一种宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置及控制旋转阳极的方法与流程

本发明涉及电子医疗领域，特别是涉及一种宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置及控制旋转阳极的方法。

背景技术：

目前，在电子医疗领域的医用X射线机设备的球管中，根据曝光功率的不同要求，有固定阳极和旋转阳极球管。中、大型功率的X射线管在曝光时的功率较高，需要阳极靶面旋转起来避免局部过热而融化。X射线管旋转阳极靶面由与之连接的异步电机的转子驱动。

然而不同的X射线机设备的因使用场合的原因，供电电源有很大差异，大致有三相四线制、三相三线制、单相供电、电池供电几种。如图1所示，X射线机系统采用蓄电池组供电，需要先经过逆变器逆变成为交流220V的电源，再输入到变频器中，驱动旋转阳极转动。不同供电方式下，需要的旋转阳极驱动的装置各异，带来不同型号的变频器、变压器、逆变器使用，增加了中间能量损耗，也增加了系统的成本和故障率。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置及控制旋转阳极的方法。

技术方案：本发明所述的宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置，包括全桥逆变模块和电机，电机包括定子绕组和转子，转子连接阳极靶面，定子绕组包括主绕组和副绕组，主绕组的自由端连接启动电容C1的一端，启动电容C1的另一端连接副绕组的自由端，副绕组的自由端、主副绕组的公共端分别连接全桥逆变模块，全桥逆变模块还连接直流输入模块，直流输入模块连接整流模块，整流模块设有交流输入端。

进一步，为了满足启动电压较大的X射线管的需求，本发明的驱动装置还包括升压控制模块，升压控制模块分别连接直流输入模块和全桥逆变模块。

进一步，所述升压控制模块包括绝缘栅双极型晶体管T5，绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入PWM信号，绝缘栅双极型晶体管T5的漏极连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接直流输入模块，绝缘栅双极型晶体管T5的源极连接滤波电容EC1的一端，滤波电容EC1的另一端连接单向可控硅SCR1的阴极，单向可控硅SCR1的阴极还连接全桥逆变模块，单向可控硅SCR1的阳极连接绝缘栅双极型晶体管T5的漏极，单向可控硅SCR1的控制极输入控制信号。其中，单向可控硅SCR1不仅能起到防止滤波电容EC1倒灌电流的作用，还能控制滤波电容EC1的充电，避免充电电流过大，节省了电阻和继电器组成的电容充电延时保护电路。并且，通过调节绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号的占空比，使得在采用交流电源供电时，交流输入电流波形能够跟踪交流输入电压波形，从而减小电流波形的畸变，减小电网的谐波，提高功率因数。此外，通过调节绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号的占空比，还能使升压控制模块输出的电压达到旋转阳极启动时要求的电压，特别是在采用蓄电池模组供电时，能够有效提高升压控制模块的输出电压。

进一步，还包括采样模块、采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4和采样电阻R5，所述储能电感L1的另一端连接采样电阻R1的一端，采样电阻R1的一端连接采样电阻R2的一端，采样电阻R2的另一端连接采样电阻R3的一端，采样电阻R3的另一端连接绝缘栅双极型晶体管T5的源极，采样电阻R1和采样电阻R2之间设有第一采样点，采样电阻R3的另一端设有第三采样点，采样电阻R5的一端连接滤波电容EC1的一端，采样电阻R5的另一端连接采样电阻R4的一端，采样电阻R4的另一端连接单向可控硅SCR1的阴极，采样电阻R4和采样电阻R5之间设有第二采样点，第一采样点、第二采样点和第三采样点分别连接采样模块。其中，第一采样点的电压即为直流输入电压，第二采样点的电压即为直流输出电压，第三采样点的电流即为直流母线电流。这样可以通过采样模块检测第一采样点的电压、第二采样点的电压和第三采样点的电流，然后采用滞环比较控制方法，通过调节绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号的占空比，使得在采用交流电源供电时，交流输入电流波形能够跟踪交流输入电压波形，从而减小电流波形的畸变，减小电网的谐波，提高功率因数。

进一步，还包括采样模块和采样电阻R6，采样电阻R6的一端连接主副绕组的公共端，采样电阻R6的另一端连接全桥逆变模块，采样电阻R6的一端还设有第四采样点，第四采样点连接采样模块。这样可以通过采样模块检测第四采样点的电流，根据第四采样点的电流调节全桥逆变模块中的栅极输入信号。

进一步，所述整流模块包括整流桥DB1和整流桥DB2，整流桥DB1的交流输入端和整流桥DB2的交流输入端作为整流模块的交流输入端。

进一步，所述直流输入模块包括蓄电池模组E1、继电器K1和储能电感L2，蓄电池模组E1的正极连接继电器K1受控端的常开触点，继电器K1受控端的动触点连接储能电感L2的一端，储能电感L2的另一端分别连接整流模块和全桥逆变模块，蓄电池模组E1的负极分别连接整流模块和全桥逆变模块。

采用本发明所述的宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：通过检测升压控制模块输入端的电压，判断与所使用的电源的参数是否一致：如果不一致，则电源出现了故障，对电源进行维修或者更换后再进行步骤S2；如果一致，则继续进行步骤S2；

S2：通过检测升压控制模块输入端的电压、输出端的电压以及直流母线电流，控制升压控制模块的输出电压和电流；

S3：根据用户的命令控制全桥逆变模块的栅极输入信号，驱动旋转阳极进行旋转；

S4：旋转阳极达到曝光要求的转速时，调整全桥逆变模块的栅极输入信号，并降低升压控制模块的输出电压；

S5：曝光结束时，根据用户的制动命令控制升压控制模块和全桥逆变模块，使旋转阳极制动。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的装置包含整流模块和直流输入模块，能够匹配X射线设备常规的单相市电、两相交流电、三相交流电以及直流蓄电池等多种供电方式，电路结构简单，不需要使用不同型号的变频器、变压器和逆变器，有效降低了中间能量的损耗，也降低了X射线设备的成本和故障率；

(2)本发明的方法不仅能够匹配X射线设备常规的单相市电、两相交流电、三相交流电以及直流蓄电池等多种供电方式，还能够通过升压控制模块调节全桥逆变模块的输入电压，能够快速启动旋转阳极，并且能够驱动多种X射线管的旋转阳极，通用性强，也能够提高电网输入功率因数。

附图说明

图1为现有技术中的旋转阳极驱动装置的电路图；

图2为本发明的具体实施方式的旋转阳极驱动装置的电路图；

图3为本发明的具体实施方式的整流模块采用单相交流供电时的接线示意图；

图4为本发明的具体实施方式的整流模块采用两相交流供电时的接线示意图；

图5为本发明的具体实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种宽电源输入X射线管旋转阳极驱动装置，如图2所示，包括整流模块2、直流输入模块3、升压控制模块4、全桥逆变模块1、启动电容C1、采样电阻R6、旋转阳极5、数据处理模块7、采样模块8、存储芯片9、辅助电源10、上位机通讯模块12和上位机11。

其中，整流模块2包括整流桥DB1和整流桥DB2，整流桥DB1的交流输入端和整流桥DB2的交流输入端作为整流模块2的交流输入端。由于整流桥DB1和整流桥DB2分别具有两个交流输入端，因此可以满足单相市电、两相交流电和三相交流电等多种交流电源的接入。图3给出了采用单相交流供电时的接线示意图，由图3可知，火线接入整流桥DB1的一个交流输入端，零线接入整流桥DB1的另一个交流输入端。图4给出了采用两相交流供电时的接线示意图，由图4可知，两根火线分别接入了整流桥DB1的两个交流输入端。

直流输入模块3包括蓄电池模组E1、继电器K1和储能电感L2，蓄电池模组E1的正极连接继电器K1受控端的常开触点，继电器K1受控端的动触点连接储能电感L2的一端，储能电感L2的另一端分别连接整流模块2和全桥逆变模块1，蓄电池模组E1的负极分别连接整流模块2和全桥逆变模块1。其中，继电器K1受数据处理模块7的控制，根据X射线机供电条件的不同，选择是否接入蓄电池模组E1。储能电感L2是为了使蓄电池模组E1在供电时，能够为升压控制模块4输出高压提供足够的储能。

本发明之所以引入了升压控制模块，是因为传统旋转阳极使用变频器进行驱动，输出的最大电压等于变频器输入电压，而一些X射线管需求的启动电压较大，超过常规市电输入的220V或380V，因此无法满足快速启动旋转阳极的效果。升压控制模块4包括绝缘栅双极型晶体管T5，绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号由数据处理模块7产生，绝缘栅双极型晶体管T5的漏极连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接直流输入模块3，储能电感L1的另一端还连接采样电阻R1的一端，采样电阻R1的另一端连接采样电阻R2的一端，采样电阻R2的另一端连接采样电阻R3的一端，采样电阻R3的另一端连接绝缘栅双极型晶体管T5的源极。采样电阻R1和采样电阻R2之间设有第一采样点41，采样电阻R3的另一端设有第三采样点43。绝缘栅双极型晶体管T5的漏极还连接单向可控硅SCR1的阳极，单向可控硅SCR1的阴极连接滤波电容EC1的另一端，单向可控硅SCR1的控制极的控制信号由数据处理模块7产生，滤波电容EC1的一端连接绝缘栅双极型晶体管T5的源极，滤波电容EC1的一端还连接采样电阻R5的一端，采样电阻R5的另一端连接采样电阻R4的一端，采样电阻R4的另一端连接单向可控硅SCR1的阴极。采样电阻R4和采样电阻R5之间设有第二采样点42。第一采样点41、第二采样点42和第三采样点43分别连接采样模块8，采样模块8可以根据第一采样点41的电压、第二采样点42的电压和第三采样点43的电流来调节绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号的占空比。在电源上电时，数据处理模块7根据第三采样点43的电流和第二采样点42的电压改变单向可控硅SCR1的控制信号的占空比，控制电源对滤波电容EC1充电；当数据处理模块7检测到第二采样点42的电压达到规定值时，调节单向可控硅SCR1的控制信号的占空比，使单向可控硅SCR1一直开通。

全桥逆变模块1包括绝缘栅双极型晶体管T1、绝缘栅双极型晶体管T2、绝缘栅双极型晶体管T3和绝缘栅双极型晶体管T4，其中，绝缘栅双极型晶体管T1的漏极以及绝缘栅双极型晶体管T3的漏极均与双向可控硅SCR1的阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T2的源极以及绝缘栅双极型晶体管T4的源极均与采样电阻R3的一端相连，绝缘栅双极型晶体管T1的源极连接绝缘栅双极型晶体管T2的漏极，并且绝缘栅双极型晶体管T1的源极还连接电机中的副绕组自由端，绝缘栅双极型晶体管T3的源极连接绝缘栅双极型晶体管T4的源极，并且绝缘栅双极型晶体管T3的源极还连接采样电阻R6的另一端。全桥逆变模块1中所有绝缘栅双极型晶体管的栅极输入信号均由数据处理模块7产生。

旋转阳极5包括电机和阳极靶面51，其中，电机包括定子绕组和转子63，转子63连接阳极靶面51，定子绕组包括主绕组61和副绕组62，主绕组61的自由端连接启动电容C1的一端，启动电容C1的另一端连接副绕组62的自由端，副绕组62的自由端连接绝缘栅双极型晶体管T1的源极，主副绕组的公共端连接采样电阻R6的一端，采样电阻R6的另一端连接绝缘栅双极型晶体管T3的源极，采样电阻R6的一端还设有第四采样点44，第四采样点44连接采样模块8，可以通过采样模块8检测第四采样点44的电流，根据第四采样点44的电流调节全桥逆变模块1中的栅极输入信号。

数据处理模块7产生继电器K1的控制信号、绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号、单向可控硅SCR1的控制信号以及全桥逆变模块1中所有绝缘栅双极型晶体管的栅极输入信号。此外，数据处理模块7还分别连接采样模块8、存储芯片9、辅助电源10和上位机通讯模块12，上位机通讯模块12还连接上位机11，实现上位机11与数据处理模块7之间的通讯。数据处理模块7可以采用DSP芯片来实现。存储芯片9能够存储X射线机电源供应的设定参数，数据处理模块7以此判断电源故障和确定电路初始化；存储芯片9同时能够存储不同厂家不同类型球管的工作参数，如启动电压、启动电流、运行电压、运行电流、最大电流保护值、最大制动电流保护值等，数据处理模块7可以读取这些参数，通过控制全桥逆变模块1的栅极输入信号的占空比来控制全桥逆变模块1的输出电压和频率。

本具体实施方式还公开了采用所述驱动装置控制旋转阳极的方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：辅助电源10给驱动装置上电，数据处理模块7得电后进行初始化，通过上位机通讯模块12读取上位机11的机型设定参数，包括机型供电类型，即设定是交流电还是蓄电池供电，单相交流、二相交流还是三相交流供电。通过检测升压控制模块4输入端的电压，判断与上位机11设定的参数是否一致：如果不一致，则电源出现了故障，对电源进行维修或者更换后再进行步骤S2；如果一致，则继续进行步骤S2；

S2：数据处理模块7对单向可控硅SCR1进行控制，对滤波电容EC1进行充电，同时检测第二采样点42的电压，当第二采样点42的电压达到规定值时，认为充电完毕，控制单向可控硅SCR1使其完全开通。数据处理模块7读取存储芯片9内存储的有关本机器上X射线管旋转阳极的工作参数，如启动电压、启动电流、运行电压、运行电流、最大电流保护值、最大制动电流保护值等，确定升压控制模块4需要输出的电压值，通过检测第一采样点41的电压、第二采样点42的电压和第三采样点43的电流控制绝缘栅双极型晶体管T5的栅极输入信号的占空比，使交流输入电流波形能够跟踪交流输入电压波形；

S3：数据处理模块7等待上位机11的启动命令，如果上位机11发送了启动旋转阳极5的命令，则数据处理模块7根据启动电压、启动频率的要求，控制全桥逆变模块1的栅极输入信号的占空比，驱动旋转阳极5进行旋转，旋转阳极5旋转过程中，通过检测第四采样点44的电流调整全桥逆变模块1的栅极输入信号的占空比；

S4：旋转阳极5达到曝光要求的转速时，调整全桥逆变模块1的栅极输入信号的占空比，并降低升压控制模块4的输出电压；

S5：曝光结束时，数据处理模块7等待上位机11的制动命令，如果上位机11发送了制动命令，则数据处理模块7控制升压控制模块4和全桥逆变模块1，使旋转阳极制动。