基于晶閘管導(dǎo)通角控制的脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)陽極控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

皮旭嬌，孫達(dá)本

江蘇醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 （江蘇鹽城 224006）

目前，X 線檢查設(shè)備通常包括數(shù)字化X 線攝影（digital radiography，DR）、數(shù)字減影血管造影（digital subtract angiography，DSA）、CT、乳腺機(jī)、數(shù)字胃腸機(jī)等，又或可根據(jù)支持裝置分為固定機(jī)、移動(dòng)床邊機(jī)、C 型臂、U 型臂等。X 線的產(chǎn)生離不開X 線管，X 線管的工作條件通常包括3個(gè)模塊的控制，分別為管電壓控制、管電流控制和旋轉(zhuǎn)陽極控制。

隨著整機(jī)高度集成化的發(fā)展，設(shè)備的價(jià)格日趨昂貴，淘汰周期逐漸縮短，醫(yī)療設(shè)備生命周期通常為5～8年，一臺(tái)中檔DR，價(jià)格通常為50萬～100萬，每年維保投入占設(shè)備成本的8%～10%，加上場(chǎng)地需求、防護(hù)檢測(cè)，固有設(shè)施建設(shè)費(fèi)用不低于10萬/臺(tái)，由此折算教學(xué)成本極為昂貴。

在此背景下，我們嘗試提煉技術(shù)模塊流程，搭建框圖，設(shè)計(jì)電路，調(diào)試再現(xiàn)后生產(chǎn)相應(yīng)的模塊實(shí)驗(yàn)器具[1]。本研究主要采用了基于晶閘管導(dǎo)通角控制的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制技術(shù)，重現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極的控制手段及測(cè)試流程，模擬X 線檢查設(shè)備的真實(shí)控制技術(shù)及檢修步驟，通過示教器具實(shí)踐訓(xùn)練，可以達(dá)到培訓(xùn)儀器儀表使用能力、電路分析能力、故障排查能力的目的[2-3]。

1 系統(tǒng)框架

旋轉(zhuǎn)陽極工作原理：為達(dá)到增加實(shí)際焦點(diǎn)的面積，同時(shí)不降低管電流的目的，將陽極靶面設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)陽極工作模式，要求在攝影預(yù)備狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)陽極開始啟動(dòng)，并對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)通過，曝光指令可以繼續(xù)執(zhí)行，若檢測(cè)不通過，則中斷曝光流程。簡(jiǎn)言之，旋轉(zhuǎn)陽極電路的基本要求是能按照指令瞬時(shí)加減速，可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常或停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，通知高壓發(fā)生器終止曝光流程。

普通X 線機(jī)多采用單相交流異步電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)陽極由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子即陽極靶面，定子又分為工作繞組、啟動(dòng)繞組，通過剖相電容（又稱分相電容）進(jìn)行啟動(dòng)。

基本工作流程分為攝影和透視兩個(gè)狀態(tài)。攝影時(shí)，曝光預(yù)備指令下達(dá)0.8～1.2 s（中速管，實(shí)際轉(zhuǎn)速約2 800 r/min），全速啟動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極工作繞組和啟動(dòng)繞組分別進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，若檢測(cè)通過，旋轉(zhuǎn)陽極進(jìn)入維持狀態(tài)，則流程正常，若檢測(cè)不通過，則流程中斷，設(shè)備出現(xiàn)故障代碼；透視時(shí)，踩下透視腳閘，設(shè)備立刻進(jìn)入維持狀態(tài)，低速啟動(dòng)。即攝影時(shí)全速啟動(dòng)后進(jìn)入維持狀態(tài)，對(duì)全速啟動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)；透視時(shí)直接進(jìn)入維持狀態(tài)。這與透視和攝影的負(fù)載不同有關(guān)，攝影的負(fù)載容量是透視的數(shù)十倍至數(shù)百倍，故而對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極轉(zhuǎn)速要求高，而透視負(fù)載小，旋轉(zhuǎn)陽極是否轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于中速管而言均可，對(duì)于高速管則透視時(shí)處于慢轉(zhuǎn)速預(yù)備狀態(tài)，以保證攝影指令到來時(shí)能迅速達(dá)到8 500 r/min 的要求，縮短預(yù)備時(shí)間，高速管允許預(yù)備時(shí)間通常為2.4 s。

圖1 北京萬東HF500旋轉(zhuǎn)陽極調(diào)壓裝置

2 技術(shù)提煉

針對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極控制技術(shù)，不同廠家的設(shè)計(jì)理念不盡相同，一般可分為啟動(dòng)、延時(shí)、降壓、保護(hù)等過程，具體實(shí)現(xiàn)手段略有差異。

2.1 高壓?jiǎn)?dòng)、低壓維持

江蘇魚躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司（原上海醫(yī)療器械廠）生產(chǎn)的多系列控制臺(tái)，通常是對(duì)工作繞組和啟動(dòng)繞組進(jìn)行全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測(cè)，若檢測(cè)通過，則降低供電電壓（常采用雙回路供電，根據(jù)狀態(tài)檢測(cè)切換供電電源）或在供電回路中串入電阻進(jìn)行分壓的手段。

北京萬東醫(yī)療科技有限公司（簡(jiǎn)稱：北京萬東）生產(chǎn)的相關(guān)系列控制臺(tái)，早期無降壓措施，一直處于高壓運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（因曝光時(shí)間短忽略維持狀態(tài)），后期在自主研發(fā)高頻系列中采用三端調(diào)壓塊，CPU 根據(jù)曝光指令的不同時(shí)段發(fā)出不同對(duì)應(yīng)的編碼，該編碼通過SW1撥碼開關(guān)控制八選一通道U1的CBA 編碼信號(hào)，從而控制將X1、X2、X5、X6數(shù)值送至三端調(diào)壓塊SD1的5腳，該電位的高低決定了SD1輸出電壓的大小（輸出電壓經(jīng)由SD1的2、3腳輸出），共分為4 個(gè)狀態(tài)，即TUBE1 管位（透視狀態(tài)）的啟動(dòng)態(tài)（/START）和維持態(tài)（/RUN）、TUBE2（攝影狀態(tài)）的啟動(dòng)態(tài)和維持態(tài)，4種狀態(tài)分別受控于4個(gè)可調(diào)電阻（VR1～4），4種狀態(tài)的檢測(cè)點(diǎn)分別為TP5、6、7、9，最終達(dá)到控制和切換啟動(dòng)電壓和維持電壓大小的目的，如圖1[4]。

2.2 延時(shí)保護(hù)技術(shù)

與啟動(dòng)電路配套的是延時(shí)電路，該電路通常提供0.8～1.2 s 的旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)時(shí)間，在該時(shí)間段內(nèi)陽極得到一個(gè)較高的啟動(dòng)電壓，同時(shí)X 線機(jī)不可以進(jìn)行曝光；延時(shí)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)正常，此時(shí)方可給X 線管施加高壓以產(chǎn)生X 線。

延時(shí)作為旋轉(zhuǎn)陽極的保護(hù)措施，若無延時(shí)電路，則有出現(xiàn)在X 線管啟動(dòng)不完全、轉(zhuǎn)速不足的情況下進(jìn)行曝光，靶面因轉(zhuǎn)速不夠、過熱而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。我們以北京萬東FSK302系列旋轉(zhuǎn)陽極延時(shí)及其保護(hù)電路為例，電容C11充電至翻轉(zhuǎn)電平，JD7方可工作，若JD7不工作則曝光不可進(jìn)行，而電容C11是在曝光預(yù)備指令下達(dá)后才可以工作的，且充電時(shí)間受控于R40，該時(shí)間調(diào)節(jié)在0.8～1.2 s 即可，此即為延時(shí)保護(hù)控制電路，如圖2。

2.3 旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)及狀態(tài)檢測(cè)電路

旋轉(zhuǎn)陽極狀態(tài)檢測(cè)分為工作繞組和啟動(dòng)繞組兩部分。通常情況下，在工作繞組中串接電流互感器（B6），在啟動(dòng)繞組回路中串接電流互感器或在剖相電容上并接電壓互感器（B8）均可[5]。當(dāng)檢測(cè)異常時(shí)，則圖3中的C11被箝位，導(dǎo)致JD7無法工作，設(shè)備處于旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)保護(hù)狀態(tài)。

總之，針對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極控制技術(shù)，主要考慮的部分包括全速啟動(dòng)低壓維持的切換措施、延時(shí)裝置及延時(shí)裝置對(duì)切換的控制作用、旋轉(zhuǎn)陽極檢測(cè)裝置和顯示應(yīng)對(duì)措施。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)框圖

實(shí)驗(yàn)箱重現(xiàn)主要分為供電電源、供電控制方式、延時(shí)裝置、手閘與腳閘模擬裝置、旋轉(zhuǎn)陽極工作繞組和啟動(dòng)繞組及剖相電容、旋轉(zhuǎn)陽極狀態(tài)檢測(cè)裝置、信號(hào)處理及顯示裝置等模塊。

3.2 全速啟動(dòng)與低壓維持切換電路設(shè)計(jì)

圖2 北京萬東FSK302系列旋轉(zhuǎn)陽極延時(shí)及保護(hù)電路

圖3 啟動(dòng)與維持狀態(tài)切換電路

圖3中TH1為雙向晶閘管，負(fù)責(zé)接通工作繞組和啟動(dòng)繞組電源，其導(dǎo)通相位決定了旋轉(zhuǎn)陽極工作繞組和啟動(dòng)繞組的得電電壓波形，若0°導(dǎo)通角，則220 V 電源全部通過，此時(shí)屬于全速啟動(dòng)狀態(tài)。TH1的觸發(fā)信號(hào)受控于Q5、光耦I(lǐng)C8和Q1等，當(dāng)光耦I(lǐng)C8導(dǎo)通后，則DZ2的12 V 電源直接加給雙向晶閘管，所以控制Q1的導(dǎo)通角即可控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。

Q1的狀態(tài)取決于差分運(yùn)算放大器IC4的同相輸入端2腳與反相輸入端3腳的電平比較。2腳為一基準(zhǔn)信號(hào)；3腳信號(hào)受控于RP2，若3腳為0 V，則IC8過零點(diǎn)即得電，雙向晶閘管TH1過零點(diǎn)即導(dǎo)通，若3腳電位增加，則觸發(fā)角度后移，雙向晶閘管導(dǎo)通角后移，工作電源變低，此時(shí)即為維持狀態(tài)。

由圖3可知，啟動(dòng)狀態(tài)或維持狀態(tài)的切換是由3腳電位確定的，而3腳電位受控于電容C8。

3.3 延時(shí)電路設(shè)計(jì)

圖4中KR 是模擬攝影手閘一擋預(yù)備曝光開關(guān)，KF 是模擬透視腳閘[6]。延時(shí)電路僅用在攝影時(shí)，當(dāng)按下攝影KR，則KA1工作，電源VDD、VCC 產(chǎn)生，電容C8電壓不可突變維持低電平，此時(shí)差分運(yùn)算放大器IC4反相輸入端為0 V，光耦I(lǐng)C8過零點(diǎn)導(dǎo)通，設(shè)備處于全速啟動(dòng)狀態(tài)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，C8被充電至翻轉(zhuǎn)電平，充電速度取決于RP1，通常調(diào)制在0.8～1.2 s。當(dāng)C8充電至翻轉(zhuǎn)電平后，通過RP2調(diào)制后，3腳電位上升，從而導(dǎo)致導(dǎo)通角后移，觸發(fā)有效脈寬變窄，旋轉(zhuǎn)陽極進(jìn)入維持狀態(tài)。

3.4 旋轉(zhuǎn)陽極檢測(cè)及其信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)陽極檢測(cè)信號(hào)來自電流互感器TA1、TA2，其檢測(cè)信號(hào)經(jīng)IC7A、7B 及Q3、4放大后觸發(fā)單穩(wěn)[7]，如圖5所示，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)達(dá)到觸發(fā)單穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)通過，指示燈LD3燃亮，若檢測(cè)信號(hào)不足以觸發(fā)單穩(wěn)，則檢測(cè)不通過。

4 結(jié)語

本研究主要設(shè)計(jì)了一款旋轉(zhuǎn)陽極實(shí)驗(yàn)箱，相比傳統(tǒng)的利用整機(jī)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐手段而言，該實(shí)驗(yàn)箱功能齊全，價(jià)格低廉，場(chǎng)地要求低，工位數(shù)易滿足，且故障演示方便、風(fēng)險(xiǎn)低，檢測(cè)角度完善，方便高效，具有較高的推薦價(jià)值[8]。

圖4 延時(shí)電路

圖5 旋轉(zhuǎn)陽極實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)圖