一種X光機電源控制電路的設(shè)計

鄧玉福, 劉智恒, 孟德川, 張 勇, 周任暉, 申子鉞, 于桂英

(1. 沈陽師范大學 物理科學與技術(shù)學院, 沈陽 110034;2. 遼寧省射線儀器儀表專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心, 沈陽 110034;3. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034;4. 沈陽師范大學 軟件學院, 沈陽 110034)

0 引 言

倫琴射線又名X射線,是19世紀末20世紀初物理學三大發(fā)現(xiàn)之一,這一發(fā)現(xiàn)對物理學乃至整個科學界的發(fā)展產(chǎn)生了巨大且深遠的影響,標志著現(xiàn)代物理學的誕生[1]。隨著人們對X射線性質(zhì)和特點的不斷研究,X射線在許多領(lǐng)域得到了應用,如工業(yè)無損探傷、醫(yī)療診斷、安全檢測、科研實驗等[2]。產(chǎn)生X射線的主要裝置是X光機,主要由X射線管和高壓電源及控制系統(tǒng)組成,其中高壓電源是其關(guān)鍵核心部件。傳統(tǒng)的工頻X光機高壓電源由于體積大、效率低,在很多應用場合已被逐步淘汰[3]。本文將開關(guān)電源技術(shù)應用在高壓電源設(shè)計中[4],降低了電源的體積和重量。通過優(yōu)化保護電路和PI調(diào)節(jié)電路,研制出了一種高壓電源控制系統(tǒng),具有穩(wěn)定性好、可靠性強,維修維護簡易方便等特點,有效地提升了高壓電源的整機性能[5]。

1 電源整體結(jié)構(gòu)

X射線管有陽極和陰極2個電極[6],分別是用于接受電子轟擊的靶材和發(fā)射電子的燈絲。工作時給陰極燈絲加熱產(chǎn)生電子[7],電子在電壓的作用下向陽極[8]高速運動,形成電流。電壓稱為管電壓(高壓),電流稱為管電流(束流),只有在高壓和束流滿足一定的條件時才能產(chǎn)生X射線。電源系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,包括高壓電源系統(tǒng)、燈絲電源系統(tǒng)[9]和控制系統(tǒng)。高壓電源系統(tǒng)由供電單元、功率轉(zhuǎn)換單元[10]、脈沖控制單元和倍壓整流[11]單元組成,開關(guān)電源輸出的直流電經(jīng)逆變器產(chǎn)生高頻交流電,通過變壓器升壓,再經(jīng)過倍壓整流電路產(chǎn)生直流負高壓,加在X射線管陰極上[12];燈絲電源系統(tǒng)由供電單元和逆變單元組成,其主要作用是加熱X射線管陰極,使陰極燈絲在高溫下能夠發(fā)射足夠數(shù)量的電子;控制系統(tǒng)包括PI調(diào)節(jié)電路、保護電路以及采樣濾波電路。12 V輔助電源負責系統(tǒng)的控制信號、PI調(diào)節(jié)電路、保護電路、逆變器供電等。

圖1 電源系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the power system

2 電路設(shè)計要點

2.1 保護電路介紹

如圖2所示,利用電壓比較器和可控硅的開關(guān)特性可實現(xiàn)高壓電源電路的保護功能。由于此電源系統(tǒng)采用魯棒性更佳的負高壓回路,采樣信號需通過反相放大器進行翻轉(zhuǎn)。反相放大電路具有放大輸入信號并反相輸出的功能。輸出端與輸入端電壓值的關(guān)系為

圖2 過壓保護電路Fig.2 Over-voltage protection circuit

-Uout=(R3/R4)Uin

(1)

當R3=R4時,-Uout=Uin,即實現(xiàn)了保護電路所需要的反相跟隨功能。翻轉(zhuǎn)后的電壓信號再經(jīng)過電壓比較器,電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算放大器。當同相輸入端電壓高于反相輸入端時,電壓比較器輸出為高電平;當同相輸入端電壓低于反相輸入端時,電壓比較器輸出為低電平。當經(jīng)過反相跟隨放大器的負高壓采樣值大于保護設(shè)定值時(以分壓形式獲得精準的保護電壓設(shè)定值),運放芯片輸出高電平,觸發(fā)可控硅D1導通,從而使得繼電器KA1上電,常閉觸點切斷各部分供電和輸出,常開觸點吸合令蜂鳴器和LED1進入工作狀態(tài)[13]。當測量電阻為1 000 MΩ,高壓采樣電阻為100 kΩ時,采樣端電壓與實際高壓之比為1∶10 000,如當需要高壓保護值為10 kV時,采樣電阻兩端電壓應為1 V[14]。調(diào)節(jié)電位器R2的大小,可設(shè)置保護點。因此,在不改變采樣和測量電阻的情況下,電路保護閾值變化時只需將保護點的電壓值調(diào)節(jié)至適應此負載的工作點即可,提高了電源的便利性和適用性。

以此電路為基礎(chǔ),依次可以設(shè)計出高壓欠壓、束流過流、束流欠流、燈絲過流保護電路。

2.2 PI調(diào)節(jié)電路介紹

PI控制器,即比例-積分控制器,是一個常見的反饋回路部件。它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差,將偏差的比例和積分通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制。在工控領(lǐng)域中,通常會再加入微分環(huán)節(jié)D,對系統(tǒng)進行超前控制,提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

由于采樣信號為高頻信號,微分環(huán)節(jié)的引進容易引起高頻測量噪聲,且微分環(huán)節(jié)的濾波時間常數(shù)難以確定,PI控制的穩(wěn)定性優(yōu)于PID控制,所以采用PI電路對系統(tǒng)實施控制,如圖3所示。這一過程的數(shù)學表達式為

圖3 PI調(diào)節(jié)電路Fig.3 Regulating Circuit of PI

(2)

其中:比例系數(shù)為Kp;積分時間常數(shù)為Ti。

在手動模式下,只有高壓PI調(diào)節(jié)功能,束流值會隨著高壓值的變化而變化,當高壓值穩(wěn)定時,需手動將束流調(diào)節(jié)至實驗所需標準值,為了維持束流值穩(wěn)定,再加入束流PI電路,即可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。在自動調(diào)節(jié)的模式下,升壓的同時,束流值增大,進而使束流采樣值增大,隨著采樣值增大,當Ui>Uref時,在PI調(diào)節(jié)的作用下,U0(信號輸出)會降低,燈絲電流值減小,束流值隨即減小,當束流采樣值減小至束流設(shè)定值Uref時,系統(tǒng)維持穩(wěn)定,實現(xiàn)高壓升高的同時束流不發(fā)生改變,二者會自動上升至預定值,不會相互制約。這個判斷過程是在極短的時間內(nèi)完成的,這取決于PI電路的性能、反應速度和靈敏度。

對圖3的PI調(diào)節(jié)電路進行分析,輸出電壓值U0為

(3)

當取消對地電阻R3,即R3→∞時,有

(4)

結(jié)合理論計算和電路的實際運行結(jié)果,運用拉普拉斯變換求得傳遞函數(shù)為[15]

(5)

通過公式(4)計算可知,改變R1,C1,Rf的值可以改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性和升壓時間。

3 實驗部分

3.1 保護點測試

通過改變保護電壓(以分壓形式獲得精準的保護電壓)設(shè)定值,可對不同的高壓和束流值實現(xiàn)保護。PI調(diào)節(jié)電路的輸入電壓信號范圍為0～10 V,為匹配PI電路的設(shè)定值,采樣端電壓輸入信號范圍也應為0～10 V。此值可通過改變高壓采樣電阻和測量電阻的比例、束流采樣電阻的大小來改變。

由于高壓采樣和束流采樣為脈動直流,需先將采樣信號通過濾波電路進行濾波處理。高壓和束流保護點測試見表1和表2。

表1 高壓保護點測試Table 1 Test of high voltage protection point

表2 束流保護點測試Table 2 Test of beam current protection point

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),保護設(shè)定值與保護報警值呈線性相關(guān),在改變負載的情況下,保護電路的性能和參數(shù)不受影響。因此,本實驗的保護電路設(shè)計合理,可提高電源的方便性和普適性。

3.2 PI電路性能測試

通過改變R1,Rf,C1的值來確定升壓時間和電路穩(wěn)定性。

當R1為100 kΩ時,改變Rf,C1的值,測試升壓至20 kV的時間如圖4所示。

圖4 升壓曲線圖Fig.4 Voltage Rise Curve

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析見表3。

表3 相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis

由表3數(shù)據(jù)可知,升壓時間與電容值呈線性相關(guān),線性相關(guān)系數(shù)接近1,電容值越大,升壓速度越慢。當Rf=100 kΩ時,殘差平方和最小,擬合度最高,且Rf的大小并不影響升壓快慢。

當Rf為200 kΩ固定值,改變C1,R1的值時,測試升壓至20 kV的時間如圖5所示。

圖5 升壓曲線圖Fig.5 Voltage Rise Curve

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析見表4。

表4 相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis

由表4數(shù)據(jù)可知,升壓時間與電容值呈線性相關(guān),線性相關(guān)系數(shù)接近1,當R1=100 kΩ時,殘差平方和最小,擬合度最高,且當R1減小時,升壓速度會隨之降低。

由公式(4)可知,1/R1為PI電路的比例系數(shù),當R1減小時,比例系數(shù)增大,系統(tǒng)響應更快,但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩,穩(wěn)定性變差。在實際測試過程中,由于開關(guān)電源內(nèi)部存在電容,所以采樣端的振蕩并不明顯。測試60 kV下系統(tǒng)的穩(wěn)定性曲線如圖6。經(jīng)過反復測量及實驗,可以得出當R1=100 kΩ,Rf=100 kΩ,C1=10 μF時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性最優(yōu),PI電路性能最佳,且滿足電源所需的升壓時間。

圖6 穩(wěn)態(tài)分析Fig.6 Steady state analysis

4 總 結(jié)

本文以保護電路和PI調(diào)節(jié)電路為主體,設(shè)計的X光機高壓電源控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作方便等特點。保護電路采用電壓比較器對采樣信號與保護設(shè)定值進行大小比較,當采樣值大于保護設(shè)定值時,觸發(fā)可控硅,控制繼電器斷開高壓電路和燈絲電路的供電和輸出,保護全面且閾值可調(diào)。PI調(diào)節(jié)電路運用PI控制器對高壓電源和燈絲電源進行負反饋調(diào)節(jié),在閉環(huán)條件下使兩電源穩(wěn)定輸出,經(jīng)過長時間整機帶載測試,性能穩(wěn)定可靠。

致謝感謝沈陽師范大學重大孵化項目(ZD202001)的支持。