基于晶閘管導通角控制的脈寬調制旋轉陽極控制技術的設計與實驗

皮旭嬌，孫達本

江蘇醫藥職業學院醫學影像學院 （江蘇鹽城 224006）

目前，X 線檢查設備通常包括數字化X 線攝影（digital radiography，DR）、數字減影血管造影（digital subtract angiography，DSA）、CT、乳腺機、數字胃腸機等，又或可根據支持裝置分為固定機、移動床邊機、C 型臂、U 型臂等。X 線的產生離不開X 線管，X 線管的工作條件通常包括3個模塊的控制，分別為管電壓控制、管電流控制和旋轉陽極控制。

隨著整機高度集成化的發展，設備的價格日趨昂貴，淘汰周期逐漸縮短，醫療設備生命周期通常為5～8年，一臺中檔DR，價格通常為50萬～100萬，每年維保投入占設備成本的8%～10%，加上場地需求、防護檢測，固有設施建設費用不低于10萬/臺，由此折算教學成本極為昂貴。

在此背景下，我們嘗試提煉技術模塊流程，搭建框圖，設計電路，調試再現后生產相應的模塊實驗器具[1]。本研究主要采用了基于晶閘管導通角控制的脈寬調制（pulse width modulation，PWM）控制技術，重現旋轉陽極的控制手段及測試流程，模擬X 線檢查設備的真實控制技術及檢修步驟，通過示教器具實踐訓練，可以達到培訓儀器儀表使用能力、電路分析能力、故障排查能力的目的[2-3]。

1 系統框架

旋轉陽極工作原理：為達到增加實際焦點的面積，同時不降低管電流的目的，將陽極靶面設計為旋轉陽極工作模式，要求在攝影預備狀態下，旋轉陽極開始啟動，并對旋轉陽極啟動狀態進行檢測，若檢測通過，曝光指令可以繼續執行，若檢測不通過，則中斷曝光流程。簡言之，旋轉陽極電路的基本要求是能按照指令瞬時加減速，可靠運轉，在運轉出現異常或停止旋轉時，通知高壓發生器終止曝光流程。

普通X 線機多采用單相交流異步電動機，旋轉陽極由定子和轉子兩部分組成，轉子即陽極靶面，定子又分為工作繞組、啟動繞組，通過剖相電容（又稱分相電容）進行啟動。

基本工作流程分為攝影和透視兩個狀態。攝影時，曝光預備指令下達0.8～1.2 s（中速管，實際轉速約2 800 r/min），全速啟動，對旋轉陽極工作繞組和啟動繞組分別進行狀態檢測，若檢測通過，旋轉陽極進入維持狀態，則流程正常，若檢測不通過，則流程中斷，設備出現故障代碼；透視時，踩下透視腳閘，設備立刻進入維持狀態，低速啟動。即攝影時全速啟動后進入維持狀態，對全速啟動進行檢測；透視時直接進入維持狀態。這與透視和攝影的負載不同有關，攝影的負載容量是透視的數十倍至數百倍，故而對旋轉陽極轉速要求高，而透視負載小，旋轉陽極是否轉動對于中速管而言均可，對于高速管則透視時處于慢轉速預備狀態，以保證攝影指令到來時能迅速達到8 500 r/min 的要求，縮短預備時間，高速管允許預備時間通常為2.4 s。

圖1 北京萬東HF500旋轉陽極調壓裝置

2 技術提煉

針對旋轉陽極控制技術，不同廠家的設計理念不盡相同，一般可分為啟動、延時、降壓、保護等過程，具體實現手段略有差異。

2.1 高壓啟動、低壓維持

江蘇魚躍醫療設備股份有限公司（原上海醫療器械廠）生產的多系列控制臺，通常是對工作繞組和啟動繞組進行全速運轉狀態檢測，若檢測通過，則降低供電電壓（常采用雙回路供電，根據狀態檢測切換供電電源）或在供電回路中串入電阻進行分壓的手段。

北京萬東醫療科技有限公司（簡稱：北京萬東）生產的相關系列控制臺，早期無降壓措施，一直處于高壓運轉狀態（因曝光時間短忽略維持狀態），后期在自主研發高頻系列中采用三端調壓塊，CPU 根據曝光指令的不同時段發出不同對應的編碼，該編碼通過SW1撥碼開關控制八選一通道U1的CBA 編碼信號，從而控制將X1、X2、X5、X6數值送至三端調壓塊SD1的5腳，該電位的高低決定了SD1輸出電壓的大小（輸出電壓經由SD1的2、3腳輸出），共分為4 個狀態，即TUBE1 管位（透視狀態）的啟動態（/START）和維持態（/RUN）、TUBE2（攝影狀態）的啟動態和維持態，4種狀態分別受控于4個可調電阻（VR1～4），4種狀態的檢測點分別為TP5、6、7、9，最終達到控制和切換啟動電壓和維持電壓大小的目的，如圖1[4]。

2.2 延時保護技術

與啟動電路配套的是延時電路，該電路通常提供0.8～1.2 s 的旋轉陽極啟動時間，在該時間段內陽極得到一個較高的啟動電壓，同時X 線機不可以進行曝光；延時結束后，旋轉陽極啟動正常，此時方可給X 線管施加高壓以產生X 線。

延時作為旋轉陽極的保護措施，若無延時電路，則有出現在X 線管啟動不完全、轉速不足的情況下進行曝光，靶面因轉速不夠、過熱而損壞的風險。我們以北京萬東FSK302系列旋轉陽極延時及其保護電路為例，電容C11充電至翻轉電平，JD7方可工作，若JD7不工作則曝光不可進行，而電容C11是在曝光預備指令下達后才可以工作的，且充電時間受控于R40，該時間調節在0.8～1.2 s 即可，此即為延時保護控制電路，如圖2。

2.3 旋轉陽極啟動及狀態檢測電路

旋轉陽極狀態檢測分為工作繞組和啟動繞組兩部分。通常情況下，在工作繞組中串接電流互感器（B6），在啟動繞組回路中串接電流互感器或在剖相電容上并接電壓互感器（B8）均可[5]。當檢測異常時，則圖3中的C11被箝位，導致JD7無法工作，設備處于旋轉陽極啟動保護狀態。

總之，針對旋轉陽極控制技術，主要考慮的部分包括全速啟動低壓維持的切換措施、延時裝置及延時裝置對切換的控制作用、旋轉陽極檢測裝置和顯示應對措施。

3 模塊設計

3.1 設計框圖

實驗箱重現主要分為供電電源、供電控制方式、延時裝置、手閘與腳閘模擬裝置、旋轉陽極工作繞組和啟動繞組及剖相電容、旋轉陽極狀態檢測裝置、信號處理及顯示裝置等模塊。

3.2 全速啟動與低壓維持切換電路設計

圖2 北京萬東FSK302系列旋轉陽極延時及保護電路

圖3 啟動與維持狀態切換電路

圖3中TH1為雙向晶閘管，負責接通工作繞組和啟動繞組電源，其導通相位決定了旋轉陽極工作繞組和啟動繞組的得電電壓波形，若0°導通角，則220 V 電源全部通過，此時屬于全速啟動狀態。TH1的觸發信號受控于Q5、光耦IC8和Q1等，當光耦IC8導通后，則DZ2的12 V 電源直接加給雙向晶閘管，所以控制Q1的導通角即可控制雙向可控硅的導通角。

Q1的狀態取決于差分運算放大器IC4的同相輸入端2腳與反相輸入端3腳的電平比較。2腳為一基準信號；3腳信號受控于RP2，若3腳為0 V，則IC8過零點即得電，雙向晶閘管TH1過零點即導通，若3腳電位增加，則觸發角度后移，雙向晶閘管導通角后移，工作電源變低，此時即為維持狀態。

由圖3可知，啟動狀態或維持狀態的切換是由3腳電位確定的，而3腳電位受控于電容C8。

3.3 延時電路設計

圖4中KR 是模擬攝影手閘一擋預備曝光開關，KF 是模擬透視腳閘[6]。延時電路僅用在攝影時，當按下攝影KR，則KA1工作，電源VDD、VCC 產生，電容C8電壓不可突變維持低電平，此時差分運算放大器IC4反相輸入端為0 V，光耦IC8過零點導通，設備處于全速啟動狀態。隨著時間的延長，C8被充電至翻轉電平，充電速度取決于RP1，通常調制在0.8～1.2 s。當C8充電至翻轉電平后，通過RP2調制后，3腳電位上升，從而導致導通角后移，觸發有效脈寬變窄，旋轉陽極進入維持狀態。

3.4 旋轉陽極檢測及其信號處理電路設計

旋轉陽極檢測信號來自電流互感器TA1、TA2，其檢測信號經IC7A、7B 及Q3、4放大后觸發單穩[7]，如圖5所示，當檢測信號達到觸發單穩狀態時，檢測通過，指示燈LD3燃亮，若檢測信號不足以觸發單穩，則檢測不通過。

4 結語

本研究主要設計了一款旋轉陽極實驗箱，相比傳統的利用整機進行教學實踐手段而言，該實驗箱功能齊全，價格低廉，場地要求低，工位數易滿足，且故障演示方便、風險低，檢測角度完善，方便高效，具有較高的推薦價值[8]。

圖4 延時電路

圖5 旋轉陽極實驗箱設計圖