[发明专利]一种用于X射线管的负高压直流集成电源及其控制方法

权利要求书

1.一种用于X射线管的负高压直流集成电源，其特征在于：包括：

负高压发生模块、控制模块和灯丝交流电压发生模块；负高压发生模块的一个输出端连接X射线管，负高压发生模块的另一个输出端连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接负高压发生模块的输入端和灯丝交流电压发生模块的输入端，灯丝交流电压发生模块的输出端连接X射线管；

所述负高压发生模块包括第一PWM发生电路、第一逆变电路、第一谐振电路、高频升压变压器和倍压整流电路；第一PWM发生电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一谐振电路的输入端，第一谐振电路的输出端连接高频升压变压器的输入端，高频升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的一个输出端作为负高压发生模块的输出端连接控制模块的输入端，倍压整流电路的另两个输出端中，一个输出端连接X射线管的阴极端，另一个输出端与X射线管的阳极端共地；

所述灯丝交流电压发生模块包括第二PWM发生电路、第二逆变电路、第二谐振电路和高频降压变压器；第二PWM发生电路的输出端连接第二逆变电路的输入端，第二逆变电路的输出端连接第二谐振电路的输入端，第二谐振电路的输出端连接高频降压变压器的输入端，高频降压变压器的两个输出端连接X射线管的灯丝两端；

所述控制模块包括采样反馈电路、控制电路和输入输出控制电路；采样反馈电路的两个输入端作为控制模块的两个输入端，其中一个输入端连接负倍压整流电路的一个输出端，另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，采样反馈电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路的两个输出端作为控制模块的两个输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端，控制电路的另一个输出端连接输入输出控制电路的输入端，输入输出控制电路的输出端连接控制电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的负高压直流集成电源，其特征在于：所述的负高压发生模块用于产生负高压直流电压为X射线管供电，并将产生的负高压直流电压信号反馈至控制模块。

3.根据权利要求1所述的负高压直流集成电源，其特征在于：所述的灯丝交流电压发生模块用于产生低压交流电压为X射线管的灯丝供电。

4.根据权利要求1所述的负高压直流集成电源，其特征在于：控制模块用于实时采集负高压发生模块产生的负高压直流电压信号和实时采集X射线管的管电流信号，并根据设定的负高压直流电压参考值及X射线管的管电流参考值，实时控制负高压发生模块产生X射线管所需的负高压直流电压和实时控制灯丝交流电压发生模块产生低压交流电压，以得到所需的X射线管的管电流。

5.根据权利要求1所述的负高压直流集成电源，其特征在于：所述的采样反馈电路包括电压采样反馈电路和电流采样反馈电路，电压采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的一个输入端连接倍压整流电路的一个输出端，电压采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的一个输出端连接控制电路的一个输入端；电流采样反馈电路的输入端作为采样反馈电路的另一个输入端连接X射线管的管电流输出端，电流采样反馈电路的输出端作为采样反馈电路的另一输出端连接控制电路的另一个输入端。

6.根据权利要求1所述的负高压直流集成电源，其特征在于：所述的输入输出控制电路包括按键输入电路、模拟量输出电路、显示电路、过压和过流指示电路；按键输入电路的输出端连接控制电路的一个输入端，显示电路的输入端、过压和过流指示电路的输入端及模拟量输出电路的输入端均与控制电路的输出端连接，模拟量输出电路的输出端分别连接第一PWM发生电路的输入端和第二PWM发生电路的输入端。

7.如权利要求1所述的用于X射线管的负高压直流集成电源的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：输入输出控制电路设定X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值并输出至控制电路；

步骤2：控制电路根据接收到的X射线管的负高压直流电压参考值和X射线管的管电流参考值分别控制第一PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波及控制第二PWM发生电路产生对应占空比的PWM方波；

步骤3：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第一谐振电路传输至高频升压变压器进行升压处理后得到高频正弦交流电压，再送入倍压整流电路进行负倍压和整流处理得到的负高压直流电压输出至X射线管的阴极端为X射线管供电，在X射线管阴极端和阳极端之间形成高压电场；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，经第二谐振电路传输至高频降压变压器，进行降压处理后得到低压交流电压并输出至X射线管的灯丝两端为X射线管的灯丝供电；

步骤4：采样反馈电路实时对负高压发生模块输出的负高压直流电压和X射线管的管电流进行采样，并将采样得到的负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值传送至控制电路，同时对负高压直流电压输出值和X射线管的管电流值进行显示；

步骤5：控制模块对负高压发生电路产生的负高压直流电压的控制，执行步骤6；控制模块控制灯丝交流电压发生模块产生的的低压交流电压实现X射线管的管电流的控制，执行步骤7；

步骤6：控制电路实时计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值，并计算负高压直流电压输出值变化率，并采用滑模变结构控制算法计算出用于控制第一PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量，并执行步骤8；

步骤6-1，建立负高压发生模块的传递函数W(s)；

W(s)=b0s2+a1s---(1)]]>

式中，

W(s)为被控对象的传递函数；s为拉普拉斯算子；b₀和a₁均为系数b0=-KpwmNn2RLLC(n2LtL+LtH),a1=n2RL+n2RtL+RtHn2LtL+LtH,]]>K_pwm为逆变电路增益；L为谐振电感，H；C为谐振电容，F；R_tH为原边绕组的电阻，Ω；L_tH为原边绕组的漏感，H；R_tL为副边绕组的电阻，Ω；L_tL为副边绕组的漏感，H；R_L为负载，Ω；n为变压器原边与副边的匝比；N为倍压整流的倍数；

步骤6-2，计算负高压直流电压输出值与负高压直流电压参考值的差值及负高压直流电压输出值变化率；

输出负高压电压值与负高压参考值的差值x₁(t)的计算公式如式（2）：

x₁(t)＝v_ref-v_o   （2）

式中，

t为时间变量，s；v_ref为输出负高压的参考值，V；v_o为输出负高压的检测值，V；输出负高压值变化率x₂(t)的计算公式如式（3）：

x2(t)=v·ref-v·o---(3)]]>

式中，

为输出负高压的参考值的变化率，V/s；为输出负高压的检测值的变化率，V/s；

步骤6-3：根据负高压发生模块的传递函数建立负高压发生模块的状态空间模型；

负高压发生模块的状态空间模型为式（4）：

x·1(t)x·2(t)=010-a1x1(t)x2(t)+0-b0Eu---(4)]]>

式中，

为x₁(t)的导数；为x₂(t)的导数；E为逆变电路的输入直流电压，V；Q₁Q₄和Q₂Q₃分别是第一逆变电路的两组同时导通的开关管；

步骤6-4：根据负高压发生模块的状态空间模型，控制电路采用滑模变结构控制算法，计算出用于控制PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的滑模控制量S(x,t)；

S(x,t)＝k₁x₁(t)+k₂x₂(t)   （5）

式中，

S(x,t)为滑模控制量；k₁、k₂均为滑模面系数；滑模面系数k1与k2是决定控制效果的可调节参数，滑模面系数K1的调节范围为1～99，滑模面系数k2的调节范围为0.001～0.01；

步骤7：控制电路实时计算X射线管的管电流值与X射线管的管电流的参考值的差值，并采用增量式PID控制方法计算出用于控制第二PWM发生电路产生相应占空比的PWM方波的控制量；

步骤8：控制电路将计算出的滑模控制量和计算出的控制量传送给模拟量输出电路；

步骤9：模拟量输出电路对滑模控制量和控制量进行数模转换产生相应的模拟量数据并分别传送给第一PWM发生电路和第二PWM发生电路；

步骤10：第一PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；第二PWM发生电路根据接收到的模拟量数据产生对应占空比的PWM方波；

步骤11：第一PWM发生电路产生的PWM方波控制第一逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第一谐振电路传送至高频升压变压器；第二PWM发生电路产生的PWM方波控制第二逆变电路输出高频矩形波交流电压，且经第二谐振电路传送至高频降压变压器；

步骤12：高频升压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行升压并传送给倍压整流电路；

步骤13：倍压整流电路对接收到的高频高压正弦交流电压进行负倍压和整流，得到负高压直流电压并传输至X射线管进行供电；高频降压变压器对接收到的高频正弦交流电压进行降压得到交流电压并传输至X射线管的灯丝两端进行供电，在X射线管阴极端和阳极端之间的高压电场的作用下，灯丝中的电子进行定向运动，形成X射线管的管电流。