X射線管高壓電源設(shè)計(jì)及穩(wěn)壓控制方法研究

張偉 周洪軍 陳樹(shù)軍

摘? 要：在醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域，X射線發(fā)揮至關(guān)重要的作用，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域，使用X射線管改變傳統(tǒng)工頻整流高壓電源形式，一方面縮小射線管的電源體積，提高功率以及射線穩(wěn)定性，另一方面有效節(jié)約供電資源，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文圍繞X射線管高壓電源設(shè)計(jì)及穩(wěn)壓控制方法展開(kāi)討論，設(shè)計(jì)包括高壓電源軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)以及燈絲電流源電路與直流高壓，通過(guò)設(shè)計(jì)可以提高電壓穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：X射線管? 高壓電源設(shè)計(jì)? 穩(wěn)壓控制方向? 方法研究

中圖分類號(hào)：TN144? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0093-03

Abstract： In the fields of medicine and industry， X-ray plays an important role， especially in the industrial field. Using X-ray tube to change the form of traditional power frequency rectifier high-voltage power supply， on the one hand， reduce the power volume of the ray tube， improve the power and ray stability， on the other hand， effectively save power supply resources and create good economic benefits. This paper focuses on the design of X-ray tube high-voltage power supply and voltage stabilizing control method. The design includes the software structure， hardware structure of high-voltage power supply， filament current source circuit and DC high-voltage. Through the design， the voltage stability can be improved.

Key Words： X-ray tube;Design of high voltage power supply;Stabilized voltage control direction;Method study

使用X射線過(guò)程中，利用X射線的穿透性能力，可以獲取照射物體的相關(guān)信息。X射線具備的穿透能力，主要是X射線產(chǎn)生較短的波長(zhǎng)，并且在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的能量，即便被照射物體表面吸收，仍能利用產(chǎn)生的能量獲取物質(zhì)密度的相關(guān)信息。但是X射線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生較小的光子能量，從而降低穿透能力。利用X射線的穿透能力，制作成X射線測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用在高壓電場(chǎng)中，將電壓控制在穩(wěn)定的狀態(tài)。

1? 高壓電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 高壓電源軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高壓電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高壓電源軟甲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重要的組成部分，軟件可以操控高壓電源的運(yùn)行狀態(tài)，保證高壓電源正常的運(yùn)行。在高壓電源軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)人員必須按照以下流程進(jìn)行：（1），通過(guò)主程序暫停所有系統(tǒng)的操作，并在暫停的同時(shí)，中斷系統(tǒng)中CPU的運(yùn)行;（2），將系統(tǒng)調(diào)整至初始化運(yùn)行狀態(tài)，初始狀態(tài)包括多種構(gòu)件分別為DSP時(shí)鐘、I/O口、控制器P壓、定時(shí)器、ACD模塊以及總線模塊。

1.2 高壓電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高壓電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的控制板的運(yùn)行能力。在設(shè)計(jì)控制板過(guò)程中，使用WTI公司生產(chǎn)的型號(hào)為TMS320F2812控制板，在該控制板內(nèi)，含有多種控制硬件，分別為逆變諧振電路、高頻變壓器、倍壓整流電路、遠(yuǎn)端控制電路以及燈絲電流源電路。此外在控制板內(nèi)，還會(huì)設(shè)有DSP系統(tǒng)，作為控制板內(nèi)最小的系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)裝配多種電路硬件，包括供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及啟動(dòng)選擇電路。在控制電路中會(huì)設(shè)置TL494電芯，該電芯可以控制全橋逆變電路產(chǎn)生的信號(hào)，使產(chǎn)生的信號(hào)輸入到直流電壓裝置中，通過(guò)裝置產(chǎn)生離頻方波電壓，電壓將電流輸送到并聯(lián)諧振電路內(nèi)，電路內(nèi)原有的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎倚盘?hào)，在正弦信號(hào)的作用下，高壓結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍的電壓和電流。

1.3 燈絲電流源電路與直流高壓

燈絲電流源電路與直流高壓設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于電路的設(shè)計(jì)原理，利用電流源電流可以控制低壓電源。但是在電壓進(jìn)入到逆變電路后，會(huì)由高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪?，才能將電壓直接作用在燈絲。

2? 高壓電源穩(wěn)巧控制回路先進(jìn)控制方法

在本高壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置可切換的功率開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)在功率開(kāi)關(guān)變化過(guò)程中，使系統(tǒng)具有可變化特點(diǎn)。為提升系統(tǒng)的可變化控制能力，在系統(tǒng)內(nèi)配置滑膜結(jié)構(gòu)，滑膜結(jié)構(gòu)具備控制能力，使系統(tǒng)在變化過(guò)程中更加穩(wěn)定。通過(guò)配置滑膜結(jié)構(gòu)，使高壓電源具備穩(wěn)巧控制回路的功能。

滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法，是由前蘇聯(lián)學(xué)者在20世紀(jì)60年代提出的，作為一種FWI方法應(yīng)用在滑膜變結(jié)構(gòu)中，從而精準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)的變化?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)在控制過(guò)程中，采用非線性控制方法，致使控制過(guò)程出現(xiàn)非連續(xù)情況，在非連續(xù)情況的狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)通過(guò)系統(tǒng)的控制，會(huì)在限定的條件下出現(xiàn)高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)幅度控制在有限的范圍內(nèi)，展示出開(kāi)關(guān)具有滑膜運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。在滑膜變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需考慮設(shè)定的參數(shù)以及外界擾動(dòng)產(chǎn)生的影響。

2.1 滑動(dòng)模態(tài)的存在性

滑動(dòng)模態(tài)的存在性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，結(jié)合下圖1可知：（1）在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)至S=0區(qū)域內(nèi)，將A點(diǎn)作為起始點(diǎn)，此時(shí)S大于0，并且切換面處于分離狀態(tài);（2）在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，將B點(diǎn)作為終止點(diǎn)，此時(shí)S會(huì)小于0;（3）在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)處于切換面S=0區(qū)域內(nèi)，此時(shí)區(qū)域內(nèi)所有的點(diǎn)進(jìn)行滑膜運(yùn)動(dòng)，并且在滑膜運(yùn)動(dòng)時(shí)，C點(diǎn)作為終止點(diǎn)具有強(qiáng)迫和吸引的特點(diǎn)，使系統(tǒng)在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以保持動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。

2.2 滑動(dòng)模態(tài)的可達(dá)性

假設(shè)系統(tǒng)的初始點(diǎn)原理S=0區(qū)域，將初始點(diǎn)設(shè)為X，在空間內(nèi)的任意位置作為初始位置，應(yīng)將空間內(nèi)滑動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域設(shè)定在S=0區(qū)域內(nèi)，同時(shí)在限定的時(shí)間內(nèi)，要求系統(tǒng)必須在切換面內(nèi)，利用可達(dá)性條件，使滑膜系統(tǒng)保持在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)合滑動(dòng)模態(tài)的可達(dá)性要求，如果S小于等于0時(shí)，此時(shí)空間內(nèi)的任意位置的滑動(dòng)點(diǎn)，應(yīng)接近S=0的區(qū)域，將該條件設(shè)定為廣義滑動(dòng)模態(tài)。在該條件下系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)處于廣義滑膜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)廣義滑膜條件，可以滿足滑動(dòng)模態(tài)的可達(dá)性要求。

2.3 穩(wěn)定性

系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在滑動(dòng)模態(tài)區(qū)域內(nèi)保持滑膜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，才能提高系統(tǒng)的運(yùn)行能力。此外在反饋控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保持在滑動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)將滑動(dòng)面的驅(qū)動(dòng)軌線貼近平衡點(diǎn)，在平衡點(diǎn)位置系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。在提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)雅克比矩陣的特征值，將系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)部部分用于切換面的交換過(guò)程，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.4 抖振問(wèn)題

在滑膜運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，使滑膜處于理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止滑膜運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)抖振問(wèn)題，應(yīng)將系統(tǒng)保持在切面S=0的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果S=0區(qū)域內(nèi)滿足無(wú)限大功率切換條件，可以消除不利因素引發(fā)的抖振情況。但是在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，滑膜在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到工作頻率的影響，一方面滯后切換開(kāi)關(guān)的運(yùn)行時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)軌道在進(jìn)入到滑膜面以后，滑膜無(wú)法進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)，另一方面在滑膜運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑膜面會(huì)出現(xiàn)小幅度的振蕩，在振蕩作用下，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)抖振問(wèn)題。為避免系統(tǒng)出現(xiàn)抖振情況，通常采用滯環(huán)的方式，控制開(kāi)關(guān)的運(yùn)動(dòng)頻率。

3? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高壓電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，增強(qiáng)高壓電源的穩(wěn)定運(yùn)行能力，需要將X射線應(yīng)用在高壓電源裝置中，利用X射線的穿透能力，控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力，從而有效控制電源電壓。

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