X射线管高压电源设计及稳压控制方法研究

张伟 周洪军 陈树军

摘  要：在医学和工业等领域，X射线发挥至关重要的作用，尤其是在工业领域，使用X射线管改变传统工频整流高压电源形式，一方面缩小射线管的电源体积，提高功率以及射线稳定性，另一方面有效节约供电资源，创造良好的经济效益。本文围绕X射线管高压电源设计及稳压控制方法展开讨论，设计包括高压电源软件结构、硬件结构以及灯丝电流源电路与直流高压，通过设计可以提高电压稳定性。

关键词：X射线管  高压电源设计  稳压控制方向  方法研究

中图分类号：TN144                          文献标识码：A                 文章编号：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射线过程中，利用X射线的穿透性能力，可以获取照射物体的相关信息。X射线具备的穿透能力，主要是X射线产生较短的波长，并且在短时间内产生较大的能量，即便被照射物体表面吸收，仍能利用产生的能量获取物质密度的相关信息。但是X射线波长较长，会产生较小的光子能量，從而降低穿透能力。利用X射线的穿透能力，制作成X射线测量仪器，应用在高压电场中，将电压控制在稳定的状态。

1  高压电源结构设计

1.1 高压电源软件结构设计

在高压电源结构设计中，高压电源软甲结构设计是重要的组成部分，软件可以操控高压电源的运行状态，保证高压电源正常的运行。在高压电源软件结构设计过程中，要求设计人员必须按照以下流程进行：（1），通过主程序暂停所有系统的操作，并在暂停的同时，中断系统中CPU的运行;（2），将系统调整至初始化运行状态，初始状态包括多种构件分别为DSP时钟、I/O口、控制器P压、定时器、ACD模块以及总线模块。

1.2 高压电源硬件结构设计

在高压电源硬件结构设计过程中，通过设计进一步提升系统的控制板的运行能力。在设计控制板过程中，使用WTI公司生产的型号为TMS320F2812控制板，在该控制板内，含有多种控制硬件，分别为逆变谐振电路、高频变压器、倍压整流电路、远端控制电路以及灯丝电流源电路。此外在控制板内，还会设有DSP系统，作为控制板内最小的系统，该系统内装配多种电路硬件，包括供电电路、复位电路、时钟电路以及启动选择电路。在控制电路中会设置TL494电芯，该电芯可以控制全桥逆变电路产生的信号，使产生的信号输入到直流电压装置中，通过装置产生离频方波电压，电压将电流输送到并联谐振电路内，电路内原有的信号转变为正弦信号，在正弦信号的作用下，高压结构会产生数倍的电压和电流。

1.3 灯丝电流源电路与直流高压

灯丝电流源电路与直流高压设计过程中，基于电路的设计原理，利用电流源电流可以控制低压电源。但是在电压进入到逆变电路后，会由高压转变为低压，才能将电压直接作用在灯丝。

2  高压电源稳巧控制回路先进控制方法

在本高压电源系统设计过程中，通过设置可切换的功率开关，系统在功率开关变化过程中，使系统具有可变化特点。为提升系统的可变化控制能力，在系统内配置滑膜结构，滑膜结构具备控制能力，使系统在变化过程中更加稳定。通过配置滑膜结构，使高压电源具备稳巧控制回路的功能。

滑膜变结构控制方法，是由前苏联学者在20世纪60年代提出的，作为一种FWI方法应用在滑膜变结构中，从而精准控制结构的变化。滑膜变结构在控制过程中，采用非线性控制方法，致使控制过程出现非连续情况，在非连续情况的状态下，开关通过系统的控制，会在限定的条件下出现高频率的上下运动，但是运动幅度控制在有限的范围内，展示出开关具有滑膜运动特点。在滑膜变结构设计过程中，无需考虑设定的参数以及外界扰动产生的影响。

2.1 滑动模态的存在性

滑动模态的存在性体现在以下几个方面，结合下图1可知：（1）在系统运动过程中，运动至S=0区域内，将A点作为起始点，此时S大于0，并且切换面处于分离状态;（2）在系统运动至B点时，将B点作为终止点，此时S会小于0;（3）在系统运动至C点时，系统处于切换面S=0区域内，此时区域内所有的点进行滑膜运动，并且在滑膜运动时，C点作为终止点具有强迫和吸引的特点，使系统在直线运动时，可以保持动态变化状态。

2.2 滑动模态的可达性

假设系统的初始点原理S=0区域，将初始点设为X，在空间内的任意位置作为初始位置，应将空间内滑动系统运动区域设定在S=0区域内，同时在限定的时间内，要求系统必须在切换面内，利用可达性条件，使滑膜系统保持在运动状态。结合滑动模态的可达性要求，如果S小于等于0时，此时空间内的任意位置的滑动点，应接近S=0的区域，将该条件设定为广义滑动模态。在该条件下系统运动过程中，系统处于广义滑膜运动状态。系统在运动过程中，根据广义滑膜条件，可以满足滑动模态的可达性要求。

2.3 稳定性

系统处于运动状态时，在滑动模态区域内保持滑膜运动状态，需要保持系统的稳定性，才能提高系统的运行能力。此外在反馈控制系统运动过程中，保持在滑动运行状态，应将滑动面的驱动轨线贴近平衡点，在平衡点位置系统处于稳定运行，从而提升系统的稳定运行能力。在提高系统稳定运行能力过程中，应根据雅克比矩阵的特征值，将系统内的实部部分用于切换面的交换过程，保证系统可以稳定的运行。

2.4 抖振问题

在滑膜运动过程中，使滑膜处于理想的运动状态，防止滑膜运动时出现抖振问题，应将系统保持在切面S=0的运动状态。如果S=0区域内满足无限大功率切换条件，可以消除不利因素引发的抖振情况。但是在系统实际运行过程中，滑膜在运动时，会受到工作频率的影响，一方面滞后切换开关的运行时间，导致系统轨道在进入到滑膜面以后，滑膜无法进行有效的运动，另一方面在滑膜运动过程中，滑膜面会出现小幅度的振荡，在振荡作用下，系统会出现抖振问题。为避免系统出现抖振情况，通常采用滞环的方式，控制开关的运动频率。

3  结语

综上所述，在高压电源设计过程中，增强高压电源的稳定运行能力，需要将X射线应用在高压电源装置中，利用X射线的穿透能力，控制系统的运行状态，提升系统稳定运行能力，从而有效控制电源电压。

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