基于晶闸管导通角控制的脉宽调制旋转阳极控制技术的设计与实验

2021-03-26皮旭娇孙达本

医疗装备 2021年5期

皮旭娇，孙达本

江苏医药职业学院医学影像学院（江苏盐城 224006）

目前，X 线检查设备通常包括数字化X 线摄影（digital radiography，DR）、数字减影血管造影（digital subtract angiography，DSA）、CT、乳腺机、数字胃肠机等，又或可根据支持装置分为固定机、移动床边机、C 型臂、U 型臂等。X 线的产生离不开X 线管，X 线管的工作条件通常包括3个模块的控制，分别为管电压控制、管电流控制和旋转阳极控制。

随着整机高度集成化的发展，设备的价格日趋昂贵，淘汰周期逐渐缩短，医疗设备生命周期通常为5～8年，一台中档DR，价格通常为50万～100万，每年维保投入占设备成本的8%～10%，加上场地需求、防护检测，固有设施建设费用不低于10万/台，由此折算教学成本极为昂贵。

在此背景下，我们尝试提炼技术模块流程，搭建框图，设计电路，调试再现后生产相应的模块实验器具[1]。本研究主要采用了基于晶闸管导通角控制的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）控制技术，重现旋转阳极的控制手段及测试流程，模拟X 线检查设备的真实控制技术及检修步骤，通过示教器具实践训练，可以达到培训仪器仪表使用能力、电路分析能力、故障排查能力的目的[2-3]。

1 系统框架

旋转阳极工作原理：为达到增加实际焦点的面积，同时不降低管电流的目的，将阳极靶面设计为旋转阳极工作模式，要求在摄影预备状态下，旋转阳极开始启动，并对旋转阳极启动状态进行检测，若检测通过，曝光指令可以继续执行，若检测不通过，则中断曝光流程。简言之，旋转阳极电路的基本要求是能按照指令瞬时加减速，可靠运转，在运转出现异常或停止旋转时，通知高压发生器终止曝光流程。

普通X 线机多采用单相交流异步电动机，旋转阳极由定子和转子两部分组成，转子即阳极靶面，定子又分为工作绕组、启动绕组，通过剖相电容（又称分相电容）进行启动。

基本工作流程分为摄影和透视两个状态。摄影时，曝光预备指令下达0.8～1.2 s（中速管，实际转速约2 800 r/min），全速启动，对旋转阳极工作绕组和启动绕组分别进行状态检测，若检测通过，旋转阳极进入维持状态，则流程正常，若检测不通过，则流程中断，设备出现故障代码；透视时，踩下透视脚闸，设备立刻进入维持状态，低速启动。即摄影时全速启动后进入维持状态，对全速启动进行检测；透视时直接进入维持状态。这与透视和摄影的负载不同有关，摄影的负载容量是透视的数十倍至数百倍，故而对旋转阳极转速要求高，而透视负载小，旋转阳极是否转动对于中速管而言均可，对于高速管则透视时处于慢转速预备状态，以保证摄影指令到来时能迅速达到8 500 r/min 的要求，缩短预备时间，高速管允许预备时间通常为2.4 s。

图1 北京万东HF500旋转阳极调压装置

2 技术提炼

针对旋转阳极控制技术，不同厂家的设计理念不尽相同，一般可分为启动、延时、降压、保护等过程，具体实现手段略有差异。

2.1 高压启动、低压维持

江苏鱼跃医疗设备股份有限公司（原上海医疗器械厂）生产的多系列控制台，通常是对工作绕组和启动绕组进行全速运转状态检测，若检测通过，则降低供电电压（常采用双回路供电，根据状态检测切换供电电源）或在供电回路中串入电阻进行分压的手段。

北京万东医疗科技有限公司（简称：北京万东）生产的相关系列控制台，早期无降压措施，一直处于高压运转状态（因曝光时间短忽略维持状态），后期在自主研发高频系列中采用三端调压块，CPU 根据曝光指令的不同时段发出不同对应的编码，该编码通过SW1拨码开关控制八选一通道U1的CBA 编码信号，从而控制将X1、X2、X5、X6数值送至三端调压块SD1的5脚，该电位的高低决定了SD1输出电压的大小（输出电压经由SD1的2、3脚输出），共分为4 个状态，即TUBE1 管位（透视状态）的启动态（/START）和维持态（/RUN）、TUBE2（摄影状态）的启动态和维持态，4种状态分别受控于4个可调电阻（VR1～4），4种状态的检测点分别为TP5、6、7、9，最终达到控制和切换启动电压和维持电压大小的目的，如图1[4]。

2.2 延时保护技术

与启动电路配套的是延时电路，该电路通常提供0.8～1.2 s 的旋转阳极启动时间，在该时间段内阳极得到一个较高的启动电压，同时X 线机不可以进行曝光；延时结束后，旋转阳极启动正常，此时方可给X 线管施加高压以产生X 线。

延时作为旋转阳极的保护措施，若无延时电路，则有出现在X 线管启动不完全、转速不足的情况下进行曝光，靶面因转速不够、过热而损坏的风险。我们以北京万东FSK302系列旋转阳极延时及其保护电路为例，电容C11充电至翻转电平，JD7方可工作，若JD7不工作则曝光不可进行，而电容C11是在曝光预备指令下达后才可以工作的，且充电时间受控于R40，该时间调节在0.8～1.2 s 即可，此即为延时保护控制电路，如图2。

2.3 旋转阳极启动及状态检测电路

旋转阳极状态检测分为工作绕组和启动绕组两部分。通常情况下，在工作绕组中串接电流互感器（B6），在启动绕组回路中串接电流互感器或在剖相电容上并接电压互感器（B8）均可[5]。当检测异常时，则图3中的C11被箝位，导致JD7无法工作，设备处于旋转阳极启动保护状态。

总之，针对旋转阳极控制技术，主要考虑的部分包括全速启动低压维持的切换措施、延时装置及延时装置对切换的控制作用、旋转阳极检测装置和显示应对措施。

3 模块设计

3.1 设计框图

实验箱重现主要分为供电电源、供电控制方式、延时装置、手闸与脚闸模拟装置、旋转阳极工作绕组和启动绕组及剖相电容、旋转阳极状态检测装置、信号处理及显示装置等模块。

3.2 全速启动与低压维持切换电路设计

图2 北京万东FSK302系列旋转阳极延时及保护电路

图3 启动与维持状态切换电路

图3中TH1为双向晶闸管，负责接通工作绕组和启动绕组电源，其导通相位决定了旋转阳极工作绕组和启动绕组的得电电压波形，若0°导通角，则220 V 电源全部通过，此时属于全速启动状态。TH1的触发信号受控于Q5、光耦IC8和Q1等，当光耦IC8导通后，则DZ2的12 V 电源直接加给双向晶闸管，所以控制Q1的导通角即可控制双向可控硅的导通角。

Q1的状态取决于差分运算放大器IC4的同相输入端2脚与反相输入端3脚的电平比较。2脚为一基准信号；3脚信号受控于RP2，若3脚为0 V，则IC8过零点即得电，双向晶闸管TH1过零点即导通，若3脚电位增加，则触发角度后移，双向晶闸管导通角后移，工作电源变低，此时即为维持状态。

由图3可知，启动状态或维持状态的切换是由3脚电位确定的，而3脚电位受控于电容C8。

3.3 延时电路设计

图4中KR 是模拟摄影手闸一挡预备曝光开关，KF 是模拟透视脚闸[6]。延时电路仅用在摄影时，当按下摄影KR，则KA1工作，电源VDD、VCC 产生，电容C8电压不可突变维持低电平，此时差分运算放大器IC4反相输入端为0 V，光耦IC8过零点导通，设备处于全速启动状态。随着时间的延长，C8被充电至翻转电平，充电速度取决于RP1，通常调制在0.8～1.2 s。当C8充电至翻转电平后，通过RP2调制后，3脚电位上升，从而导致导通角后移，触发有效脉宽变窄，旋转阳极进入维持状态。