CN106098515B - X射线管旋转阳极驱动装置及控制旋转阳极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，主绕组的自由端和主副绕组的公共端分别与全桥逆变模块连接，副绕组与全桥逆变模块之间设有双向可控硅TR1，副绕组的自由端连接双向可控硅TR1的一端，双向可控硅TR1的另一端连接全桥逆变模块。本发明还公开了采用X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法。本发明的装置有效减少了副绕组产生的热量，本发明的方法增加了维持运行阶段，旋转阳极能够在最短时间内达到曝光的转速，并且有效缓解了球管共振的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子医疗领域，特别是涉及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，有适用于小功率的固定阳极球管，中等功率和大功率旋转阳极球管。如专利CN 105517309 A公开了X射线球管工作原理示意图，在工作过程中，从灯丝发射的阴极电子束经过高压电场的加速作用下，高速撞击阳极靶面，同时产生有用到X射线，有99％左右的电子束的冲击能量被阳极靶面吸收，导致阳极靶面局部温度迅速升高。为保护阳极靶面，通常使用交流电机来驱动阳极靶面旋转。旋转阳极球管中根据阳极速率不同，又分为低速旋转阳极和高速旋转阳极。低速旋转阳极一般使用工频交流电驱动，转速3000r/min以下，而高速旋转阳极，转速一般为7000r/min，甚至10000r/min以上。
驱动旋转阳极的靶的异步电机由定子和转子构成，转子和旋转阳极靶放置于真空的球管中，处于高电压的环境中；该异步电机的定子绕组套于玻璃球管外面。通过定子磁场的耦合作用，使与阳极靶面连接的转子转动起来。传统的旋转阳极驱动装置如图1所示，采用单相交流异步电机，包含主、副绕组的机构，且绕组不对称，电容分相式启动方式，在运行过程中，副绕组一直有电流流过，使原本密闭空间中的球管散热更加困难。同时副绕组的电流，给变频器带来更大的容量要求和能量消耗。
如图2所示为传统旋转阳极启动、运行和制动的流程图，在接到用户启动命令之后，以启动电压连续输出高电压、大电流的方式启动，给旋转阳极的冲击较大；在用户完成曝光之后，旋转阳极即进入制动运行，阳极迅速停止，若用户相隔时间较短时间内曝光，则旋转阳极需要重新进入启动准备阶段，启动时间较长，曝光等待时间长，反复驱动时旋转阳极绕组损耗带来的发热问题将会比较严峻。
发明内容
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，主绕组的自由端和主副绕组的公共端分别与全桥逆变模块连接，副绕组与全桥逆变模块之间设有双向可控硅TR1和启动电容C1，双向可控硅TR1的一端连接启动电容C1的一端，启动电容C1的另一端连接副绕组的自由端，双向可控硅TR1的另一端连接全桥逆变模块；启动电容C1能够在电机启动时，在副绕组电流作用下形成的磁场与主绕组形成的磁场相互作用，形成启动转矩。
进一步，还包括整流滤波模块，交流电源S1输入整流滤波模块，经过整流滤波模块后变成直流电，直流电再经过全桥逆变模块变成给电机供电的交流电。
进一步，所述整流滤波模块包括整流二极管D1，整流二极管D1的正极连接整流二极管D2的负极，整流二极管D3的正极连接整流二极管D4的负极，整流二极管D1的正极和整流二极管D4的负极分别连接交流电源S1的两端，整流二极管D1的负极与整流二极管D3的负正极均连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接直流母线电容C2的一端，直流母线电容C2的另一端、整流二极管D2的正极和整流二极管D4的正极均相连，电阻R1的两端还并联有继电器J1。
进一步，所述全桥逆变模块包括绝缘栅双极型晶体管T1，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，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的漏极，绝缘栅双极型晶体管T1的漏极和绝缘栅双极型晶体管T3的漏极连接直流电源的正极，四个绝缘栅双极型晶体管的栅极均输入PWM信号，绝缘栅双极型晶体管T2的源极和绝缘栅双极型晶体管T4的源极均连接直流电源的负极，绝缘栅双极型晶体管T1的源极分别连接双向可控硅TR1的另一端以及主绕组的自由端，绝缘栅双极型晶体管T4的漏极连接主副绕组的公共端。
进一步，还包括数据处理模块，数据处理模块产生全桥逆变模块栅极所需的PWM信号，以及双向可控硅TR1的控制信号。
进一步，还包括检测电阻R2、检测电阻R3和采样模块，检测电阻R2连接在主绕组自由端与全桥逆变模块之间，检测电阻R3连接在主副绕组公共端与全桥逆变模块之间，检测电阻R2的一端和检测电阻R3的一端分别连接采样模块，这样能够实时采集绕组上的电流，在旋转阳极出现过电流或者欠电流的情况时能够准确进行故障判断，也能够对驱动装置本身和旋转阳极起到过流保护的作用。
进一步，所述驱动装置启动时，数据处理模块控制PWM信号的电压和频率增加，电压增加的速度和频率增加的速度之比为定值，数据处理模块还根据采样模块采样得到的电流大小控制PWM信号，使得PWM信号的电流保持在规定的最大启动电流以内，这样能够以最快速度达到X射线管曝光所需要的转速。
采用本发明所述的X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法，包括启动准备阶段、曝光阶段、维持运行阶段和制动阶段，其中：
启动准备阶段：数据处理模块控制全桥逆变模块的栅极输入信号，使得旋转阳极在规定时间内启动；
曝光阶段：数据处理模块控制全桥逆变模块的栅极输入信号，使得旋转阳极以规定速度维持旋转，数据处理模块控制双向可控硅TR1的控制信号，使得副绕组与全桥逆变模块之间断开；
维持运行阶段：数据处理模块记录用户曝光的时间和相邻两次曝光的间隔时间，对用户的曝光习惯进行学习，并推算本次曝光结束到下次曝光开始的等待时间，在等待时间结束前，数据处理模块控制旋转阳极维持旋转：在等待时间结束前，如果旋转阳极的实时转速与共振频率带之间的差距在规定范围内，则改变PWM信号的电压和频率，驱动旋转阳极加速，使得旋转阳极的转速越过共振频率带；在等待时间结束前，如果接收到曝光的命令，则数据处理模块通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极在规定时间内达到能够曝光的转速；如果在等待时间内没有接收到曝光的命令，则控制旋转阳极进入制动阶段；
制动阶段：数据处理模块通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极的转速在规定时间内越过共振频率带，之后旋转阳极自由停止旋转，有效缓解了球管共振的问题。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的装置在副绕组与全桥逆变模块之间引入了双向可控硅，能够在旋转阳极维持运行的阶段断开双向可控硅，从而使得副绕组的回路断开，使得副绕组上的电流降低至接近于零，有效减少了副绕组产生的热量，解决了现有技术中的问题；
(2)本发明的方法相对于现有技术增加了维持运行阶段，在等待时间结束前，数据处理模块控制旋转阳极维持旋转，这样如果接收到曝光的命令，就能控制旋转阳极在最短时间内达到能够曝光的转速，缩短了曝光的等待时间；并且，在等待时间结束前，如果旋转阳极的实时转速与共振频率带之间的差距在规定范围内，则可以通过改变PWM信号的电压和频率，驱动旋转阳极加速，使得旋转阳极的转速能够迅速越过共振频率带；
(3)本发明的方法中的制动阶段，数据处理模块通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极的转速在规定时间内越过共振频率带，之后旋转阳极自由停止旋转，有效缓解了球管共振的问题。
附图说明
图1为现有技术中的X射线管旋转阳极驱动装置的示意图；
图2为现有技术中的X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法的流程图；
图3为本发明具体实施方式的X射线管旋转阳极驱动装置的示意图；
图4为本发明具体实施方式的X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法的流程图；
图5为本发明具体实施方式的X射线管的旋转阳极自由停止过程中的转速与时间的关系。
具体实施方式
下面结合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X射线管旋转阳极驱动装置，如图3所示，包括交流电源S1、整流滤波模块2、全桥逆变模块1、双向可控硅TR1、启动电容C1、检测电阻R2、检测电阻R3、旋转阳极10、数据处理模块5、采样模块6、存储芯片7、开关电源8和上位机9。
旋转阳极10内部设有电机和阳极靶面4，电机包括定子绕组和转子33，定子绕组包括主绕组31和副绕组32，转子33与阳极靶面4连接，当转子33旋转时会带动阳极靶面4旋转。
整流滤波模块2包括四个整流二极管和一个电容充电延时电路21，电容充电延时电路21包括电阻R1的继电器J1，整流二极管D1的正极连接整流二极管D2的负极，整流二极管D3的正极连接整流二极管D4的负极，整流二极管D1的正极和整流二极管D4的负极分别连接交流电源S1的两端，整流二极管D1的负极与整流二极管D3的负极均连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接直流母线电容C2的一端，直流母线电容C2的另一端、整流二极管D2的正极和整流二极管D4的正极均相连，继电器J1并联在电阻R1的两端。电容充电延时电路21在上电时，通过电阻R1给直流母线电容C2充电，充电完成后，继电器J1将电阻R1短路。
全桥逆变模块1包括四个绝缘栅双极型晶体管，又称IGBT。其中，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，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的漏极，绝缘栅双极型晶体管T1的漏极和绝缘栅双极型晶体管T3的漏极连接电阻R1的另一端，四个绝缘栅双极型晶体管的栅极均输入数据处理模块5产生的PWM信号，绝缘栅双极型晶体管T2的源极和绝缘栅双极型晶体管T4的源极均连接直流母线电容C2的另一端，双向可控硅TR1的一端连接启动电容C1的一端，启动电容C1的另一端连接副绕组32的自由端，检测电阻R2的一端连接主绕组31的自由端，绝缘栅双极型晶体管T1的源极分别连接双向可控硅TR1的另一端以及检测电阻R2的另一端，检测电阻R3的一端连接主副绕组的公共端，绝缘栅双极型晶体管T4的漏极连接检测电阻R3的另一端。检测电阻R2的一端和检测电阻R3的一端还分别连接采样模块6，采样模块6将两个检测电阻处采样得到的信号送入数据处理模块5。双向可控硅TR1的控制端连接数据处理模块5，由数据处理模块5产生双向可控硅TR1的控制信号。数据处理模块5还连接存储芯片7、开关电源8和上位机9。其中，数据处理模块5可以采用DSP芯片。
由于大功率球管内部旋转阳极也相应地增大，旋转阳极的转子增大，启动时间也随之增加，过长的启动的时间会影响医生的操作效率，患者也需要更长的等待时间，增加了不可控的因素。为了尽量缩短旋转阳极的启动时间，本具体实施方式采用最大转矩启动方式：根据X射线管厂商提供的参数，确定最小启动时间、最大启动电流、最大启动电压和转动惯量等参数，在驱动装置启动时，数据处理模块5控制PWM信号的电压和频率增加，电压增加的速度和频率增加的速度之比为定值，数据处理模块5还根据采样模块采样得到的电流大小控制PWM信号，使得采样得到的电流保持在规定的最大启动电流以内，这样能够以最快速度达到X射线管曝光所需要的转速。
本具体实施方式提供的旋转阳极驱动装置，在出厂前，对X射线管的旋转阳极10的自由停止转速和时间关系测试并记录，得出该球管自由停止转速和时间的关系曲线，如图5所示。从图5中看出，旋转阳极10在5000rpm到7000rpm范围内，容易发生球管共振。因此，旋转阳极10应尽量避免在此范围内旋转。由X射线球管训管得到的曲线数据，存储到旋转阳极驱动装置的存储芯片7中。
本具体实施方式通过数据处理模块5对旋转阳极10进行控制，控制方法区别于现有技术。现有技术的控制方法包括启动准备阶段、曝光阶段和制动阶段，而本具体实施方式除了这三个阶段，还增加了维持运行阶段。本具体实施方式的控制方法如图4所示，如下：
启动准备阶段：数据处理模块5控制全桥逆变模块1的栅极输入信号，使得旋转阳极10在规定时间内启动；
曝光阶段：数据处理模块5控制全桥逆变模块1的栅极输入信号，使得旋转阳极10以规定速度维持旋转，数据处理模块5控制双向可控硅TR1的控制信号，使得副绕组32与全桥逆变模块1之间断开；
维持运行阶段：数据处理模块5记录用户曝光的时间和相邻两次曝光的间隔时间，对用户的曝光习惯进行学习，并推算本次曝光结束到下次曝光开始的等待时间，在等待时间结束前，数据处理模块5控制旋转阳极10维持旋转：在等待时间结束前，如果旋转阳极10的实时转速与共振频率带之间的差距在规定范围内，则改变PWM信号的电压和频率，驱动旋转阳极10加速，使得旋转阳极10的转速能够迅速越过共振频率带；在等待时间结束前，如果接收到曝光的命令，则数据处理模块5通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极10在规定时间内迅速达到能够曝光的转速，并通知上位机9可以进行曝光；如果在等待时间内没有接收到曝光的命令，则控制旋转阳极10进入制动阶段；
制动阶段：数据处理模块5通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极10的转速在规定时间内迅速越过共振频率带，之后旋转阳极10自由停止旋转。
Claims (8)
1.X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：包括全桥逆变模块(1)和电机，电机包括定子绕组和转子(33)，转子(33)连接阳极靶面(4)，定子绕组包括主绕组(31)和副绕组(32)，主绕组(31)的自由端和主副绕组的公共端分别与全桥逆变模块(1)连接，副绕组(32)与全桥逆变模块(1)之间设有双向可控硅TR1和启动电容C1，双向可控硅TR1的一端连接启动电容C1的一端，启动电容C1的另一端连接副绕组(32)的自由端，双向可控硅TR1的另一端连接全桥逆变模块(1)。
2.根据权利要求1所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：还包括整流滤波模块(2)，交流电源S1输入整流滤波模块(2)，经过整流滤波模块(2)后变成直流电，直流电再经过全桥逆变模块(1)变成给电机供电的交流电。
3.根据权利要求2所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：所述整流滤波模块(2)包括整流二极管D1，整流二极管D1的正极连接整流二极管D2的负极，整流二极管D3的正极连接整流二极管D4的负极，整流二极管D1的正极和整流二极管D4的负极分别连接交流电源S1的两端，整流二极管D1的负极与整流二极管D3的负极均连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接直流母线电容C2的一端，直流母线电容C2的另一端、整流二极管D2的正极和整流二极管D4的正极均相连，电阻R1的两端还并联有继电器J1。
4.根据权利要求1所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：所述全桥逆变模块(1)包括绝缘栅双极型晶体管T1，绝缘栅双极型晶体管T1的源极连接绝缘栅双极型晶体管T2的漏极，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的漏极，绝缘栅双极型晶体管T1的漏极和绝缘栅双极型晶体管T3的漏极连接直流电源的正极，四个绝缘栅双极型晶体管的栅极均输入PWM信号，绝缘栅双极型晶体管T2的源极和绝缘栅双极型晶体管T4的源极均连接直流电源的负极，绝缘栅双极型晶体管T1的源极分别连接双向可控硅TR1的另一端以及主绕组(31)的自由端，绝缘栅双极型晶体管T4的漏极连接主副绕组的公共端。
5.根据权利要求1所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：还包括数据处理模块(5)，数据处理模块(5)产生全桥逆变模块(1)栅极所需的PWM信号，以及双向可控硅TR1的控制信号。
6.根据权利要求5所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：还包括检测电阻R2、检测电阻R3和采样模块(6)，检测电阻R2连接在主绕组(31)自由端与全桥逆变模块(1)之间，检测电阻R3连接在主副绕组公共端与全桥逆变模块(1)之间，检测电阻R2的一端和检测电阻R3的一端分别连接采样模块(6)。
7.根据权利要求6所述的X射线管旋转阳极驱动装置，其特征在于：所述驱动装置启动时，数据处理模块(5)控制PWM信号的电压和频率增加，电压增加的速度和频率增加的速度之比为定值，数据处理模块(5)还根据采样模块(6)采样得到的电流大小控制PWM信号，使得PWM信号的电流保持在规定的最大启动电流以内。
8.采用如权利要求6所述的X射线管旋转阳极驱动装置控制旋转阳极的方法，其特征在于：包括启动准备阶段、曝光阶段、维持运行阶段和制动阶段，其中：
启动准备阶段：数据处理模块(5)控制全桥逆变模块(1)的栅极输入信号，使得旋转阳极(10)在规定时间内启动；
曝光阶段：数据处理模块(5)控制全桥逆变模块(1)的栅极输入信号，使得旋转阳极(10)以规定速度维持旋转，数据处理模块(5)控制双向可控硅TR1的控制信号，使得副绕组(32)与全桥逆变模块(1)之间断开；
维持运行阶段：数据处理模块(5)记录用户曝光的时间和相邻两次曝光的间隔时间，对用户的曝光习惯进行学习，并推算本次曝光结束到下次曝光开始的等待时间，在等待时间结束前，数据处理模块(5)控制旋转阳极(10)维持旋转：在等待时间结束前，如果旋转阳极(10)的实时转速与共振频率带之间的差距在规定范围内，则改变PWM信号的电压和频率，驱动旋转阳极(10)加速，使得旋转阳极(10)的转速越过共振频率带；在等待时间结束前，如果接收到曝光的命令，则数据处理模块(5)通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极(10)在规定时间内达到能够曝光的转速；如果在等待时间内没有接收到曝光的命令，则控制旋转阳极(10)进入制动阶段；
制动阶段：数据处理模块(5)通过控制PWM信号的电压和频率，使得旋转阳极(10)的转速在规定时间内越过共振频率带，之后旋转阳极(10)自由停止旋转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20161109 Assignee: ZHUHAI PERLEAD MEDICAL EQUIPMENT Co.,Ltd. Assignor: NANJING PERLOVE MEDICAL EQUIPMENT Co.,Ltd. Contract record no.: X2021320000031 Denomination of invention: X-ray tube rotating anode driving device and method of controlling rotating anode Granted publication date: 20170915 License type: Exclusive License Record date: 20210427 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |