（生物医学工程专业论文）CT高压发生器控制系统设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h e d e s i g n o ft h ec t sh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r c o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t c ti sak i n do fm u l t i p l ef u n c t i o n a li n s t r u m e n tf o rc l i n i c a ld i a g n o s t i c s i ti ss h o r to ft h e c o m p u t e rt o m o g r a p h y h i 吐v o l t a g eg e n e r a t o ri sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ec t i tp r o v i d e st h e p o w e r t ot h ec ta n di n t e r f a c et ot h et u b e i no r d e rt om a k ec t g e tac l e a ra n ds t e a d yp i c t u r e ， i l i g hv o l t a g es h o u l dh a v eas t e a d ya u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt op r o v i d es t e a d yp o w e ra n d x - r a ym e a s u r e t h ep a p e ri sb a s e do nt h ed e s i g no ft h eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e m i t i n t r o d u c e d h i g hv o l t a g eg e n e r a t o r sp r i n c i p l e ，c o n s t i t u t i o na n dp r o c e s s ，a n dn a r r a t e dt h e c o n t r o ls y s t e md e s i g n i ta l s os h o w e ds o m ec i r c u i ta n dw a v ef o rt h ei m p o r t a n tp a r to ft h e c o n t r o ls y s t e m t h eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g nc o m p r i s e st w os e c t i o n s ：t h eh a r d w a r e a n dt h es o , f w a r e t h i ss y s t e mi sv e r yc o m p l i c a t e di nt h eh a r d w a r e ，w h i c hh a v em a n yi n p u t s a n do u l p u t s f u r t h e r m o r e ，t h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m eo p e r a t i o ni sv e r ys t r i c t t h ec o n t r o l s y s t e mn o to n l yr e a l i z e st h er e a l t i m eo p e r a t i o na n dd e t e c t st h es t a t u so fi n s t r u m e n t ，b u ta l s o t oc o n t r o lm a n ya n a l o gs i g n a l s u s i n gt h et e s tf l a tt oe x a m i n et h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i ti sc e r t a i nt h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h i sc o n t r o ls y s t e mh a v e c o m p l e t e l ya c c o r d e dw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f h i g hv o l t a g eg e n e r a t o r f i n a l l y , p r o p o s es o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sa i m e da tt h ei n s u f f i c i e n c yi nt h ed e s i g n k e yw o r d ：c t ；h i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；s y s t e mc o n t r 0 1 i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名 签字日期 学位论文版权使用授权书 ￥矗 菝 扣了j 2 讥 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字同期：签字日期 末托走学礞士擎拉论文 第一章绪玲 第一章绪论 1 1 ) ( 射线赡作用 自从1 8 9 5 年伦琴发现x 射线以米，x 射线设备在科研、医疗、工业上应用越来越 广泛。x 射线产生蛇条件是：禽压、赢真空、电予源、国极靶。人工产生x 射线的过程 是1 1 1 ：在高舞空的环境中+ 灯丝加热到定温度，电子的活动比较活跃，有大量的电子 逸照，形成魄予源；电予在高压的电场力俦用下，加速飞行：高速媳大量电予撞击靶甄， 使得阳极靶顽材料的电予产生能级跃j 垂，处于不稳定状态；电子在回到低能级时以x 光 光子躲形式释藏熊量。遮藏是x 封线。嚣藏，x 线设餐可以周予诊甑设镊始x 线枫、 x - r a yc t 和治疗设备中：可以嗣在科学研究中，如探测物质的细微结构，d n a 的双螺 旋结椽裁是灌过x 线愆黠照片笈现弱 可以爰在王业搽俊、检测上，掘海关对于大燮集 装箱的捡测上。产生x 线条件中的灯丝、阳极泌、离真空环境由球管( t u b e ) 提供，嚣 高压、灯丝灏热是出悫爆发生器握供黪。嗣魁，离压发生嚣是x 线设备赫关缱帮 孛。 c t 是一秘功齐垒的瘸憾搽测仪器，它是电予计算搬x 线疑鼷扫拱技零麓拣ec t 魏工 譬程序是这样的：它壤据久俸不麓缀织对x 线的啜牧与透过率鞠不阑，应臻灵敏凄 极怒懿仪器对人俸遗嚣溅量+ 然瑟耀测整所获歇熬数提凑入电子暑卡舞规，魄予诗箨撬对 数据遂彳亍签淫籍，蒜可摄下a 体被稳蠢帮位的断谣或立体静图像，发现体溺任何部位的 缀小璃变。1 9 6 3 年，茭蕊物灌学家辩马宽发璃a 棒不麓瀚组织对x 线静透过率毒掰不 同，在研究中还得出了一些有关的计算公式，这黧公式为衙来c t 韵应搿奠定了理论基 穑。1 9 6 7 年，葵琶电予工程鄹事搿费尔德在并不知道瓣骂藏研究成莱的情醚下，氇玎始 了研制一种新技术的工作。他酋先研究了模式的识剐，然后制作了台能加强x 射线放 射源酾简单觞扫描装霞，即籍来的c t ，用于对入的头部送行实验性扫描灏薰。后来， 他又用这种装鬻去测演全身，获得了同样的效果。1 9 7 1 年9 月，亨斯费尔德又与一位神 经放射举家台作，在伦敦郊外一窳医院安装了做设计割逑的这种装凝，开始j ”头部检套。 1 0 月4 日，医院用它枪赣了第一个病人。患者在完全清醒的情况下朝天仰卧+ x 线管装 在患者的上方，绕梭套部位转动，同时在患者下方装一诗数器，使人体各部位对x 线吸 收的多少反映在计数器上，再经过电子计算机的处理，使人体各部位的图像从荧屏上显 示出来。这次试验非鬻成功。1 9 7 2 年4 月，亨鞭赞尔德程英圜放射学年会上首次公稚了 这一结果，正式宣告了c t 的诞生。这消息引起科技界的极大震动，c t 的研制成功 东北大学硕士学位论文第一章绪论 被誉为自伦琴发现x 射线以后，放射诊断学上最重要的成就。因此，亨斯费尔德和科马 克共同获取1 9 7 9 年诺贝尔生理学和医学奖。而今，c t 已广泛运用于医疗诊断上。 1 2 球管的结构 上面提到了球管在x 射线产生中的重要作用，现在我们来看看球管的结构，见图 1 1 球管结构和表1 1 球管各组成部分。 2 “ 2 _ , - 5 图11 球管结构 f i g1 1t h es t r u c t u r eo f t h et u b e 表1 1 球管组成部分 t a b1 lt h ec o m p o s i n go f t h et u b e 序号名称 序号名称 l 铝 2 聚碳酸酯 3 阳极的铁心 4 玻璃 5 铜 6 铝 7 铅 8 钨钼合金 9 酚醛树脂 1 0 镍 1 1 铝 1 2 铅 1 3 膨胀膜 1 4 陶瓷 1 5 铝 1 6 塑料 1 7 玻璃 1 8 铜 1 9 镍 2 0 铝 2 l 焦点 2 2 钨钮合金 2 3 铍窗 2 4 铅 2 5 油田嘲 2 6 铝 2 7 铜 2 8 旋转阳极 2 9 真空 2 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 l 。3 高压发生器的功熊 通过概述得知，嵩压发生器提供灯丝加热和电子加邋的高压功能。在实际的使用中， 球管的阳极靶受到电子的毫这攘壶，产生大量蛉热，容易使阳极糨恧融化，同时妫邦高 温使得靶面应力增加，容易产生裂纹，所以大容量球管的阳极是旋转的，镁电子撞击的 热量尽量均匀分毒在熬个环状裁蠢上，提高了瓣摄鲍热容量和可靠蛙。 1 4 高压发生器的历史演变 赢压发生器跌诞生之霸越虢担受重要使命，x 线设备的霞量疆皎主要就是图像静好 坏，图像好坏与高压盥接相关。图1 2 是钨靶的光谱图。 由图可以看出： t 连续谱的x 射线强度是随波长的变化而连续变化。在不同的管电压下都有一个 峰值；之后随波长的增加强度越来越弱，但无黻延震。在波长减小的方向上存 在一个短波极限波长，此时对应强度为0 。 2 随管电压的增高，曲线的对应的强度峰值和短波粳限的位置均向短波方向移动。 3 管电压越高，强度越大，x 光光子波长越短，对物体的穿透力越强，即x 射线 越硬。 我们希望x 射线的光谱是单色光谱，这样墅像比较好。但是实际上不熊实现。健总 可以在曝光阶段尽量保持光谱近似不变，就是说高压发生器尽可能输出平直的高愿。 图1 2 x 光光谱 f i g1 2xr a ys p e o t r u m 在x 翁线发明鞠甥，可班通过电泡或电容邋行曝光，但容量不能太大，就开始使用 单相发生器，在大容量的x 线机中采用三相六峰楚流，脉动系数较大【4 “，达到1 3 。 遴入二十世纪6 0 年代，半导伟高孤整流元件的出现，单相开始采淄全波整流，丽 三相来用1 2 峰整流。大大减小了脉动系数。同时自动曝光的需燹，采用了调节初级线 3 东北大学硕士学位论文第一章结论 1 3 高压发生器的功能 通过概述得知，高压发生器提供灯丝加热和电子加速的高压功能。在实际的使用中， 球管的阳极靶受到电子的高速撞击，产生大量的热，容易使阳极靶面融化，同时局部高 温使得靶面应力增加，容易产生裂纹，所以大容量球管的阳极是旋转的，使电子撞击的 热量尽最均匀分布在整个环状靶面上，提高了阳极的热容最和可靠性。 1 4 高压发生器的历史演变 高压发生器从诞生之厂 起就担负重要使命，x 线设备的质量反映主要就是图像的好 坏，图像好坏与高压直接相关。图12 是钨靶的光谱图。 由图可以吞出： 1 连续谱的x 射线强度是随波长的变化而连续变化。在不同的管电压下都有一个 峰值；之后随波长的增加强度越来越弱，但无限延展。在波长减小的方向上存 在一个短波极限波长，此时对应强度为0 。 2 随管电压的增高，曲线的对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动。 3 管电压越高，强度越人，x 光光子波长越短，对物体的穿透力越强，即x 射线 越硬。 我们希望x 射线的光谱是单色光谱，这样图像比较好。但是实际上不能实现。但总 可以在曝光阶段尽量保持光谱近似不变，就是说高压发生器尽可能输出平直的高压。 图j2 x 光光谱 f i g1 2xr a ys p e c t r u m 在x 射线发明初期，可以通过电池或电容进行曝咒，但容量不能太大，就开始使用 单相发生器，在大容量的x 线机中采用三相六峰整流，脉动系数较大【4 。j ，达到1 3 。 进入二十世纪6 0 年代，半导体高压整流元件的出现，单帽丌始采用全波整流，而 三相采用1 2 峰整流。大大减小了脉动系数。同时自动曝光的需要，采用r 调节初级线 三相采用1 2 峰整流。大大减小了脉动系数。同时自动曝光的需要，采用r 调节初级线 3 东北戈擎硕士学位论文 第一章绪论 圈和次级调整管的技术，从而高难发生器的控制和输出凇确度大为提高。 随着电力电子技术的发震，开关电源理论的建立，可以实现可靠的逆变器。递交技 术广泛在高压发生器中使用。这个时期技术是比较丰富的，因为各种控制璁论，半母体 i c 技术的发戚，使得简压发生器的控制更为简单，输出爨为精确，波动更小。 豳翦，工频整流装嚣因为体积大，效率低基本上被淘汰，只见于陈旧设备中。而电 池和电容则常见在移动x 线设备中，而大容量x 线设备藏本上采用逆变技术了。 l 。5 高莲发生器麓发展趋势 现代的x 线设备，是朝高效率、低纹波、响应快速、模块化、数字化方向发展的。 勰效率莛减，l 、控翻、整流、逆变方露黪接藕。霹| 羹邋泣搜趸低压、撰糕小戆元 串鲡 3 3 v 的c m o s 器件来实现控制、选择熬流压降小的器件、采用谐振变换器结构都可以 使损栽降低。 低纹波要求输出脉动小，而滤波电容大可以减小脉动，但建立时间变长，而且电容 越夫成本蘧高，可臣通逮高颓邋变来解决。 响应快速露求输出电压的建立时间越短越好，必须加大系统的带宽【”。 横块诧德得高压发生器的容量易予扩充和维护，简纯设诗。数字纯是精控割方蕊已 经广淀采用c p u 做控制核心，形成丰寓、复杂的功能。将来，高压的闭环过程控制也 实现数字化而不必过多依赖模撤器件，这样模撩器件固有盼温度稻老纯特溉可以大大减 小对系统的影响。 d 一 东巍走学硕士学位论交 第= 章尚压发生嚣组成 第二章高压发生器组成 高压发生器的基本功能是输出高压、产生灯丝电源和阳极驱动电源。从这个角度柬 说，高压发生嚣是3 个独立静电源协调工作，来控翻k v 、m a 、曝光时潮的。箕原理 框图如图2 1 ： l 一一4 菇艉篾生器i ， ； f l 高压直流电源( 最高1 4 0 k v ) 重丁丝毫濠( 最高6 a ) 旋转阳极电源 图2 l 高压发生器原理圈 f i g2 is c h e m a t i cs h e e to f t h eh vg e n e r a t o r 1 ，高篷蠢滚电深藏接燕予球管静嗣缀和鞠椴之瓣，瘸子产生电场，为电子翔遂； 2 灯丝电源加于球管阴极，使灯丝加热，为高压提供电子； 3 旋转阳极电源翻于球管阳极，提供球管阳极的宿动和维持电压，佼阳极旋转，避 免损伤球管阳极。 高压发生器就是出这3 个电源帮控制电路缀成，它包括4 个箱体：电繇控制辅，逆 变箱，高压坦克，球管。 2 1 各箱体功能简介 2 。1 1 遣源控涮簇 三三相3 8 0 v a c 输入，经过滤波整流，产生5 5 0 v d c 盥流输入列逆变箱进行逆变；产 生+ - 1 2 v 、卅+ 3 5 v 辏韵邀漂，绘控镄帮分镤电；控裁疆搬翥动；羧裁灯丝电滚大，j 、；控 制千伏毫安的设定；控制高压放线。 2 1 2 逆变箱 将电源控制箱输入的5 5 0 v d c 逆变谐振转化戏高频交流电流，输出到高压坦克。 2 1 3 高压坦克 将逆变簇埝a 魏凌频交浚电蓬舟压熬凌滤波，产生实骣子铰壤；将黾潺l 控懿禧输入 的灯丝电流经过变压器转换，输出到球管灯丝i 将球管两端的电压电流值反馈到电源控 割键申，对手饯毫安遴 亍蠲环镶苇。 5 东北大学硕士学位论文第= 章高压发生器组成 2 1 4 球管 高压发生器的负载，产生x 线。 2 2 电源功能简介 2 2 1 阳极驱动电源 功能：驱动阳极按规定的速度旋转：对于多球管的设备有球管选择功能。 负载特点：阳极驱动电源的负载是旋转阳极，是一个具有单相、两相或三相绕组的 异步电机。球管的容量越大，阳极靶的直径越大，转动惯量越大。对于给定的球管来说， 转动惯量就确定了，其它参数如绕组的参数由制造商提供，对于摩擦等阻转矩基本上可 以看作是固定的，这样启动电压和运行电压就确定了。因为异步电机的转速与驱动的电 0 u ， 源频率成正比，船2 i 。，f 为电源频率，p 为电机的极对数，n 为电机的转速。这 样驱动电源的频率就固定了。所以负载的特点可以使阳极驱动电源开环运行。 原理框图： 图2 2 阳极驱动电路原理图 f i g2 2s c h e m a t i cs h e e to f t h es t a r t e rd r i v i n g 注： a ：2 2 0 v a c 来自辅助电源v a b ：由变压器提供 c ：由c p l d 处理 d ：至球管阳极辅助绕组 e ：至球管主绕组 阳极状态：阳极电机处于两个稳态和两个瞬态。从静止( 一种稳态) 过渡到运行状 6 末北走学硕士学位论文第二章蕊压发生嚣组成 态 i 2 i l ； 这是因为灯丝发射能力一定的情况下，管电压越高，电子的速度越快，单位时间内的电 子数目越多，管电流自然就大。还可以看出，对应不同的管电压和管电流，灯丝电流的 需求是不一样的。 一8 东北赶学硕士学谊论文第= 章高压发生器组成 网2 5 中左部分是阳极特性曲线。阳极特性曲线类似三极管特性，当灯丝电流大于 阀值时，灯丝具备了发射电子的能力，如果此时在阳极鞠阴极之间加上管电压，管电压 由0 k v 开始增长。在管电压的加速作用下，部分电子达到阳极；随着管电压的增加， 到达阳极的电子数目越来越多，管电流的大小开始迅速增长；当灯丝发射的电子全部到 达阳极时，管电流大小基本恒定，基本上是一组对应不同管电压魄水平线了。 图2 , 5 球营的电特性 f i g 2 5t y p i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t h et u b e 出此可看到管电流和灯丝电流关系：想要m a 稳定，必须灯熊稳定。但实际上k v 爨浚窭是有交化楚，蠢丝电潭辩本身棠瞧也变纯，为了聿饕镧变化救影赡，必须采髑闲环 控制，而且控制量为灯丝电流而不是电压。 鹦井，汀丝静寿命与灯丝魄流密讶糟关。下露跫寿命魏线凿2 , 6 。 出图中着到，灯丝电流在很小时，寿命可“达到百万小时；当灯丝电流为6 a 的时 谈，寿命仅个小时。益线爱淤了这稃一个事实：寿命与电流大小戒反比。为了延长球 管的使用寿命，所以尽量减少灯丝电流在较大值的时问长度。但是，在实际工作中，又 要快速缝让灯丝投入使用，就采用了拆衷的方法：平时以2 a 左右的灯丝电流保持灯丝 的最低温度，一旦需要曝光，立即升到m a 电流对应的灯丝电流上：曝光结束，灯熊电 流再次变为2 a 。2 a 的灯丝对应的寿命是2 0 万小时。2 a 的灯丝电流一般称为s t a n d b y 电流，而升到曝光所需的电流跳必须有一个预热电流一一p r e h e a t 电流，持续时间根短， 大概l s 以内，电流值接近灯照放线值，目的是尽快加热灯丝，放线时通过m a 自动控 制将灯丝电流调到稳念，并保持到放线结束。 因此灯丝电路中必须有这样的电路：过流保护、s t a n d b y 电流、p r e h e a t 电流及它们 之闻的大小幂珏时序控制。 9 东北走学硕士学位论文 第= 章高糕发生器组成 = = l 。a - i矗1 w _ 科 图2 6 灯丝寿命曲线 f i g2 6l i v eo f | h ef i l a m e n t 2 2 3 高压逆变介绍 功能：高器逆交部分是高蕊发生嚣静主钵，受责高蕊麓输出，整体往麓取决子j | 乏。 负载：是球管，要求输出电压平直，纹波小，响应快。 狁念：在曝光前输斑为0 ，楚一种稳态，曝光过程中，输出电压建立，这个过猩是 瞬态，要求快；曝光过程中，输出电压稳定，这炫稳态# 曝光结荣，输出下降，经历另 一个瞬态后到运输出为0 酶稳态。可阻把这部分看成是个有内阻的电蕊源，在输出 m a 电流改变时，电压改变。因此必须增加闭环控制回路。 电路要求：电压闭环控匍，响应快速，纹波小。 电路结构：在实际的高压电路中，大多采用串联谐振电路。图2 。7 是负载电阻和适 用电路的结构。图中横嫩标为负载电阻( m 渤，纵轴为能达到的输出功率( k w ) 。 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第= 章高压发生器组成 拳 岜 0 图27 负载和电路结构的关系 f i g27t h er e l a t i o n s h i po f t h el o a da n dc i r c u i t 采用串联谐振电路的原因之一是变压器的问题。变压器的等效电路见图2 8 。由理 想变压器和漏感l 1 串联之后和激磁电感并联，次级等效电路并联匝问电容c w 。因为在 p w m 方式控制的电源中，工作频率一般在2 0 k h z 以下，变压器的匝数比也比较小，因 此漏感和匝间电容c w 较小，对电源的影响不大。但高频谐振电源时，漏感和匝间电容 c w 参与了电源的谐振过程，明显地改变转换器的特性。因为高压d c d c 转换器因为变 压器大的匝数比，使得变压器非理想化程度非常严重口1 1 9 1 。 变压器的阻抗曲线如图29 。可以看出，该示意图的阻抗曲线存在两个尖峰。第一 个尖峰是由激磁电感和c w 并联组合引起。第二个尖峰实际为谷地，是由于漏感l l 和匝 间电容c w 的串联的结果。等效的结果显示变压器开始等效为一个电感，随之为电容特 性，最后为电感特性”1 。在p w m 开关转换器的漏感导致电压尖峰，匝间电容导致电流 尖峰和上升时间变长，自然地增加了开关损耗和吸收电路的损耗。因为谐振转换器中这 些寄生因素本身是可以利用的器件，漏感和匝间电容可以部分或全部地作为谐振回路的 一部分，从而利用了变压器非理想化，这自然提高了转换器的效率和可靠性。为了利用 这些寄生因素，串联谐振电源成为最好的选择。这是因为：变压器的漏感可以作为谐振 电感l r 的一部分甚至就以漏感作为谐振电感。同样匝问电容作为谐振电容c p 的一部分， 因而消除了这些寄生因素的影响【l “。 另外，在大容量的电源中，电路采用半桥或全桥结构。原因是：在单端电源的两种 结构中，正激式结构只在开关管导通时传递能量，因为磁芯单向工作，还必须加去磁回 路；反激式结构在开关管导通时存储能量，在截止时将能量耦合到次级，实现能量传递。 1 】 东北大学硕士学位论文第二章高压发生器组成 在这两种结构下，磁芯材料只是一半被利用。因此只适用在功率较小的电源中；推挽电 路实现了磁芯的双向应用。但是截止时开关管上承受的反压为电源电压的2 倍，因此需 要高反压的开关管。在电源电压输入高的时候不太适用。半桥结构克服了推挽电路的缺 点，它通过将电容分压的半个桥臂来解决问题的【”。这样开关管的反压和电源一样，因 此在输入电压高的大功率电源中常常采用。但很明显，为了得到和推挽电路一样的功率 输出，其电流是推挽电路的2 倍。全桥电路则克服了半桥电路的缺点。保持开关管的反 压为电源电压，同时保持大功率输出。代价是多了两个开关管，也就增加了损耗。但 是对于输入电源高的大功率电源来说，这点损耗是可以接受的。 l lr - 一 l o 1 0 1 0 ， a 1 0 0 n l 。竺j 图2 8 变压器的等效模型 f i g2 8e q u i v a l e n tm o d eo f t h el r a n s f o r m e r 一， 一 一 、 f 、厂 f l 末北大学硕士学位论更第三章控制电路的需求与设计 第三章控制电路的需求与设计 遴避藤蠢对蠢莲发生嚣瓣艨壤、翁擒缀裁秘王俸过程镌余缓，霹以r 解裂控铡系缓 的功能就怒指挥各个予系统，协渊它们之间的工作，傻c t 放线过稷顺利实蕊，并得到 燕瀵壤蓐瓣图稼。渡系绕蕊特点藏怒控制麴羧入簸爨爨多、时亭严臻、任努庞杂、对象绫 的实时操作憾蘩隶严格。 3 1 功麓需求分析 实现离压发生秣辩蘩统控制，它包括l 三l 主嚣功糍；接受c t 王控褫发爨静控制信 号；控涮遵变檄m o s 管邋断及工作频率；设定敖绫k v 参考德；稳浏k v 反豫信号，与 设定眈较，并避行嗣环调熬；设定赦线m a 参考僖；检测m a 反馈傍譬，与设定比较， 并避行闭环调整；捻测逆变叛楚螽过流；梭浏k v 、m a 及谐援电流怒否超过允许僮；掇 供磁篝阳极旋转及离匿放线的控制信号；梭测麓转阳极运行怒否芷常；翔逡压输惠套秭 控制信号；输出灯熬謦h 球管的选择信号；锁存高压发生器在运行串豹各种错误；褥离压 发生器的运行状态翻梭溅缝暴及馈豳c t 藏压发生器。 3 。2 蜜舰需求矜毒嚣 c t 俘为一个全球销售产燕，簸必须满足各鬻对涎疗嚣猿豹梭溪要求，镧魏：中蕊 的3 e 认诞，荚戮u l 认诞，搬窆大懿c s a 认涯，德露的弼v 稆v d e 认证，以及第三 方的c b 测试，这些认证就对我们的设计挺澎了翼严稳的要求。嗣孵簧求我们在设 计的酵候必矮严格的遵守豢泡工餐樊会静标准i c e6 0 1 1 隧翊魄嚣设备一安全遴爝 要求麴标准。 雕就竣计睡，罄先必须按照安舰豹要求徽好对奄击危险的傺护 ，做好保护接撼， 对援愈与弱电之间要求做剿鼹蓥绝缘或加强绝缘。其次，在绝缘的蒸勰上逐要求符台 e m c ( 毫磁兼容) 舱要求 嘲7 j ，趣糖赞静藩压发生嚣工俸辩对电掰静予貔，浠漱 流一一离压工作时执壳与大地之阐晌非功畿憾豹电流，豫冲群、浪潲一一电嘲上的干扰 对蠢压的骚扰，静电放电一考验赢藤发生嚣承受静电黪能力。 在设计聪，我们将强嗽与弱电分开朱毒局i 聊，经强瞧玛弱电有关联的地方搠骥绝 缘，铡盎拜2 2 0 v a c 生成鲍：k 1 5 v d c 逡嗣u l 认涟遭簿a c d c 摸块，阳极埝溅电鼹嫒 用电流互感器寒隔离，用光耦来隔离廉动检溯电路的强电码弱电部分 m 1 3 东热天擎蔟士拳住论文 第三帝控裁电蝰酌需求奄设哥 3 3 设计结构图 鬻3 。1 系统设诗静结褐翻 f i g 3 1s c h e m a t i co f s y s t e m d e s i g n 3 4 元器髂的可靠，陛 进行电子学可靠性设计的篇一步，是简化设计方案。元件失效是影响电子学系统可 靠慧的重要藏溢之一，清除元彳率失效澎式葙失藏梳理豹壤有效方法是滂豫元 孛本鑫，透 此，在电路设计时，简化设计方案可以显著地提高可靠性。电路设计在方案设计阶段采 用戬一f 原剥，尽可麓将方案简化戳提赢固有可靠菠：穗软佯动l 与嫒件功麓综合瘸嗣，充 分发挥软件功能，由于计算机和计算机投术的广泛应用，软件可以越来越雾地取代硬件 静功能使设备得以筒化，但是簧充分考虑至目软件代替硬件时清耗的c p u 时间：要篱优 方案不能只是简单地降低指标和削减设备，采用新技术可以解决高指标与高可靠的矛 1 4 东北天学硕士学位论文第三章控制电路的需景与设计 后，采用的新技术必须是经过专题试验过关的，否则会增加新的不可靠因素；采用新电 路时尽可能利用定翟的标准化单元电路构成；尽可能采用数字电路取代线形电路，数字 电路的标准化程度高、稳定性比线性电路好、漂移小、通用性强、接口参数易匹配，所 以可靠性比线性电路商；尽可熊用集成电路取代离散电路，集成电路本身就是标准电路， 由于焊点少、密封性姆，所以实效率比相同功能的离散电路要低褥多；对逻辑电路进行 简化设计，采用可编程芯片c p l d 实现。 此乡 在选择元器件时应进行器件筛选和蹲额选择。对电子元爨件进行筛选，跫提裹 电子设备可靠性的有效措施之一。可靠性筛选的目的是从一批元器件中选出高可靠的元 器件，淘汰捧有港在缺陷的元器俘。由予降低元嚣传所承受| ! l 冬应力可以显蓑降低失效率， 因此，在设计时使元器件在低于其额定值的应力条件下工作，从而大幅度降低元器件的 失效率。 3 5 抗干扰设计 干抗是影响系统可靠性的另一个主要原因。在电子系统设诗中，为了少走弯路鞠节 省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的露求2 “，避免在设计完成蜃再去进行抗干扰的补 救措施。 这里列举几项在系统设计时采取的抗干扰措施： 1 布线，布线时避免9 0 度折线，减少高频嗓声发射；布线时尽量减少网路 环的面积，以胯低感应噪声；布线时，电源线和地线要尽鬣粗，除减小 压降外，更重要的是可以降低耦合噪声。 2 ， 电路板上每个i c 要并接一个o 0 1 9 f o 1 9 f 高频电容，以减小i c 对电源 的影响。注意商频电容的布线，涟线应靠近电源端并尽量粗短，否则， 等于增大了电容赡等效奄联电阻，会影响滤波效暴。 3 数字地与模拟地要分离，用地线把数字区与模拟区隔离，最后在一点接 予电源镳。 4 为防i o 口的串扰，可将i o 口隔离，这累采用光耦隔离，此外为了保证 输入信号懿可靠还壤热了去拱动亳鼹。 5 i c 器件尽量直接焊在电路板上，少用i c 麾。 6 镬惩4 层电路裁，缭短毫流露路，增强藐于撬能力，嚣露霹以壤热毒线 空间，减少由爬电距离不够引起的问题。 1 5 东北大学硕士学位论文第三章控制电路的需求与设计 7 选择一个抗干扰能力强的器件比之任何方法都有效，我想这点应该最重 要。 3 6 板基调试 调试分为软件调试和硬件调试。本项目的设计使用x i l i n x 的x c 9 5 1 4 4 作为核心控 制芯片来设计复杂的逻辑电路【捌【2 3 】。这不仅因为它的体积小，能大大缩小板基的面 积，更重要的是作为现场可编程逻辑器件，他具有可重复擦写得能力，给系统的升级提 供便利的条件。 设计中以i s e t 2 朝作为程序的编写平台。在这平台上我们能够直接对所编写的程序进 行综合与仿真，简化了程序的调试过程。 根据硬件电路原理图加工好实验样机后，便进入硬件调试阶段。这个阶段的任务是 排除样机故障，包括设计错误和工艺性故障。硬件调试分两步进行，第一步静态调试， 用万用表等工具根据硬件逻辑图检查线路板线路正确性，核对元器件的型号、规格是否 正确，特别是电源的检查，要防止电源短路、电源极性的错误，然后脱机加电检查各点 电位是否存在异常。第二步动态调试，通过测试平台来检测数字和模拟量的输入和输出， 检验各个模块的功能。 3 7 故障检测流程 3 7 1 电弧报错检测 电弧报错主要的原因： 1 在高压放线的时，t a n k 内部的阴极或阳极头对t a n k 壁或灯丝变压器打由 于距离不够而引起的打火1 2 5 1 1 2 6 1 ； 2 球管在使用久了或内部真空中有颗粒可能引起球管打火f 2 7 1 2 8 】； 3 检测电路中的电路元器件损坏或虚焊会引起误报错。 1 6 查苎垄兰堡主璺堡垒圭 一 整三主堇塑皇登塑童查垄堡茎 图3 2 电弧报错检测滤程 f i g3 , 2f l o wc h a r to f a r c e r r o rd e l e c t 3 7 2k v 过腰检测 k v 过压的原黼： 1 t a n k 和球镣打火能引起k v 过压； 2 系统控制板上的设定和反馈放大倍数不正常会母致k v 过压 3 ，检测电路中的电路元器传损螺或虚焊会引起误报错。 1 7 图3 3k v 过压检测流程图 f i g3 3 f l o wc h a r to f k vo v e rd e t e c t 1 8 东北天学硕士学位论文第三章控制电路的需求与设计 3 7 3m a 过流检测 m a 过流的原闽： 1 t a n k 和球管打火娆引起m a 过流； 2 系统控制板上的设定和反馈放大倍数不乖常会导致m a 过流 3 。检测电路中的电路元器件损坏或虚焊会引起谡报锩。 图3 4 m a 过压检测流稃图 f i g3 , 4f l o wc h a r to f m a o v e rd e t e c t 1 9 东北大学硕士学位论文 第三章控制电路的需求与设计 3 7 4 开机报错检测 开机报错的原因： 1 + 1 2 v 检测不正常； 2 预充电没有进行； 3 直流母线检测不正常： 4 主交流接触器没有吸合。 图3 5 启动检测流程图 f i g 3 5f l o wc h a r to f s t a r td e t e c t 一2 0 东北文学硕士擘位论文 第三章控制电路的需求与设计 3 7 。5 灯丝报错检测 灯丝报错的原因： 1 灯熊设定放大电路不准确； 2 灯丝检测反馈电路出错； 3 。检测电路中的电路元嚣 牛损坏或虚焊会引起误搬错。 ：= 、：m 的毋二u 械 一丁。| 一 测试电穗控制板t 灯丝反馈位 ( t p 2 9 ) ，一一7 。 厅 ，” mg $ 镕_ 。；冉+ ，月、 h 。：j f _ j j ：r 。 i燕 魁3 6 灯犍报错检测流程图 f i g 3 6f l o wc h a r to f f i l a m e n te r r o r 2 1 东北大学硕士学位论文 第三章控制电路的需求与设计 3 7 6 旋转阳极报错检测 旋转阳极报错的原因： 1 启动信号错误； 2 反馈信号错误； 3 球管阳极损坏； 4 检测电路中的电路元器件损坏或虚焊会引起误报错。 图3 6 旋转阳极检测流程图 f i g3 6f l o wc h a r to f s t a r t e re r r o rd e t e c t 一2 2 东北丸学硕士学位论文 第锄章高压筑生器详翻原理 第四章控制系统的设计与实现 本章中将详细说明裹压发生器系绫控制设计中的凡个重要整制电路躲设计思路窝 实现过程。对于实现电路的关键点给出了波形和解释。 4 ，l 低速癌动设计电路 在第二章2 21 中，说明了阳极驱动电源的设计要求，即能够控制和完成状态之间 静转换，并具有球管选择静功麓。 设计思路：对于低速启动器来说，电源只有一个频率，即工频5 0 6 0 h z 。用电网的 电源躐逆变都可以。遴变器对予低速船动嚣来说增加了笈杂性，丽且成本高。因j 魄电网 电源成为唯一选择。电压如何选择? 根据阳极定子的要求，一般是启动为2 0 0 v a c 左右， 运行9 0 v a c 左右。维显然，可以用变压器实现，也可以通过移相控翻的开关来实现。 变压器方法能够提供标准的正豫波电压和电流，但变压器体积是个问题，因此在容量不 大时较好。移相控制( 导通角) 控制时不必使用变压器，但波形较差，电硎的功率因数 低，裔电流谐波。这鼹种电路都有实例。在电压的转换控制方恧基本上是对序发生器， 以p r e p 为使能，在规定的时阐内分别使b o o s t 电压、r u n 电压加到绕组上。为了能够 检测到绕组是否正常工 乍，必须有检测环节，一般是检测阳极定予绕组电流柬判凝。球 管选择功能通常通过继电器触点切换实现。因此给出低速启动器的设计框图为图4 + 1 。 圈4 1 低速启动器的设计框 f i 9 4 1d e s i g ns h e e t o f t h es t a r t e r 设计实例1 ，觅圈4 2 、搿4 。3 。该实稠便嗣变压器实现b o o s t 和r u n 电压的获取， 通过不同的电予开关控制，将电源加到绕组上。 豳4 2 是时序发生器和部分检测处理电路。使能信号在这里为p r e p ，商电平有效， 见图中中下；输出信号为b o o s t 和r u n ，二者都是低电平有效，见图发面。b o o s t 惯号 ，3 东北大学硕士学位论文第四章高压发生器详细原理 使b o o s t 电压加至阳极绕组，r u n 信号使r u n 电压加至阳极绕组。当p r e p 低电平时， b o o s t 和r u n 信号无效：当p r e p 高电平时，b o o s t 和r u n 信号分别在给定的时间段内 有效。右半部分是检测信号处理电路，后面会提到。 图4 2 低速启动器时序控制电路 f i g4 2s e q u e n c ec o n t r o lp a r to f t h es t a r t e rs t a r t - u p 图4 3 低速启动器电源切换、球管切换和检测环节 p i g4 3p o w e ro f t h es t a r t e rs w i t c h ，s l a r t e rd e t e c ta n dt u b es e l e c t 一2 4 东北太学硕士簿位论文第搿章高压发生器详翻原理 菌先对电路的其它部分做一下描述。f i g3 2 1 电路中吉有3 个比较器，傲电平比较 用；3 个r c 充电电路，其中两个做定时用，另一个检测信号用。比较器为u i a 、u 1 b 、 u 1 d 。r 2 3 、r 7 6 、c 3 是一个定时r c 电路，称为b o o s t 定时器；r 3 、r 2 5 、c 4 是另一 个定时r c 电路，称安全( 凭区定时器) 定时器，在它的定时间隔内，b o o s t 和r u n 信 号都无效，所以是死区定时嚣，安全的含义后面提到。u t a 和b o o s t 定时器做b o o s t 信 号定时用，u 1 b 做b o o s t 信号产生和驱动用。u 1 d 产生r u n 信号使用。b o o s t 比较器 的负端参考电压为：1 2 p & x 戮蒜匝= 8 , 8 喙，u 1 d 的正湍( 参考信号) 也是这个电压为 8 8 v d c ，而u i b 的正端( 参考) 电压随工作不同而不同，分别是刚爿的 8 8 v d c v d l 2 = 8 。1 v d c 或另外一拿徨，觅下耍详细分攒。 当p r e p 信号为低电平，即无效时。p n p 三极管q 1 2 导通，电源电压加到n p n 三 极譬q 童的基壤土，q 2 镪零导邂，q 2 懿c e 端电压为0 3 v d c ，翔烈u 1 a 上的+ 端。u 1 a 的负端前面知道为8 8 v d c ，u 1 a u 1 a + ，比较器输出低电平。该电平分为两路输出： 一路淫遭二叛警d 1l 送到u 1 b + 璜，嗣二辍蛰反彝佼鬟对u 1 b 没有彩蹶，u i b + 仍为 8 i v d c ，而u 1 b 就是p r e p 电平，为低，则u 1 b + u i b ，比较器输出黼电平，b o o s t 售号无效；冀一路经死区定时毫阻袋3 送委u 1 d 一，为低毫乎，u 1 d + 为8 。8 v d c ， u 1 d + u i d ，比较器输出高电平，r u n 信号无数。b o o s t 和r u n 信号都无散，没有电源 送刭绕缀主，阳极电辊处于静噩：或塞鸯涝行状态，这是辩较驱动器静一个稳态。 肖p r e p 信号为离电平，即有效时，p n p 三极管q 2 截止，没有电源电压加到n p n 三辍管q 2 酌基极上，c 2 截正，q 噔的c e 端开路，b o o s t 定对r c 电压开始加到u 1 a 上的+ 端。刚开始，r c 电路的输出电压为0 v d c ，u 1 a 的负端前面知道为8 8 v d c ， u 1 a - u 1 a + ，眈较器输出低电平。该电平分为两旃输出：路通过二极管d 1 1 送到u 1 b + 端，因二极管反向偏置对u 1 b 没有影响，u l b + 仍为8 1 v d c ，丽u 1 b 一就是p r e p 电平， 为高，则u 1 b - u 1 b + ，比较嚣输出低电平，b o o s t 信号有效；弱一路经褫区定时电阻 r 3 遴到u 1 d ，为低电平，u 1 d + 为8 8 v d c ，u i d + u 1 d 一，比较器输出高电平，r u n 信号无效，同时b o o s t 信号通过二极管d 3 4 送到u 1 d 一，裙位，确保u l d ，为低电平，使 二者不能冠时毒效。魄路进入tb o o s t 蠢效、r u n 信号无效，电枫启动的鞭态。 随着b o o s t 定时r c 电路的充电，比较器u 1 a + 端电压上升，当达到u i a 一端电压并 超过时，u 1 a + u 1 a ，比较器输出高电乎。该窀平分为两鼹输出：一路通过二极蛰d l l 送到u 1 b + 端，因二极管d 1 1 正向偏置，二极管d 1 2 反向偏置，u 1 b + 电压为高电平减 二掇蛰压蹲，该电压大予p r e p 信号电燕，则u 1 b + u i b 一，比较器输出窝电乎，b o o s t 2 5 东北大学硕士学位论文第四章高压发生器详细原理 信号无效，电机停止加速；另一路经死区定时电阻r 3 送到