6和高压油箱9；或者采用扫频方式，根据第一电流传感器5的电流信号，搜索谐振频率，使高压油箱9工作于谐振状态。H桥变换器4还具有直流偏磁控制功能。

所述的谐振组件6，为高压油箱9提供匹配谐振电容和电感，按照需要可以选择串联谐振、并联谐振以及串并联谐振电路。

所述的模拟负载箱10通过切换的方法可以选择不同功率等级的负载。

所述的中央控制单元19除承担面板式工业计算机20与直流-直流变换器2、H桥变换器4和模拟负载10之间的数据（设定电流、电压、负载、频率与相应的反馈值）交换外，还需采集第二电流传感器7输出的电流信号、第二电压传感器8输出的电压信号、高压油箱9输出的电压差分信号。

所述的面板式工业计算机20用来设定测试系统的直流母线电压、频率、负载大小，显示系统其它部件通过总线反馈回来的电压、电流、频率信息，并计算被试高压油箱9的效率。

所述的直流-直流变换器2包括：直流-直流变换器主电路11、直流-直流驱动单元12、直流-直流控制单元13。其中：直流-直流控制单元13的输入端通过线21连接至第一电压传感器3，其输出经过直流-直流驱动单元12连接至直流-直流主电路11，直流-直流主电路11输入端与交直流变换器1连接，其输出与H桥变换器连接。

所述的H桥变换器4包括：H桥主电路14、H桥驱动单元15、H桥控制单元16。其中：H桥控制单元16的输出经H桥驱动单元15连至H桥主电路14。H桥主电路14的输入端接直流-直流变换器2的输出，其输出经第一电流传感器5接至谐振组件6。

所述的模拟负载箱10包括：模拟负载箱主电路17、模拟负载箱控制单元18。其中：模拟负载控制单元18的输出接至模拟负载箱主电路17，负载箱主电路17接被试高压油箱9的高压输出端。

如图1和图2所示，所述的H桥控制单元16包括：谐振控制单元43和直流偏磁控制单元44。其中：第一电流传感器5的电流信号线22接至谐振控制单元43的输入端，谐振控制单元43的输出端接至直流-直流驱动单元15。高压油箱9的差分电流信号线25和线26接至直流偏磁控制单元44的输入端，直流偏磁控制单元44的输出接至谐振控制单元43。

如图1和图2所示，所述的谐振控制单元43包括：过零检测单元33、相位差检测单元34、扫频控制单元35、正弦波发生单元36、方波发生单元37。其中：第一电流传感器5的电流信号线22连至过零检测单元33，过零检测单元33和方波发生单元37的输出与相位差检测单元34输入端连接。相位差检测单元34、扫频控制单元35、正弦波发生单元36和方波发生器37的输入输出端依次连接，前一个单元的输出接至后一个单元的输入。直流偏磁控制单元44的输出也接至方波发生单元37。

如图1和图2所示，所示的直流偏磁控制单元44包括：带通滤波器38和39、加法器40、低通滤波器41和限幅单元42。其中：被试高压油箱9的差分电流信号线25和线26分别接至带通滤波器的38和39的输入端，带通滤波器38和39的输出接至加法器40，加法器40的输出经过低通滤波器41接至限幅单元42，限幅单元42的输出接至谐振控制单元43。

本实施例中，在系统开始测试前，首先根据被试高压油箱9的相关参数选择谐振组件6的连接方式以及相应的匹配电容和电感。然后根据需要选择H桥变换器的频率控制方式。第一种为开环控制方式，由面板式工业计算机20将输入的测试条件，如设定母线电压、开关频率和负载大小，通过RS485总线经中央控制单元19，以及CAN总线分别将电压、频率和负载信号分别传递给直流-直流变换器2、H桥变换器4和模拟负载箱10。第二种为谐振控制方式，面板式工业计算机20只将母线设定电压和负载大小传递给直流-直流变换器2和模拟负载箱10。两种方式下模拟负载箱10均按照设定投入负载，同样直流-直流变换器2均按照设定输出直流母线电压。至此，H桥变换器谐振控制单元43开始工作。谐振控制单元43的工作过程是：

如图2所示，首先谐振控制单元43中的正弦波发生单元36按照面板式工业计算机20的频率指令，选择控制方式。如是开环控制方式，则正弦波发生单元36直接按照工业计算机20设定的频率输出正弦波信号至方波发生单元37，方波发生单元37将此正弦波信号与直流偏磁控制单元44的输出信号比较，得出PWM波脉冲信号；如果是谐振控制方式，则正弦波发生单元36首先输出100kHz的正弦波信号，方波发生单元37输出相同频率的PWM脉冲信号，H桥变换器4工作，由线22传递的第一电流传感器5输出的电流信号经过过零检测单元33后变成方波信号，相位差检测单元34计算方波发生单元37输出的PWM脉冲信号与此信号的相位差，扫频控制单元35根据相位差调节正弦波发生单元36输出的正弦波信号的频率。当此相位差为零时，扫频控制单元35锁定正弦波发生单元36输出的正弦波信号的频率。与开环控制方式一致，方波发生器37也需接收直流偏磁控制单元44输出的偏磁信号，从而达到控制直流偏磁的目的。

直流偏磁控制单元44的工作过程是：

如图2所示，由线25和线26传递的高压油箱9输出的电流差分信号，分别经带通滤波器38、39滤除高频和工频干扰信号后，在加法器40中相加接至低通滤波器41，低通滤波器41的输出经限幅单元42后输出至谐振控制单元43。

所述的直流-直流变换器2的控制单元13、H桥变换器4控制单元16、模拟负载箱10控制单元18、以及中央控制单元19均采用TI28335DSP作为控制芯片，分别实现PWM控制、频率自动跟踪和消除偏磁的PWM控制、负载切换控制以及电流电压采样功能。主电路开始工作后，直流-直流变换器控制单元13、H桥变换器控制单元16和中央控制单元19分别采集第一电压传感器3的电压信号、第一电流传感器输出电流信号和高压油箱的差分电流信号、第二电流传感器和第二电压传感器信号以及高压油箱的差分电压信号，经过模数转换成数字量后通过CAN总线和RS485总线反馈至面板式工业计算机20，用以显示并且计算被试高压油箱9的效率。

本实施例通过实验方法进行了验证，验证环境为：测试系统为输入电压380VAC，设计功率50kW。H桥主电路采用超高频IGBT，选用西门康公司的二单元模块SKM400GB125D，其最高工作频率为100kHz，驱动模块为西门康集成驱动模块SKHI23/12R。谐振组件为串联方式，谐振电容为1uF，谐振电感为5.2uH（60kHz），高压油箱变压器的漏感为1.18uH（60kHz），则计算的理论谐振频率为63kHz。模拟负载箱阻值为24MΩ。如图所示，图3为上述实施例的测试结果，测试系统为自扫频谐振工作方式。图中，CH1为高压油箱中高频变压器的初级电压波形；CH2为H桥输出电压波形；CH3高频变压器的初级电流波形。从图中看出，H桥输出电压和高频变压器初级电流在63.4kHz时相位基本一致，系统处于谐振状态，谐振频率与计算值63kHz误差很小。本实施例能够在高压油箱测试系统中通过改变直流母线电压来调节高压油箱的输入电压，以使高压油箱输出相应的直流电压，相应地也能满足不同电压等级高压油箱的测试需要；并且通过改变谐振组件，能够使系统能够工作在自扫频谐振工作方式。因此，通过本实施例，可以实现一个不同电压等级、不同谐振方式、不同功率等级的高压油箱的通用测试平台，不仅可以提高生产效率，而且降低了损耗。同时，由于采取了模块化设计和数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。

Claims (5)

1.一种X线机高压油箱的测试控制系统，其特征在于，包括：交直流变换器、直流-直流变换器、H桥变换器、谐振组件、模拟负载箱、第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、中央控制单元、面板式工业计算机；其中：直流-直流变换器的主电路输入端与交直流变换器的输出端相连，其输出端跨接第一电压传感器后与H桥变换器的主电路输入端相连；谐振组件的输入端经第一电流传感器与H桥变换器的主电路输出端相连，其输出端经第二电流传感器与被试高压油箱输入端相连，被试高压油箱的输入端跨接第二电压传感器；模拟负载箱的输入端与被试高压油箱的主电路输出端相连；第一电压传感器的输出信号接至直流-直流变换器控制输入端；被试高压油箱的电流反馈信号和第一电流传感器输出信号接至H桥变换器的控制输入端，第二电流传感器和第二电压传感器的输出信号以及被试高压油箱的电压反馈信号均接至中央控制单元；中央控制单元、直流-直流变换器、H桥变换器、模拟负载箱之间通过CAN总线通信；面板式工业计算机通过RS485总线与中央控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的X线机高压油箱的测试控制系统，其特征是，所述的H桥变换器包括：H桥控制单元、H桥驱动单元、H桥主电路；其中：H桥主电路的输入端与直流-直流变换器输出端连接，其输出端经第一电流传感器与谐振组件输入端连接，H桥控制单元经H桥驱动单元与H桥主电路连接，被试高压油箱的电流反馈信号和第一电流传感器输出信号接至H桥控制单元的输入端；H桥控制单元通过CAN总线与直流-直流变换器和模拟负载箱连接。

3.根据权利要求2所述的X线机高压油箱的测试控制系统，其特征是，所述的H桥控制单元包括：直流偏磁控制单元和谐振控制单元；其中：直流偏磁控制单元的输入端接被试高压油箱的电流反馈信号；其输出信号与第一电流传感器输出信号接至谐振控制单元的输入端；谐振控制单元的输出接至H桥驱动单元的输入端。

4.根据权利要求3所述的X线机高压油箱的测试控制系统，其特征是，所述的直流偏磁控制单元包括：带通滤波器、加法器、低通滤波器和限幅单元；其中：两个带通滤波器的输入分别与被试高压油箱的电流反馈输出端相连，两个带通滤波器的输出经加法器相加后接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端与限幅单元连接，限幅单元的输出信号接至谐振控制单元。

5.根据权利要求3所述的X线机高压油箱测试系统，其特征是，所述的谐振控制单元包括：过零检测单元、相位差检测单元、扫频控制单元、正弦波发生单元、方波发生单元；其中：过零检测单元的输入接第一电流传感器输出信号，相位差检测单元的输入端接过零检测单元和方波发生单元的输出，其输出与扫频控制单元连接，扫频控制单元的输出经正弦波发生单元接至方波发生单元；方波发生单元的另一输入端接直流偏磁控制单元的输出。

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