一種便攜式X 射線源控制器研制

2021-06-22 08:28:42魏善武徐陳勇

機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2021年3期

魏善武，徐陳勇

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

電池供電便攜式X 射線源主要用于無損檢測、安全檢查領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域也有少量應(yīng)用。在安全檢查領(lǐng)域，該類X 射線源配以合適的成像系統(tǒng)，由于其攜帶方便、操作簡單、適應(yīng)性強，被安全部門等廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場下發(fā)現(xiàn)的可疑物品和包裹的EOD 排爆處置，移動搜查武器彈藥和違禁物品，以及在機場和海關(guān)等領(lǐng)域不能用常規(guī)掃描裝置探測的特大型物件。它能夠有效、快捷、安全的對突發(fā)恐怖事件威脅做出響應(yīng)。電池供電便攜式X 射線源由于高壓和束流可調(diào)，可根據(jù)不同的可疑對象選擇相應(yīng)的工作參數(shù)，從而提高圖像的質(zhì)量。對同一包裹拍攝不同X 射線能量下的圖像，方便操作者更好的判讀圖像。本文介紹了一種36V 鋰電池供電，輸出可到120kV/1mA 的便攜式X 射線源配套的控制器，該控制器采用電力電子技術(shù)作為基礎(chǔ)，高壓升壓及燈絲供電采用高頻逆變技術(shù)，閉環(huán)反饋信號調(diào)理及系統(tǒng)管理分別采用SG3525 和STM32F103。

1 X 射線源工作構(gòu)成

X 射線管是人工產(chǎn)生X 射線源的主要器件，其工作原理見參考文獻[1]。

熱陰極X 射線源在給燈絲提供足夠的電源后，在陰陽兩極施加一定電勢差的高壓，就能發(fā)射X 射線。為滿足一臺熱陰極X 射線源正常工作，其控制器必須包括高壓控制部分和燈絲加熱控制部分。系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 X 射線源工作系統(tǒng)Fig.1 X-ray source working system

2 控制系統(tǒng)及電路設(shè)計

本文設(shè)計基于36V 鋰電池的便攜式X 射線源用控制器，其輸入直流電壓低，尺寸要求小，系統(tǒng)操作方便等。根據(jù)應(yīng)用需要，系統(tǒng)必須進行閉環(huán)控制使得輸出穩(wěn)定；參數(shù)便于設(shè)置和顯示；同時整個系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測，可上位機操作。本文采用高頻逆變，結(jié)合脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制[2]和單片機技術(shù)，設(shè)計的便攜式控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 控制器系統(tǒng)Fig.2 Control system

2.1 高壓發(fā)生器及采樣

高壓發(fā)生器方面，系統(tǒng)先通過升壓變壓器進行一次升壓，然后再通過正負雙極倍壓電路來進行二次升壓，從而達到目標電壓同時降低自身打火和放電，提高絕緣性能[3]，拓撲結(jié)構(gòu)見圖3。變壓器設(shè)計升壓后輸出5kV，這里采用6 級倍壓，基于倍壓原理[1]可知，可以得到最高的正負電壓均為60kV，電勢差為120kV。

圖3 高壓發(fā)生器拓撲Fig.3 High voltage generator topology

采樣網(wǎng)絡(luò)中整個高壓部分采用約1：57000 的分壓方案，即120kV 采樣約2.1V。管電流采用1k 的高精度電阻進行電流與電壓轉(zhuǎn)換，即1V 代表1mA。

2.2 高壓及燈絲加熱部分高頻逆變

此控制器輸入為36V 直流電壓，高壓變壓器輸出達5kV，結(jié)合電力電子中各逆變拓撲特點和實際需要，這里選擇全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路，其工作原理見參考文獻[2]，該電路簡圖見圖4，其中增加了RC 能量吸收電路，使得開關(guān)管損耗減小，電路可靠性增加。通過實驗調(diào)整，工作頻率最終選取為約20kHz，由全橋電路原理可知，電路工作后可以提供逆變波形幅值為±36V 的交流電壓，為高壓變壓器原邊提供能量。

燈絲加熱功率在十瓦左右就能滿足X 射線發(fā)射要求，同時考慮原副邊變比和高壓絕緣處理，故燈絲電源部分采用半橋拓撲方案[4-5]，如圖5 所示。

圖4 高壓部分全橋逆變拓撲Fig.4 Full bridge inverter topology of high voltage part

圖5 燈絲電源拓撲Fig.5 Filament power topology

為使逆變電路可靠的工作，其開關(guān)管驅(qū)動設(shè)計非常重要。開關(guān)管的驅(qū)動方式主要有光耦隔離、變壓器隔離、芯片驅(qū)動等[6-7]，本文中所用金屬-氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET， MOS）的驅(qū)動均選擇隔離變壓器驅(qū)動方式，該方式電路結(jié)構(gòu)簡單，項目中使用較多，工作穩(wěn)定可靠，實際使用的簡化電路見圖6。

圖6 基于隔離變壓器的開關(guān)管驅(qū)動電路Fig.6 Drive circuit of switch tube based on isolation transformer

2.3 系統(tǒng)閉環(huán)控制

為保證輸出高壓和管電流達到預設(shè)置值以及輸出質(zhì)量，高壓及管電流的控制均采用模擬方式閉環(huán)控制。脈寬調(diào)制芯片均采用SG3525，該芯片工作電壓8V～35V、工作頻率為100Hz～400kHz、灌/拉電流達400mA、具備死區(qū)可調(diào)，欠壓鎖定，軟啟動等特點。系統(tǒng)取樣信號（高壓、管電流）經(jīng)過接口電路送入控制板再經(jīng)過濾波處理得到最終需要的信號，該信號和設(shè)定值進行PID 運算和PWM 調(diào)制，產(chǎn)生滿足要求的高壓和燈絲加熱調(diào)節(jié)所需的PWM 脈寬。由于該控制器中高壓及管電流的PID部分單獨運算，此處只做PWM 產(chǎn)生及輸出，故參數(shù)二者基本一致。

本文實際使用中的SG3525 外圍參數(shù)見圖7，圖8。

圖7 高壓部分控制芯片及外部電路Fig.7 High voltage part control chip and external circuit

圖8 燈絲加熱部分控制芯片及外部電路Fig.8 Control chip and external circuit of filament heating part

2.4 數(shù)字控制系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)用需要及操作方便的設(shè)計原則，整個控制器加入了基于STM32F103 處理器為核心的數(shù)字控制，同時使用觸控屏作為人機交互。數(shù)字系統(tǒng)的功能框圖見圖9。

其中系統(tǒng)設(shè)置與采樣主要包括：參數(shù)設(shè)置和采樣、有線無線控制、電源選擇；系統(tǒng)監(jiān)測及保護主要包括：系統(tǒng)主要部件溫度監(jiān)測、參數(shù)值監(jiān)測、故障保護；IO 控制主要包括：使用干接點進行系統(tǒng)控制、輸出聲光指示；有線無線控制功能是遠程或本地的系統(tǒng)控制；觸摸屏顯示主要是把以上功能全部集中顯示，便于人機交互。