X射線管高壓電源設計及穩壓控制方法研究

張偉 周洪軍 陳樹軍

摘? 要：在醫學和工業等領域，X射線發揮至關重要的作用，尤其是在工業領域，使用X射線管改變傳統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定性，另一方面有效節約供電資源，創造良好的經濟效益。本文圍繞X射線管高壓電源設計及穩壓控制方法展開討論，設計包括高壓電源軟件結構、硬件結構以及燈絲電流源電路與直流高壓，通過設計可以提高電壓穩定性。

關鍵詞：X射線管? 高壓電源設計? 穩壓控制方向? 方法研究

中圖分類號：TN144? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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射線過程中，利用X射線的穿透性能力，可以獲取照射物體的相關信息。X射線具備的穿透能力，主要是X射線產生較短的波長，并且在短時間內產生較大的能量，即便被照射物體表面吸收，仍能利用產生的能量獲取物質密度的相關信息。但是X射線波長較長，會產生較小的光子能量，從而降低穿透能力。利用X射線的穿透能力，制作成X射線測量儀器，應用在高壓電場中，將電壓控制在穩定的狀態。

1? 高壓電源結構設計

1.1 高壓電源軟件結構設計

在高壓電源結構設計中，高壓電源軟甲結構設計是重要的組成部分，軟件可以操控高壓電源的運行狀態，保證高壓電源正常的運行。在高壓電源軟件結構設計過程中，要求設計人員必須按照以下流程進行：（1），通過主程序暫停所有系統的操作，并在暫停的同時，中斷系統中CPU的運行;（2），將系統調整至初始化運行狀態，初始狀態包括多種構件分別為DSP時鐘、I/O口、控制器P壓、定時器、ACD模塊以及總線模塊。

1.2 高壓電源硬件結構設計

在高壓電源硬件結構設計過程中，通過設計進一步提升系統的控制板的運行能力。在設計控制板過程中，使用WTI公司生產的型號為TMS320F2812控制板，在該控制板內，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、遠端控制電路以及燈絲電流源電路。此外在控制板內，還會設有DSP系統，作為控制板內最小的系統，該系統內裝配多種電路硬件，包括供電電路、復位電路、時鐘電路以及啟動選擇電路。在控制電路中會設置TL494電芯，該電芯可以控制全橋逆變電路產生的信號，使產生的信號輸入到直流電壓裝置中，通過裝置產生離頻方波電壓，電壓將電流輸送到并聯諧振電路內，電路內原有的信號轉變為正弦信號，在正弦信號的作用下，高壓結構會產生數倍的電壓和電流。

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計過程中，基于電路的設計原理，利用電流源電流可以控制低壓電源。但是在電壓進入到逆變電路后，會由高壓轉變為低壓，才能將電壓直接作用在燈絲。

2? 高壓電源穩巧控制回路先進控制方法

在本高壓電源系統設計過程中，通過設置可切換的功率開關，系統在功率開關變化過程中，使系統具有可變化特點。為提升系統的可變化控制能力，在系統內配置滑膜結構，滑膜結構具備控制能力，使系統在變化過程中更加穩定。通過配置滑膜結構，使高壓電源具備穩巧控制回路的功能。

滑膜變結構控制方法，是由前蘇聯學者在20世紀60年代提出的，作為一種FWI方法應用在滑膜變結構中，從而精準控制結構的變化。滑膜變結構在控制過程中，采用非線性控制方法，致使控制過程出現非連續情況，在非連續情況的狀態下，開關通過系統的控制，會在限定的條件下出現高頻率的上下運動，但是運動幅度控制在有限的范圍內，展示出開關具有滑膜運動特點。在滑膜變結構設計過程中，無需考慮設定的參數以及外界擾動產生的影響。

2.1 滑動模態的存在性

滑動模態的存在性體現在以下幾個方面，結合下圖1可知：（1）在系統運動過程中，運動至S=0區域內，將A點作為起始點，此時S大于0，并且切換面處于分離狀態;（2）在系統運動至B點時，將B點作為終止點，此時S會小于0;（3）在系統運動至C點時，系統處于切換面S=0區域內，此時區域內所有的點進行滑膜運動，并且在滑膜運動時，C點作為終止點具有強迫和吸引的特點，使系統在直線運動時，可以保持動態變化狀態。

2.2 滑動模態的可達性

假設系統的初始點原理S=0區域，將初始點設為X，在空間內的任意位置作為初始位置，應將空間內滑動系統運動區域設定在S=0區域內，同時在限定的時間內，要求系統必須在切換面內，利用可達性條件，使滑膜系統保持在運動狀態。結合滑動模態的可達性要求，如果S小于等于0時，此時空間內的任意位置的滑動點，應接近S=0的區域，將該條件設定為廣義滑動模態。在該條件下系統運動過程中，系統處于廣義滑膜運動狀態。系統在運動過程中，根據廣義滑膜條件，可以滿足滑動模態的可達性要求。

2.3 穩定性

系統處于運動狀態時，在滑動模態區域內保持滑膜運動狀態，需要保持系統的穩定性，才能提高系統的運行能力。此外在反饋控制系統運動過程中，保持在滑動運行狀態，應將滑動面的驅動軌線貼近平衡點，在平衡點位置系統處于穩定運行，從而提升系統的穩定運行能力。在提高系統穩定運行能力過程中，應根據雅克比矩陣的特征值，將系統內的實部部分用于切換面的交換過程，保證系統可以穩定的運行。

2.4 抖振問題

在滑膜運動過程中，使滑膜處于理想的運動狀態，防止滑膜運動時出現抖振問題，應將系統保持在切面S=0的運動狀態。如果S=0區域內滿足無限大功率切換條件，可以消除不利因素引發的抖振情況。但是在系統實際運行過程中，滑膜在運動時，會受到工作頻率的影響，一方面滯后切換開關的運行時間，導致系統軌道在進入到滑膜面以后，滑膜無法進行有效的運動，另一方面在滑膜運動過程中，滑膜面會出現小幅度的振蕩，在振蕩作用下，系統會出現抖振問題。為避免系統出現抖振情況，通常采用滯環的方式，控制開關的運動頻率。

3? 結語

綜上所述，在高壓電源設計過程中，增強高壓電源的穩定運行能力，需要將X射線應用在高壓電源裝置中，利用X射線的穿透能力，控制系統的運行狀態，提升系統穩定運行能力，從而有效控制電源電壓。

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