PID控制及高频逆变技术的X射线机电源

　　自1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管时发现X射线以来，由于X射线的穿透作用等特性，其已得到广泛的应用，尤其是在医学，工业和安检等方面。随着医学和工业等领域的发展，X射线机的性能指标也不断提高，其中最重要的就是产生X射线的质量。X射线的产生是由直流高压加在X射线管两端，并给阴极灯丝加热使其发射电子撞击X射线管阳极而产生的。故要提高X射线的质量，主要是提高X射线管电源的质量。

　　X射线管电源的控制实质上就是控制X射线管两端的高压电源以及灯丝电流源。高压电源采用直流高频电压源，高频化的优点在于输出电压的纹波率小，从而杂散射线少，出线波谱单纯，成像清晰，并且高频有利于减小电源的质量和体积。目前X射线机大多都采用高频的。笔者研制的X射线机电源高压电源采用直流调压，高频逆变以及软件PID技术来控制反馈的结构，灯丝电流源采用高精度的电源芯片来设计并由主控制器进行控制，实现了灯丝电流的稳定。主控制部分采用单片计算机来控制输出指标以及数据通讯，实现了稳定X射线机电源。

　　1　电源系统结构

　　根据X射线机电源的需求，本系统采用工频市电来供电，分别输出X射线管灯丝电源和120kV的X射线管阳极电源，以保证X射线机的正常工作。电源系统结构如图1所示，整个系统由高压发生器、灯丝电源、辅助电源以及采样单元和单片机中央控制器组成，其中辅助电源为主控制电路、显示模块等供电。

　　2系统主要构成部分

　　2.1　高压电路

　　高压电路是X射线机高压发生器部分的电路,其作用为供给X射线管阳极直流高压。如图2所示，工频市电进入高压发生器，先经EMI滤波以及整流，变为低噪声直流信号，再由BUCK调压电路调成稳定的直流电压200V，然后由高频逆变将其转换成交流方波信号，经过高频变压器升压为大约20kV，最后再经6倍压整流输出直流高频120kV供给X射线管。高压系统采用闭环控制，用采样电压来控制BUCK调压部分，使其输出稳定。

　　2.1.1　控制单元

　　为了稳定X射线机高压发生器的输出，本电源系统采用闭环控制，反馈的电压信号需要经过一个控制单元来处理，然后由控制单元输出一个精确的误差给PWM控制器。控制单元一般采用比例 积分(PI)调节器来实现，如图3所示。它是一种模拟调节器，根据系统的误差，利用比例和积分来计算出控制量进行控制，电路中所需元器件的参数由补偿网络的传递函数来决定。由于模拟PI调节器是采用硬件电路来控制，故在设计过程中需计算元器件的参数，选择所采用的运放，参数选择好以后在实际的运行中还需要进行调试，因而设计和实现过程比较繁琐并且调整起来不灵活。而软件PID控制是把模拟PI调节器数字化了的控制方法，增加了微分的控制方法且可以选择合适的PID控制方法，其设计过程中基本不需要元器件，参数的整定比较灵活，控制起来更加方便，故本系统控制单元采用软件PID来控制。即先从输出端采样一个正负kV信号，并由采样信号处理电路将其合成为一个kV信号，经由模数转换进入单片机，由单片机编程计算误差值输出给PWM控制模块，从而输出驱动信号给调压电路，稳定了高压的输出。由于在电路的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累而造成的系统的较大超调，因此PID控制单元采用积分分离式PID控制方法。软件PID控制的流程如图4所示，K1、K2、K3、ε根据系统输出在调试中设定。