瓦里安高能加速器PWM板的工作原理与维修

【作 者】许琨，贾辉

西安交通大学医学院第二附属医院放疗科，陕西西安，710004

瓦里安高能加速器的PWM板是其用于驱动束流导向线圈和电机(大机架旋转电机和治疗床升降电机除外)的电路板。在瓦里安高能加速器系统中，束流导向线圈直接控制射线的束流方向、对称性和平坦度；电机直接驱动铅门、机头和治疗床的运动，控制运动系统的可靠性和准确性。而加速器的束流系统和运动系统均是放射治疗质量保证与质量控制的重点，掌握PWM板的工作原理，了解束流导向线圈和电机的驱动方式和工作状态，必将有助于放射治疗的质量保证与质量控制工作，有助于放疗设备的维护与保养。

1 PWM板的工作原理

瓦里安高能加速器共有四块完全相同的PWM板，分别安装在Auxiliary Electric Backplane板插槽SLOT1到SLOT4上。每块PWM板有4个H桥驱动电路（CH1—CH4），分别驱动不同的束流导向线圈和电机。四块PWM板共计16个H桥驱动电路，分别驱动7个束流导向线圈和9个电机，其对应关系如表1所示。

表1 H桥驱动电路对应关系表Tab.1 Correspondence of H bridge driver circuit

1.1 H 桥驱动电路

PWM板的H桥驱动电路，采用了两种不同的驱动模式驱动束流导向线圈和电机。其中，CH1和CH2采用双极性驱动模式，用于驱动束流导向线圈（SLOT4除外）；CH3和CH4采用单极性驱动模式，用于驱动电机。

PWM板双极性H桥驱动电路原理图如图1所示。控制信号经放大器放大后，通过多路选择器选通，进入A/D转换器。转换的数字信号传递给MCU，控制H桥LMD18200T的输出，驱动束流导向线圈。电流检测电路通过输出回路中串接的0.1欧姆电阻，检测输出电流，反馈到输入放大器，以形成稳定的驱动电流。

图1 PWM板双极性H桥驱动电路原理图Fig.1 Schematic diagram of PWM board bipolar H bridge driver circuit

PWM板单极性H桥驱动电路原理图如图2所示。控制信号经放大器放大后，通过多路选择器选通，进入A/D转换器。转换的数字信号传递给MCU。MCU则根据控制信号的大小，控制H桥LMD18200T的输出，驱动电机。

图2 PWM板单极性H桥驱动电路原理图Fig.2 Schematic diagram of PWM board unipolar H bridge driver circuit

1.2 限流电路

为了防止H桥驱动电路输出过流、保护驱动电路和负载，PWM板根据H桥驱动电路的驱动模式，分别设计了限流电路。

双极性H桥驱动电路的限流电路如图3所示。首先MCU根据其所驱动负载的不同，选择不同的电流阈值；然后，将所选的阈值与电流检测电路检测到的输出电流进行比较，比较结果通过多路选择器和A/D转换器传回MCU。如果驱动电路输出电流超过阈值，MCU则立即关断H桥LMD18200T，禁止驱动电路的输出，保护驱动电路和负载。

图3 双极性H桥驱动电路的限流电路Fig.3 Current foldback circuit for bipolar H bridge driver circuit

单极性H桥驱动电路的限流电路如图4所示。其采用LMD18200T内部的电流检测电路实时检测H桥驱动电路的输出电流。输出电流通过放大器放大后，与MCU选择的电流阈值进行比较。如果输出电流大于阈值电流，比较器则拉低MOTEN信号，禁止LMD18200T的输出。

图4 单极性H桥驱动电路的限流电路Fig.4 Current foldback circuit for unipolar H bridge driver circuit

1.3 状态指示

PWM板上共有11个状态指示灯，用于PWM板和H桥驱动电路的状态指示，其中DS4到DS11用于H桥驱动电路的工作状态指示，DS1、DS2和DS3用于PWM板的故障状态指示。

正常工作时，H桥驱动电路的工作状态指示如表2所示，根据其所驱动的负载而不同。当H桥驱动电路驱动的是束流导向线圈时，状态指示灯常亮；当H桥驱动电路驱动的是电机时，驱动电机运动时状态指示灯亮，未驱动电机运动时状态指示灯不亮。

表2 工作状态指示表Tab.2 Indication of working condition

PWM板的故障状态指示如表3所示。当H桥驱动芯片过温、AD转换器故障、电源故障或输入信号错误等故障情况发生时，PWM板故障状态指示灯亮。

表3 故障状态指示表Tab.3 Indication of malfunction working condition

1.4 STPS联锁电路

当PWM板检测到故障时，PWM板将产生STPS故障联锁信号，传送至加速器控制计算机，禁止加速器的一切机械运动。

STPS联锁电路如图5所示。正常工作时， PWM板MCU输出的信号FAILT为高电平，光电隔离管导通； -12V通过光电隔离管，产生正确的IL_STPS信号（-12V），传输到加速器的控制计算机。

图5 STPS联锁电路Fig.5 STPS interlock circuit

当PWM板检测到故障时，MCU输出的FAILT信号由高电平变为低电平，光电隔离管截止。-12V不能通过光电隔离管， IL_STPS信号由-12V变为0V，产生STPS联锁。

2 故障分析与维修

故障现象1 Beam ON后，机器出EXQ1连锁。

出束时机器出现EXQ1连锁，说明射线的对称性超过了±2%的允许偏差范围。进入机器的维修模式，短路EXQ1连锁后，发现射线的对称性偏差达到了8%左右，说明问题一定出在束流系统。检查束流导向线圈的驱动电流，发现Angle R的驱动电流为“0”，说明Angle R束流导向线圈这一路有问题。检查Angle R的驱动电路，发现SLOT3上PWM板的工作状态指示灯DS6、DS7不亮，说明Angle R驱动电路的工作状态不正确。检查SLOT3上的PWM板，发现只有Angle R驱动电路故障，而其它驱动电路均能正常工作，说明PWM板驱动电路的控制芯片MCU正常，故障很有可能在其驱动芯片上。更换H桥驱动芯片LMD18200T后，PWM板的DS6、DS7亮，Angle R的驱动电压正常，故障排除。

故障现象2 STPS连锁，系统不能运动。

检查四块PWM的状态指示灯，发现SLOT2上PWM板的DS2、DS3常亮。根据故障状态指示灯的提示，检查PWM板上的电源，均正常；检查MCU的工作状态，发现MCU看门狗电路的U4-6输出始终为低电平，使MCU一直处于复位状态。检查复位开关，工作正常，因此怀疑看门狗芯片U4（MAX1232）故障，更换此芯片后，PWM板工作正常，STPS连锁消失。

故障现象3 STPS连锁，系统不能运动。

首先检查PWM板的状态指示灯，发现四块PWM板的状态指示灯均正常。进入维修模式，短路STPS连锁，发现束流导向线圈和电机运动均正常，说明其驱动电路均正常，故障应该出在故障检测电路上。检查PWM板的STPS连锁电路，发现SLOT1上PWM板的IL_STPS信号为0V（正常时应为-12V），而其FAILT信号为高电平（正常），-12V电源正常。因此，可以判断光电隔离管U2坏，更换U2（ILD-2）后，STPS连锁消失，系统运动正常。

3 小结

当瓦里安高能加速器的束流系统或者运动系统出现故障时，我们首先要检查其驱动电路的PWM板是否工作正常，根据其工作原理，检查状态指示灯和故障指示灯，判断H桥驱动电路所处的工作状态和PWM板的故障原因。根据电路图，分析、检查，就可以查明原因，排除故障。

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