DE10126256A1

DE10126256A1 - Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE10126256A1
Application number: DE10126256A
Authority: DE
Inventors: Thomas Scheel; Christian Hattrup; Olaf Maertens; Thorsten Gercke
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2002-12-05
Also published as: WO2002097957A2; WO2002097957A3; JP2004528000A; EP1413040B1; US20040125624A1; DE60235702D1; EP1413040A2; US6917531B2

Abstract

Vorgestellt werden zwei Vorschläge für Stromversorgungssysteme mit mindestens einem resonanten Umrichter und einer Regeleinheit. Gemäß dem ersten Vorschlag weist das Stromversorgungssystem zwei Umrichter auf und liefert zwei Ausgangsspannungen, wobei die Regelschaltung als Istwert einerseits die Summe, andererseits die Differenz der beiden Ausgangsspannungen verarbeitet. Entsprechend dem zweiten Vorschlag verarbeitet eine Regelschaltung für ein Stromversorgungssystem mit mindestens einem Umrichter die Regelgrößen nicht direkt, sondern es werden durch Regelgrößen-Differenzeinheiten jeweils die Abweichungen zu einem vorausgehenden Abtastzeitpunkt ermittelt und diese Differenzwerte verarbeitet. Auch die so berechnete Stellgröße ist ein Differenzwert, der durch eine Stellgrößen-Summationseinheit in einen Stellgrößenwert umgerechnet wird. Beide Vorschläge lassen sich vorteilhaft kombinieren. Als wichtige Weiterbildung wird der Einsatz eines Begrenzungs-Regelers vorgeschlagen, der bei drohender Überschreitung eines Maximalwertes in der Regel wirksam wird und die Ansteuerung begrenzt. Bevorzugt wird die Regelschaltung als digitale Regelschaltung für eine Zustandsraum-Regelung realisiert.

Description

Als Stromversorgungssysteme sind geregelte Schaltnetzteile bekannt. Solche Schaltnetzteile weisen einen durch eine Regelvorrichtung gesteuerten Umrichter zur Erzeugung einer ge schalteten Umrichterausgangsspannung auf. Die Umrichterausgangsspannung wird durch einen Transformator je nach der durch den Verbraucher benötigten Ausgangsspannung herauf oder herunter transformiert. Falls der Verbraucher eine Gleichspannungsversor gung benötigt, wird die an der Sekundärseite des Transformators erzeugte Ausgangsspan nung gleichgerichtet und - falls nötig - geglättet.

Oft sind solche Schaltnetzteile als "resonante Konverter" ausgebildet, d. h., dass durch den Umrichter eine Resonanzanordnung aus mindestens einer Kapazität und einer Induktivität gespeist wird. Oft ist als Induktivität kein separates Bauteil vorgesehen, sondern die Reso nanzanordnung wird aus der Streuinduktivität der Primärwicklung des Transformators und einer Resonanzkapazität gebildet.

Eine Regelschaltung regelt die Ausgangsspannung, wobei sie als Stellgröße die Ansteuerung des Umrichters verwendet. Der Umrichter weist gesteuerte Schalter auf, um aus einer Ver sorgungsspannung (Zwischenkreisspannung) eine geschaltete Wechselspannung zu erzeu gen. Er wird durch die Regelschaltung üblicherweise mit einer solchen Schaltfrequenz betrieben, dass die Frequenz der Umrichterausgangsspannung im Bereich der Resonanz frequenz der dadurch gespeisten Resonanzanordnung liegt, bevorzugt sogar möglichst exakt dieser entspricht. Bei bekannten Regelschaltungen erfolgt hierbei die Ansteuerung des Um richters so, dass die Umrichterausgangsspannung eine pulsweitenmodulierte Spannung mit fester Frequenz ist, wobei das Tastverhältnis als Stellgröße für die Regelung der Ausgangs spannung verwendet wird.

Ein Stromversorgungssystem, bestehend aus einem serienresonanten Konverter mit einer Regelschaltung zur Regelung von dessen Ausgangsspannung, ist in der DE-A-199 40 137 beschrieben. Hier speist ein Umrichter einen Serienresonanzkreis aus einer Resonanzkapa zität und einer Induktivität, bei der es sich um die primärseitige Streuinduktivität eines Transformators handelt. Die sekundärseitige Spannung des Transformators wird zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung gleichgerichtet und geglättet. Die Regelschaltung verarbeitet von der Ausgangsspannung und vom primärseitigen Strom abhängige Istwerte und liefert eine das Tastverhältnis des Umrichters bestimmende Stellgröße. Es handelt sich um eine digitale Regelschaltung mit einer Regelung im Zustandsraum.

Hochspannungsversorgungen mit einer hochgenauen Regelung werden insbesondere für Röntgengeneratoren benötigt. Ein derartiges Stromvetsorgungssystem ist auch in der EP-A- 0 884 830 beschrieben. Dieses Stromversorgungssystem für einen Röntgengenerator ist besonders dafür ausgelegt, sowohl in einem ersten Betriebszustand mit hoher Kurzzeit- Leistung (Röntgenaufnahme) als auch in einem zweiten Betriebszustand mit niedriger Dauerleistung (Röntgendurchleuchtung) arbeiten zu können. Hierzu weist es einen speziel len Umrichter auf, der Mittel zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi auf weist, so dass im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus eine in Reihe zur durch den Umrichter gespeisten Resonanzanordnung geschaltete Hilfsresonanz anordnung wirksam wird. Diese Hilfsresonanzanordnung besteht bevorzugt aus einer Hilfsinduktivität und einer Hilfskapazität.

Auch in der EP-A 716 561 ist ein Röntgengerät mit einem Stromversorgungssystem be schrieben. Hier wird ein spezieller Transformator mit zwei Primär- und zwei Sekundär wicklungen verwendet, wobei jede der Primärwicklungen durch einen Umrichter gespeist wird. Primär- und Sekundärwicklungen sind einander zugeordnet, wobei zugeordnete Wicklungen eine stärkere Kopplung aufweisen als einander nicht zugeordnete Wicklungen. Die Umrichter werden so angesteuert, dass sie mit fester Frequenz betrieben werden, wobei über das Tastverhältnis die Leistung auf der Sekundärseite geregelt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stromversorgungssystem mit einer der Struktur des Stromversorgungssystems angepassten Regelschaltung vorzuschlagen, so dass durch die Regelschaltung die Ausgangsspannung des Stromversorgungssystems genau geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 mit einer speziellen Regelschaltung zur Regelung eines Systems mit mindestens zwei Umrichtern und ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 7 mit einer Regelschaltung die mit Differenz werten arbeitet. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Gemäß dem ersten Vorschlag der Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Stromversorgungs system mindestens zwei Umrichter und mindestens einen durch die Umrichter gespeisten Transformator. Bevorzugt wird die Verwendung eines Mehrwicklungstransformators, der primärseitig zwei Wicklungen (bzw. eine Wicklung mit Mittelabgriff bei potentialgetrenn ten Umrichtern) für den Anschluss des ersten und des zweiten Umrichters und sekundär seitig mindestens zwei Ausgangswicklungen (bzw., auch hier eine Ausgangswicklung mit Mittelabgriff) aufweist. Bei dem bevorzugten Transformator sind alle Wicklungen auf einen gemeinsamen Transformatorkern aufgebracht. Das Übertragungsverhalten dieses Transformators zeigt eine deutliche Kopplung der ersten Primärwicklung mit der ersten Sekundärwicklung sowie der zweiten Primärwicklung mit der zweiten Sekundärwicklung. Es gibt jedoch auch nicht zu vernachlässigende "Überkreuz"-Spannungsübertragung von der ersten Primärwicklung auf die zweite Sekundärwicklung und von der zweiten Primär wicklung auf die erste Sekundärwicklung.

Der Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, dass es für die hochgenaue Regelung bei den noch einfacher Struktur des Reglers von Vorteil ist, wenn statt der direkten Regelung der Ausgangsspannung zwei Istwerte verarbeitet werden, von denen der erste von der Summe und der zweite von der Differenz der beiden Ausgangsspannungen abhängt. Unter "ab hängt" wird hierbei verstanden, dass der Istwert aus der Summe bzw. Differenz der Span nungen berechnet wird. Bevorzugt entsprechen die beiden Istwerte zwar direkt der Summe bzw. der Differenz, in Abwandlungen können jedoch zusätzliche mathematische Operatio nen auf die Werte angewendet werden, beispielsweise Multiplikation mit einem konstanten Faktor.

Die Regelschaltung des Stromversorgungssystems kann in sehr verschiedener Form reali siert sein. Bevorzugt handelt es sich um einen digitalen Regler, der als Schaltung mit einem Mikroprozessor oder Signalprozessor realisiert ist, die Abtastwerte verarbeitet. Entsprechen de Realisierungen digitaler Regelschaltungen sind dem Fachmann bekannt. Die Berech nung des ersten und zweiten Istwertes aus den Ausgangsspannungen kann durch eine sepa rate Einheit zur Signal-Vorbearbeitung geleistet werden, bevorzugt wird aber die Berech nung der Istwerte ebenfalls innerhalb einer einen digitalen Regelalgorithmus ausführenden Mikroprozessorschaltung durchgeführt.

Die Regelschaltung liefert als Stellgröße Ansteuerungsgrößen für die Umrichter. Die Um richter weisen jeweils eine Anzahl von Schaltern zur Erzeugung einer geschalteten Umrich terausgangsspannung auf. Die Ansteuerungsgrößen sind Vorgaben für die jeweiligen Schalterstellungen zu einem bestimmten Zeitpunkt. Bevorzugt arbeitet ein Stromversor gungssystem hierbei mit einer festen Schaltfrequenz, die nahe bei der Eigenfrequenz der durch den Umrichter gespeisten Resonanzanordnung entspricht. Bei fester Frequenz kann die Regelschaltung als Ansteuergröße einen das Tastverhältnis der erzeugten Umrichteraus gangsspannung bestimmenden Wert liefern, beispielsweise die Pulsdauer oder einen Wert, aus dem die Pulsdauer berechnet wird.

Bevorzugt wird hierbei von der Regelschaltung zunächst nicht dieser Wert für den ersten bzw. zweiten Umrichter direkt berechnet, sondern die Summe und Differenz der Werte für den ersten und zweiten Umrichter. In einer nachgeschalteten Signalverarbeitung (die aber in der praktischen Realisierung ebenfalls durch die digitale Regelschaltung durchge führt werden kann) werden aus den Summen- bzw. Differenzwerten dann die tatsächli chen Ansteuerungswerte berechnet.

Die Regelschaltung verarbeitet gemäß einer Weiterbildung einen Summensollwert für die Summe der beiden Ausgangsspannungen und steuert die Umrichter so an, dass die Summe der beiden Ausgangsspannungen auf den Summensollwert geregelt wird. Gleichzeitig wird die Differenz der beiden Ausgangsspannungen auf einen Differenzsollwert, bevorzugt auf Null, geregelt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung verarbeitet die Regelschaltung zusätzlich zum ersten und zweiten auch einen dritten und einen vierten Istwert. Der dritte und vierte Istwert hängt von den primärseitigen Resonanzströmen ab, also von den Strömen, die durch die von den Umrichtern gespeisten Resonanzanordnungen fließen. Diese Ströme werden jeweils gemessen. Aus den Strömen werden der dritte und der vierte Istwert berechnet, wofür verschiedene mathematische Operationen in Frage kommen. Die Mess werte für die Ströme können direkt den dritten und vierten Istwert bilden. Bevorzugt wird aus den Strömen durch Integration und anschließende Betragsbildung ein Maß für die jeweilige Resonanzkapazitätsspannung gebildet. Der dritte Istwert wird dann abhängig von der Summe der so berechneten Resonanzkapazitätsspannungen und der vierte Istwert von der Differenz der Resonanzkapazitätsspannungen abhängig berechnet. In einer besonders einfachen Ausführungsform entsprechen der dritte und vierte Istwert direkt der Summe bzw. Differenz der Resonanzkapazitätsspannungen. Die notwendige Signalvorverarbeitung, d. h. die Anwendung einer mathematischen Funktion auf die Messwerte der primärseitigen Resonanzströme, wird wiederum bevorzugt durch die digitale Regelschaltung selbst geleistet.

Das Stromversorgungssystem gemäß des zweiten Vorschlags der Erfindung (Anspruch 7) weist in der einfachsten Ausgestaltung lediglich einen Umrichter und eine durch diesen ge speiste Resonanzanordnung aus einem Transformator und einer Resonanzkapazität auf. Die Regelschaltung ist erfindungsgemäß für die Verarbeitung von Regelgrößen-Differenz werten und zur Lieferung von Stellgrößen-Differenzwerten vorgesehen. Hierbei werden die von der Regelschaltung verarbeiteten Regelgrößen-Differenzwerte von einer Regel größen-Differenzeinheit geliefert. Diese verarbeitet Abtastwerte der Regelgröße (z. B. Ausgangsspannung) und berechnet einen Regelgrößen-Differenzwert. Dieser Regelgrößen- Differenzwert hängt von der Differenz des Werts der jeweiligen Regelgröße zum aktuellen Zeitpunkt und dem entsprechenden Wert zu mindestens einem früheren Zeitpunkt ab. Bevorzugt entspricht der berechnete Regelgrößen-Differenzwert direkt der Differenz zwi schen dem aktuellen Abtastwert und dem vorangehenden Abtastwert, je nach Ausgestal tung können aber auch mehr Werte in die Bildung der Differenz einbezogen werden und auf die Differenz noch weitere mathematische Operationen angewendet werden.

Erfindungsgemäß liefert die Regelschaltung auch als Stellgröße zunächst einen Stellgrößen- Differenzwert, aus dem der aktuelle Stellgrößenwert mit Hilfe einer Stellgrößen-Summa tionseinheit durch fortlaufende Summation der Stellgrößen-Differenzwerte (und ggf. weitere Operationen, wie z. B. Multiplikation mit einem Faktor) gebildet werden.

Wie oben bereits beschrieben kann die Regelschaltung und die Differenz- bzw. Summa tionseinheiten sehr unterschiedlich realisiert werden, bevorzugt handelt es sich um ein Mi kroprozessor-Schaltung, in der programmgesteuert alle diese Funktionen aufgeführt werden.

Der Übergang von einer direkten Regelung der Regelungsgröße zur Betrachtung von Differenzwerten hat besondere Vorteile bei Systemen, in denen die Parameter der Regel strecke und/oder des Reglers nicht konstant sind. Beispielsweise bei Stromversorgungs systemen für Röntgenröhren sind zwei sehr unterschiedliche Betriebsmodi, ein "High Power"- und ein "Low Power"-Betriebsmodus zu berücksichtigen. Um eine optimale Regelung in beiden Betriebsmodi gewährleisten zu können, kann vorgesehen sein, dass der eigentliche Regler (entworfen beispielsweise als digitaler Regler) mit verschiedenen Para metersätzen für die verschiedenen Betriebsmodi arbeitet. Um beim Umschalten zwischen dem Betriebsmodi einen möglichst glatten Übergang von einem Parametersatz auf einen anderen zu ermöglichen, hat sich die "Differenz-Struktur" als sehr vorteilhaft erwiesen. Beim Austausch des Parametersatzes des Reglers ergeben sich keine Unstetigkeiten des Stellgrößenwertes.

Besonders vorteilhaft kann diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Regelung genutzt werden, wenn der oder die Umrichter des Systems bereits Mittel zum Umschalten zwi schen dem Betriebsmodi aufweisen. Die erfindungsgemäße Differenz-Regelung kann so besonders vorteilhaft auf ein Stromversorgungssystem mit einem oder mehreren Umrich tern angewendet, wie sie in der EP 0 884 830 beschrieben sind, dass heißt, dass in einem zweiten Betriebsmodus im Gegensatz zu einem ersten Betriebsmodus zusätzlich zur Reso nanzanordnung noch eine Serieninduktivität am Ausgang des Umrichters wirksam ist.

Die beiden getrennt voneinander realisierbaren Vorschläge gemäß Anspruch 1 und 7 lassen sich in hervorragender Weise auch kombiniert verwenden. In einem System mit mehreren Umrichtern werden dann für eine, mehrere oder alle Stellgrößen (d. h. Ansteuerungswerte für die Umrichter, z. B. Tastverhältnis) Differenzwerte gebildet, die durch Summations einheiten in die eigentliche Stellgrößenwerte umgerechnet werden. In einer solchen Ausge staltung müssen auf den Wert, den der eigentliche Regler als Stellgröße liefert, erst einige mathematische Operationen angewendet werden um den eigentlichen Ansteuerungswert (z. B. Tastverhältnis) für einen betrachteten Umrichter zu erhalten, darunter Summation (zum Übergang von den bearbeiteten (Zeit-)Differenzwerten zu den Absolut-Werten) und Bildung von Summe und Differenz (zum Übergang von den betrachteten Summen- und Differenzwerten zu den Werten für den betrachteten Umrichter).

Auch eingangsseitig des Reglers, d. h. bei den Regelgrößen, ist eine Kombination der bei den Vorschläge sinnvoll und vorteilhaft. Hierbei können bezüglich einzelner oder mehre rer, bevorzugt bezüglich aller Regelgrößen (Summe und Differenz der Ausgangsspannun gen, ggf. auch Summe und Differenz der Resonanzströme bzw. der Resonanzkapazitäts spannungen) von Regelgrößen-Differenzeinheiten die (zeitlichen) Regelgrößen-Differenz werte ermittelt werden.

Angesichts der Vielzahl von zu berücksichtigenden Stell- und Regelgrößen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Ausführung der Regelschaltung als digitale Regelschal tung für eine Zustandsraum-Regelung auszuführen. Hierfür können an sich bekannte Verfahren zur Auslegung von Reglern, beispielsweise die Methode der Polplatzierung ver wendet werden, um einen Regler mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Bevorzugt werden mindestens zwei Parametersätze für einen solchen Regler berechnet, nämlich für die High- und Low-Power Betriebsmodi. Beim Umschalten zwischen den Modi können dann die Parametersätze ausgetauscht werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist ein Stromversorgungssystem zusätzlich Mittel zur Begrenzung des primärseitigen Resonanzstroms auf. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen insbesondere für Stromversorgungssysteme für Röntgengeräte. Beim "Hochfah ren" eines solchen Stromversorgungssystems muss innerhalb äußerst kurzer Zeit und unter sehr genau definierten Randbedingungen die vorgegebene Ausgangsspannung erreicht werden. Es hat sich herausgestellt, dass hierbei darauf geachtet werden muss, dass der primärseitige Resonanzstrom nicht zu hoch wird.

Als ein mögliches Mittel zur Begrenzung des primärseitigen Resonanzstroms wird ein zusätzlicher Begrenzungsregler vorgeschlagen. Anstatt einen festen Extremwert für eine Steuergröße vorzugeben, wird zu jedem Zeitpunkt ausgehend von gemessenen Größen des Systems ein solcher Extremwert als Sicherheitsgrenze vom Begrenzungsregler berechnet. Dem Begrenzungsregler werden die Werte für eine, mehrere oder alle Größen des Systems zugeführt, woraus ein Wert für mindestens eine der Stellgrößen berechnet wird, der einen Maximal- oder Minimal-Wert für diese Steuergröße darstellt, wobei beim Über- bzw. Unterschreiten dieses Werts ein zu hoher primärseitiger Resonanzstrom zu befürchten ist. Diese zusätzliche Begrenzungs-Regelung wird in das Gesamtsystem eingefügt, in dem eine Minimum- oder Maximumeinheit für die jeweilige Stellgröße den von der eigentlichen Reglerstruktur errechneten Stellgrößenwert und den vom Begrenzungs-Regler gefundenen Maximal- bzw. Minimalwert vergleicht und als Stellgrößeneinheit nur das Maximum bzw. Minimum dieser Werte wirksam werden lässt. Auf diese Weise muss nicht in die übrige Reglerstruktur eingegriffen werden, so lange der Wert für den primärseitigen Resonanz strom noch nicht bedenklich ist. Sobald jedoch von dieser Reglerstruktur eine Regelgröße vorgegeben würde, die hinsichtlich des primärseitigen Resonanzstroms bedenklich wäre, tritt eine Begrenzung durch die vom Begrenzungsregler gelieferte Stellgröße ein.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der Baugruppen eines Röntgengerätes;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Umrichters;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm des Zeitverlaufs einer pulsweitenmodulierten Spannung;

Fig. 4 ein Teil eines Stromversorgungssystems für eine Röntgenröhre;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Signalvor- und -nachverarbeitungseinheit;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Regelers;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Reglers;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Teils einer dritten Ausführungsform eines Reglers;

Fig. 9 ein Diagramm mit Darstellung des Zeitverlaufs einiger Größen der Regelung.

In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Röntgengerät 10 mit seinen Baugrup pen dargestellt. Eine Gleichspannungsversorgung, dargestellt als Spannungsquelle 12, versorgt ein Netzteil 14 mit einer Zwischenkreisspannung. Das Netzteil 14 wird durch eine Regelvorrichtung 16 so geregelt, dass es eine Röntgenröhre 18 mit einer geregelten Hochspannung versorgt. Die mikroprozessor-gesteuerte Schaltung 16 regelt die Funktion des Netzteils 14 und steuert auch die Kathodenheizung der Röntgenröhre 18 sowie weitere Funktionen des Geräts 10.

Das Netzteil 14 umfasst einen Umrichter zur Erzeugung einer geschalteten Wechselspan nung aus der Zwischenkreisspannung. Hiermit wird die Primärseite des Transformators gespeist. Der Umrichter wird gesteuert durch die Regeleinheit 16.

In Fig. 2 ist ein Schaltbild der Primärseite eines Netzteils 14 mit einem Umrichter 20 und einem Transformator 22 dargestellt. Der Umrichter 20 weist gesteuerte Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 auf, die hier durch mit Freilaufdioden überbrückte Transistoren reali siert sind. Der Umrichter wird mit einer Zwischenkreisspannung U_Z betrieben. Je nach Ansteuerung der Schalter S1 bis S6 können an Ausgangsanschlüssen 24, 26, 28 des Umrichters 20 unterschiedliche Ausgangsspannungen erzeugt werden.

Dem Fachmann sind eine Vielzahl von Umrichtertopologien bekannt. Die in Fig. 2 dargestellte spezielle Form eines Umrichters ist in der EP 0 884 830 detailliert beschrieben. Es handelt sich um einen speziellen Umrichter, der für den Wechsel zwischen einem ersten Betriebsmodus mit hoher Kurzzeitleistung und einem zweiten Betriebsmodus mit niedriger Dauerleistung geeignet ist. Im ersten Betriebsmodus sind die Schalter S1, S2, S3, S4 aktiv, so dass die zwischen den Ausgangsanschlüssen 26, 28 geschaltete Resonanzanordnung aus einer Resonanzkapazität C_r1 und der Primärseite des Transformators 22 mit einer geschal teten Wechselspannung versorgt wird. Im zweiten Betriebsmodus (niedrige Dauerleistung) sind statt der Schalter S3 und S4 die Schalter S5 und S6 gemeinsam mit S1 und S2 aktiv, so dass in Reihe zu der Resonanzanordnung aus C_r1 und dem Transformator 22 noch eine Serieninduktivität L_Z1 und einer weiteren Resonanzkapazität C_Z1 wirksam ist.

Die Ansteuerung der Schalter S1 bis S6 erfolgt durch die Regeleinheit 16 so, dass eine pulsweitenmodulierte Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 26 und 28 (erster Be triebsmodus) bzw. 24 und 28 (zweiter Betriebsmodus) erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf der pulsweitenmodulierten Spannung u_pwm(t). Die hier feste Periodendauer der Pulsweitenmodulation ist mit T_pwm, bezeichnet. Bei Wahl einer festen Periodendauer T_pwm, ist auch die Schaltfrequenz f_pwm, = 1/T_pwm konstant, deren Wert auf die sich aus der Induktivität L und der Kapazität C ergebende Resonanzfrequenz einge stellt wird. Dies hat zur Folge, dass der sich ergebende Strom für große Lastströme nähe rungsweise sinusförmig ist und in Phase liegt mit der pulsweitenmodulierten Spannung u_pwm(t). In der ersten Hälfte der dargestellten Periode liegt ein einem Abtastzeitpunkt k zugeordneter rechteckförmiger Impuls der Länge a_k und der positiven Höhe U_Z an. Für den Rest der ersten Periodenhälfte ist die Spannung u_pwm(t) gleich Null. In der zweiten Hälfte der dargestellten Periode T_pwm liegt liegt einem Abtastzeitpunkt k + 1 zugeordneter rechteckförmiger Impuls der Länge a_k+1 und der negativen Höhe -U_Z. Für den Rest der zweiten Periodenhälfte ist die Spannung u_pwm(t) ebenfalls gleich Null. Durch die jeweiligen Werte von a_k, a_k+i, . . . und die Periodendauer T_pwm ist das jeweils gerade aktuelle Tastver hältnis der pulsweitenmodulierten Spannung u_pwm(t) eindeutig bestimmt.

Fig. 4 zeigt das Netzteil 14 als Stromversorgung für die Röntgenröhre 18 noch einmal im Detail. Es sind zwei symbolisch dargestellte Umrichter 20a, 20b vorhanden, die jeweils Resonanzanordnungen aus einer Resonanzkapazität C1, C2 und einer der beiden Primär wicklungen 30, 32 des Transformators 22 speisen. Hierbei fließen Resonanzströme i1, i2, wobei sich an den Resonanzkapazitäten C1, C2 Resonanzkapazitätsspannungen u_C1, u_C2 ausbilden.

Der Transformator 22 weist zwei primäre Wicklungen 30, 32 auf. Diese sind gemeinsam mit Sekundärwicklungen 34, 36 auf einen gemeinsamen Transformatorkern gewickelt. Das Übertragungsverhalten des Transformators 22 ist hierbei so, dass eine besonders starke Kopplung zwischen jeweils der ersten Primärwicklung 30 und der ersten Sekundärwick lung 36 sowie zwischen der zweiten Primärwicklung 32 und der zweiten Sekundärwick lung 34 besteht. Dennoch gibt es nicht zu vernachlässigende Überkreuz-Kopplungen, d. h. von der ersten Primärwicklung 30 auf die zweite Sekundärwicklung 34 und von der zwei ten Primärwicklung 32 auf die erste Sekundärwicklung 36. Diese spezielle Ausgestaltung des Transformators 22 hat den Vorteil, dass der Transformator auch (bei parallel geschal teten Primärwicklungen) mit nur einem Umrichter betrieben werden kann. Das Verhältnis der primärseitigen zu den sekundärseitigen Windungszahlen beträgt jeweils 1 : 250.

Das Netzteil aus Fig. 4 und insbesondere der Transformator 22 sind in der EP-A-716 561 detailliert beschrieben. Auf die dortigen Ausführungen zum Aufbau des Transformators 22 und zur Ansteuerung der Umrichter 20a, 20b wird hier ausdrücklich Bezug genommen.

Die sekundärseitigen Ausgangsspannungen an den sekundären Wicklungen 34, 36 werden durch Brückengleichrichter 38, 40 gleichgerichtet und durch Glättungskapazitäten C3, C4 geglättet. 50 ergeben sich Ausgangsspannungen u_out1, u_out2, die in Reihe geschaltet sind, so dass die Summe u_out1 + u_out2 die Versorgungsspannung für die Röntgenröhre 18 bildet. Für die Zwecke der Regelung sind Messvorrichtungen für die beiden Ausgangsteilspannungen u_out1, u_out2 und die primärseitigen Resonanzströme i1, i2 vorgesehen.

Fig. 5 zeigt als Signalflussgraph die dem Regler vor- und nachgeschaltete Signalverarbei tung. Das Netzteil selbst, wie in Fig. 4 dargestellt, ist hier nur symbolisch als Block 14 repräsentiert. Die Ansteuerung der beiden Umrichter 20a, 20b erfolgt zu jedem Zeitpunkt durch vorgegebene Pulsweiten a1, a2. Im Betrieb werden die Größen i1, i2, u_out1, u_out2 gemessen.

Der eigentliche Regler arbeitet jedoch nicht direkt mit diesen gemessenen Regelgrößen. Die primärseitigen Resonanzströme 11, 12 werden zunächst durch Integration und anschließende Bildung des Betrags in primärseitige Resonanzkapazitätsspannungen u_C1, u_C2 umgerechnet. Diese werden durch eine Sample- and Hold-Einheit abgetastet und durch einen A/D-Wandler digitalisiert, so dass zu jedem Zeitpunkt k digitale Abtastwerte U_C1, U_C2 vorliegen. Die Integration geschieht bevorzugt durch eine Integrationsschaltung, alter nativ ist auch vorausgehende Abtastung und dann darauffolgende rechnerische Integration möglich. Die Abtastung erfolgt synchron zum Pulsweitenmodulations-Signal, so dass das Maximum der Resonanzkapazitätsspannungen abgetastet wird und als digitaler Wert vor liegt, der eine Schätzung für die Amplitude der Resonanzkapazitätsspannungen U_C1, U_C2 darstellt. In gleicher Weise werden die Spannungen u_out1, u_out2 abgetastet und digitalisiert, so dass auch hier zu jedem Zeitpunkt k digitale Abtastwerte U_out1, U_out2 vorliegen.

Aus den so erhaltenen Werten für U_C1, U_C2, U_out1 und U_out2 werden jeweils die Summen und Differenzen gebildet.

U_C,dif = U_C1 - U_C2

U_C,sum = U_C1 + U_C2

U_out,dif = U_out1 - U_out2

U_out,sum = U_out1 + U_out2.

Die Regelstrecke 14 bildet zusammen mit der Signalvor- und -nachbearbeitung den Block 42. Der eigentliche Regler arbeitet nun vollständig im Bereich der von diesem Block 42 gelieferten Summen- bzw. Differenzwerte. Er liefert auch als Stellgröße nicht direkt die Werte u = sin(πa) zur Festlegung der Pulsbreite a und damit des Tastverhältnisses, son dern auch hier werden die Werte für Summe und Differenz der Werte u1 und u2 für den ersten und zweiten Umrichter 20a, 20b geliefert. Diese Werte werden durch eine Signal nachverarbeitung in die Werte für die Pulsbreiten a1, a2 der Umrichter 20a, 20b umge rechnet. Da kleine Tastverhältnisse a von weniger als 0,3 verwendet werden, kann die Funktion u = sin(πa) durch die lineare Funktion u = π approximiert werden.

Nun folgt der Entwurf des eigentlichen Reglers. Fig. 6 zeigt die Reglerstruktur, bei der zwei unabhängige Regler 44, 46 für die Röhrenspannung U_out,sum und die Differenzspan nung U_out,dif vorgesehen sind.

Der in Fig. 6 oben dargestellte erste Regler 44 liefert die Stellgröße u_dif, wobei er die Regelgrößen U_out,dif und U_C,dif verarbeitet. Der Sollwert für die Differenzspannung beträgt Null, d. h. der erste Regler 44 versucht die Differenz der Ausgangsspannungen auf Null zu regeln.

Der in Fig. 6 gezeigte untere Regler 46 verarbeitete die Summenspannungen U_out,sum und U_C,sum und liefert als Stellgröße u_sum. Dem Regler 46 wird ein Sollwert U_ref zugeführt, wobei der Regler eine solche Stellgröße liefert, dass die Ausgangssummenspannung U_out,sum auf den Sollwert geregelt wird.

Die Struktur beider Regler wird jeweils aus dem Diagramm Fig. 6 deutlich. Die Stell größe wird jeweils als Summe der mit entsprechenden Faktoren k multiplizierten und rückgekoppelten Regelgrößen und der ebenfalls mit einem Faktor multiplizierten Regelab weichung σ gebildet. Stationäre Regelabweichungen werden durch die Summationsblöcke (entspricht einer diskreten Integration) eliminiert. In beiden Reglern werden für zusätz liche Dämpfung auch die gelieferten Stellgrößen z^-1u rückgekoppelt.

Um einen Regler entsprechend Fig. 6 zu entwerfen, kann die Methode der Polplatzierung verwendet werden. Die reduzierte Systemmatrix der vierten Ordnung, die mit einem nicht linearen Referenzmodell nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt wird, ist quasidiagonal mit zwei Diagonalblöcken zweiter Ordnung. Daher kann der Reglerentwurf vollständig in den Entwurf des Summenreglers 46 und des Differenzreglers 44 aufgeteilt werden.

Der diskrete Integrator kann im Reglerentwurf berücksichtigt werden, indem das Zu standsraummodell der zweiten Ordnung zu einem Zustandsraummodell dritter Ordnung erweitert wird. Der zusätzliche Zustand ist der Wert des Integrals bzw. der Summe σ.

Für den Reglerentwurf ist die Tatsache, dass die Messwerte U_C und U_out nicht die tatsäch lichen Werte des Zustandsraummodells, sondern um eine Abtastperiode verzögerte Werte sind, sehr wichtig. Daher ist es günstig ein Zustandsraummodell für den Reglerentwurf zu verwenden, das Zeitverzögerungen beinhaltet. Die Verzögerung der Messwerte ist zur Verzögerung der Eingangsvariablen u äquivalent.

Das Stromversorgungssystem soll in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi, dem High Power (HP) und dem Low Power (LP) Modus betrieben werden. Das Verhalten im LP- Modus weicht erheblich vom Verhalten im HP-Modus ab. Daher haben die Regler für beide Betriebsmodi unterschiedliche Parameter. Für beide Betriebsmodi werden die ent sprechenden Parametersätze im Vorfeld berechnet und so abgespeichert, dass ein Umschal ten zwischen dem Betriebsmodi durch Austausch der Parametersätze erfolgen kann. Um einen glatten Übergang von einem Parametersatz zum anderen zu ermöglichen ist es sinn voll, die Struktur des Reglers in einer Weise zu ändern, dass der vom Regler gelieferte Ausgangswert nicht die Stellgröße u selbst ist, sondern deren Abweichung vom vorausge henden Wert u. So hat die Stellgröße u keine Unstetigkeit, wenn der Parametersatz des Reglers gewechselt wird.

Die Struktur einer dementsprechenden zweiten Ausführungsform eines Reglers ist in Fig. 7 gezeigt. Die Steuerungsparameter sind identisch zu Fig. 6. Die durch das Δ-Zeichen gekennzeichneten Differenzeinheiten arbeiten mit den digitalen Abtastwerten zu jedem Zeitpunkt so, dass sie vom Abtastwert zum aktuellen Zeitpunkt den Abtastwert des vor angehenden Abtastzeitpunkts subtrahieren.

Die hierdurch gebildeten Werte werden als Eingangswerte dem Differenzregler 44 und dem Summenregler 46 zugeführt. Lediglich der Wert für die Ausgangsspannung (U_out,sum, U_out,dif) wird zusätzlich noch einmal direkt, d. h. ohne Differenzbildung verwendet. Der Summenregler subtrahiert diesen Wert vom Sollwert, um die Regelabweichung zu ermitteln, beim Differenzregler entspricht dieser Wert direkt der negativen Regelab weichung, da die Differenz ja auf den Wert Null geregelt werden soll.

In Fig. 8 ist die Reglerstruktur einer dritten Ausführungsform eines Reglers dargestellt, bei der ein zusätzlicher Begrenzungsregler 48 vorgesehen ist. Sonst entspricht die Regler struktur aus Fig. 8 weitgehend der aus Fig. 7, so dass die Struktur als solche nicht mehr erläutert werden muss. Der Differenzregler 44 aus Fig. 7 ist auch in Fig. 8 vorgesehen, hier allerdings nicht noch einmal gesondert dargestellt. Der Unterschied innerhalb des Summenreglers 46, nämlich der Einsatz einer Minimum-Einheit, wird noch getrennt erläutert.

Der Begrenzungsregler 48 hat die Aufgabe, die primärseitigen Resonanzströme i1, i2 zu begrenzen. Dies wird durch eine Begrenzung der Resonanzkapazitätsspannungen U_C1, U_C2 erreicht. Dies stellt eine noch ausreichend genaue Näherung da, da in diesem Fall die Amplitude der Resonanzkapazitätsspannung proportional zur Amplitude des Resonanzstroms ist.

Der Begrenzungsregler 48 erhält als Sollwert U_c,max die maximale Summe der Resonanz kapazitätsspannungen. Der Begrenzungsregler 48 arbeitet als Zustandsregler mit Integral anteil, der eine solche Ansteuerung U_sum vorgibt, dass die Resonanzkapazitätsspannung auf den vorgegebenen Maximalwert geregelt wird.

Durch den im Gegensatz zu Fig. 7 in Fig. 8 innerhalb des Summenreglers 46 vorgese henen "Min"-Block wird der durch den Begrenzungsregler 48 gelieferte Ansteuerungswert jedoch nur wirksam, wenn der Summenregler 46 sonst eine solche Ansteuerung u_sum vorgeben würde, dass ein Überschreiten der maximalen Spannung U_c,max stets nur derjenige wirksam ist, der das geringere Tastverhältnis vorgibt. Da der Begrenzungsregler 48 ein solches Tastverhältnis vorgibt, dass die Resonanzkapazitätsspannung auf ihren Maximal wert geregelt wird, ist im normalen Betrieb (innerhalb der Spezifikation) der durch den Summenregler 46 vorgegebene Wert u_sum geringer, so dass der Begrenzungsregler 48 im Sy stem nicht wirksam wird. Lediglich in dem Fall, in dem der Summenregler 46 die Umrich ter 20a, 20b zu stark ansteuern würde, wird diese Ansteuerung durch den vom Begren zungsregler 48 vorgegebenen Begrenzungswert begrenzt.

Für den Entwurf dieses Reglers wird ebenfalls das Zustandsraummodell verwendet. Anfangspunkt für das Untermodell ist das Summen-System. Das gleiche Zustandsraum modell ist auch für die Differenzen der Zustandsraumvariablen zwischen den Abtastzeit punkten k und k - 1 gültig.

Die Zustandsraumgleichung kann verwendet werden um das maximal erlaubte Δu_k zu bestimmen.

Das Verhalten des gesamten Systems ist vierter Ordnung. Um die Resonanzkapazitätsspan nung unabhängig von der Ausgangsspannung zu regeln ist es sinnvoll für die Resonanz kapazitätsspannung ein Verhalten dritter Ordnung anzunehmen. Das generelle dynamische Verhalten der Resonanzkapazitätsspannung im Fall der Begrenzung sollte daher sein

U_C,k+1 + (f₁ - 1)U_C,K + f₂U_C,k-1 + f₃U_C,k-2 = (f₁ + f₂ + f₃)U_max

mit den variablen Parametern f_i.

Um die benötigten Regelparameter für Fig. 8 zu ermitteln verwendet man bestimmte dynamische Pole z₁, z₂, z₃ des Systems. Hieraus können die Parameter f₁, f₂und f₃ berech net werden und hieraus die Reglerparameter bestimmt werden.

Zur Überprüfung des Reglerentwurfs wurde zunächst eine Simulation durchgeführt. Das Ergebnis ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9 zeigt den Zeitverlauf einiger Größen des Systems im Zeitbereich t = 0 s bis t = 3.10^-3 s. Die dargestellten Größen zeigen einen Arbeitspunkt mit einer Spannung von 150 kV und 660 mA.

Im oberen Bereich ist die Ausgangsspannung U_out,sum und das Tastverhältnis a_sum dargestellt. Im mittleren Bereich ist für den oberen resonanten Umrichter der Strom i₁ dargestellt. Im unteren Bereich ist die Differenz zwischen der Anoden- und Kathodenspannung u_out,dif und die Regelabweichung e_Ur = U_soll - u_out,sum dargestellt.

Insgesamt lässt sich die Erfindung dahingehend zusammenfassen, dass zwei Vorschläge für Stromversorgungssysteme insbesondere für Röntgengeräte, mit mindestens einem resonan ten Umrichter und einer Regeleinheit vorgestellt werden. Gemäß dem ersten Vorschlag weist das Stromversorgungssystem zwei Umrichter auf und liefert zwei Ausgangsspannun gen, wobei die Regelschaltung als Istwert einerseits die Summe, andererseits die Differenz der beiden Ausgangsspannungen verarbeitet. Entsprechend dem zweiten Vorschlag verar beitet eine Regelschaltung für ein Stromversorgungssystem mit mindestens einem Umrich ter die Regelgrößen nicht direkt, sondern es werden durch Regelgrößen-Differenzeinheiten jeweils die Abweichungen zu einem vorausgehenden Abtastzeitpunkt ermittelt und diese Differenzwerte verarbeitet. Auch die so berechnete Stellgröße ist ein Differenzwert, der durch eine Stellgrößen-Summationseinheit in einen Stellgrößenwert umgerechnet wird. Beide Vorschläge lassen sich vorteilhaft kombinieren. Als wichtige Weiterbildung wird der Einsatz eines Begrenzungs-Reglers vorgeschlagen, der bei drohender Überschreitung eines Maximalwertes in der Regelung wirksam wird und die Ansteuerung begrenzt. Bevorzugt wird die Regelschaltung als digitale Regelschaltung für eine Zustandsraum-Regelung reali siert.

Claims

1. Stromversorgungssystem mit
mindestens einem ersten und einem zweiten Umrichter (20a, 20b) jeweils zur Erzeugung einer geschalteten ersten und zweiten Umrichterausgangsspan nung,
mit einer durch die Umrichter (20a, 20b) gespeisten Resonanzanordnung mit mindestens einem Transformator (22) und mindestens einer Resonanzkapazi tät (C₁, C₂),
wobei auf der Sekundärseite des Transformators (22) mindestens zwei Ausgangsspannungen (U_out1, U_out2) erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Regelschaltung (16) vorgesehen ist, die einen ersten Istwert (U_out,sum) verarbeitet, der von der Summe der beiden Ausgangsspannungen (U_out1, U_out2) abhängt,
und einen zweiten Istwert, der von der Differenz der beiden Ausgangsspan nungen (U_out1, U_out2) abhängt,
wobei die Regelschaltung (16) als Stellgröße Ansteuerungsgrößen (a₁, a₂) für die Umrichter (20a, 20b) vorgibt.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem
die Regelschaltung (16) so ausgebildet ist, dass die Summe der beiden Aus gangsspannungen (U_out1, U_out2) auf einen Summensollwert (U_ref) geregelt wird,
und die Differenz der beiden Ausgangsspannungen (U_out1, U_out2) auf einen Differenzsollwert, bevorzugt auf Null geregelt wird.

3. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
die Regelschaltung (16) so ausgebildet ist, dass sie zusätzlich noch einen dritten und einen vierten Istwert (U_C,dif, U_C,sum) verarbeitet,
wobei der dritte und der vierte Istwert von den primärseitigen Resonanz strömen durch die von den Umrichtern gespeisten Resonanzanordnungen abhängen.

4. Stromversorgungssystem nach Anspruch 3, bei dem
aus den primärseitigen Resonanzströmen (i₁, i₂) durch Integration und an schließende Betragsbildung ein Maß für eine erste und eine zweite Resonanz kapazitätsspannung (U_C1, U_C2) gebildet wird,
wobei der dritte Istwert von der Summe der Resonanzkapazitätsspannungen (U_C1, U_C2) abhängt,
und der vierte Istwert (U_c,dif) von der Differenz der Resonanzkapazitätsspan nungen (U_C1, U_C2) abhängt.

5. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Regel schaltung (16) als Ansteuergröße für die Umrichter (20a, 20b) Werte (a₁, a₂) vorgibt, die jeweils das Tastverhältnis bestimmen.

6. Stromversorgungssystem nach Anspruch 5, bei dem
die Regelschaltung (16) zunächst Werte für die Summe und die Differenz der vorgegebenen Werte liefert,
aus denen dann die Ansteuergrößen (a₁, a₂) für die Umrichter (20a, 20b) berechnet werden.

7. Stromversorgungssystem mit
mindestens einem Umrichter (20a, 20b) zur Erzeugung einer geschalteten Umrichterausgangsspannung,
einer durch den Umrichter gespeisten Resonanzanordnung mit mindestens einem Transformator (22) und mindestens einer Resonanzkapazität (U_C1, U_C2), wobei auf der Sekundärseite des Transformators (22) mindestens eine Ausgangsspannung (U_out1, U_out2) erzeugt wird,
und mit einer Regelschaltung (16) zur Regelung der Ausgangsspannung (U_out1, U_out2) auf einen Sollwert (U_ref), wobei die Regelschaltung (16) als Stellgröße Ansteuerungswerte (a₁, a₂) für den Umrichter (20a, 20b) liefert
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelschaltung (16) mindestens eine Regelgrößen-Differenzeinheit (Δ) aufweist, die zum jeweils bearbeiteten Zeitpunkt von aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten einen Regelgrößendifferenzwert ermittelt, der von der Differenz des aktuellen Abtastwertes der Regelgröße und mindestens eines vorangehenden Abtastwertes der Regelgröße abhängt, und die Regelschaltung (16) als Stellgröße zunächst einen Stellgrößendiffe renzwert liefert,
wobei die Regelschaltung eine Stellgrößensummationseinheit (Σ) aufweist, die zum jeweils aktuell bearbeiteten Zeitpunkt von aufeinanderfolgenden Zeit punkten einen Stellgrößenwert ermittelt, der aus der Summe eines vorausge henden Stellgrößenwertes und des gelieferten Stellgrößen-Differenzwertes gebildet wird.

8. Stromversorgungssystem nach Anspruch 7, bei dem der Umrichter (20) Mittel (S₃, S₄, S₆) zum Umschalten zwischen einem ersten Betriebsmodus HP und einem zweiten Be triebsmodus LP aufweist, wobei im ersten Betriebsmodus HP am Ausgang (26, 28) des Umrichters (20) eine Resonanzanordnung aus mindestens einer Resonanzkapazität (C_r1) und einem Transformator (22) wirksam ist, und im zweiten Betriebsmodus LP am Aus gang (24, 28) eine Serienschaltung wirksam ist, die in Serie zu der Resonanzanordnung mindestens eine Induktivität (L_z1) umfasst.

9. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Regelschaltung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 aufgebaut ist.

10. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Regelschaltung (16) eine digitale Regelschaltung für eine Zustandsraumregelung ist.

11. Stromversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Mittel (48) zur Begrenzung des primärseitigen Resonanzstroms (i₁, i₂) vorgesehen sind.

12. Röntgengerät mit einem Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.