X射线管高压电源设计及稳压控制方法研究

摘要

自X射线发现以来，X射线在医学和工业生产中得到了广泛的应用。传统的X射线管采用工频整流高压电源，电源体积庞大、效率低、功耗高，输出X射线的稳定性差。本文将开关电源技术和单片微型计算机控制技术应用到X射线管高压电源的研制中，设计并研制了一台最高输出30KV直流电压，最大输出2.5mA管电流的X射线管高压电源，并且对高压电源稳压控制方法进行了研究。
　　本论文的主要研究内容如下：
　　(1)首先阐述了课题的背景，介绍了X射线发射原理及射线管伏安特性曲线，在了解国内外X射线管高压电源系统的基础上，提出了该高压电源的性能指标，分析了本系统的结构组成和实现原理，以及本系统的硬件、软件总体结构设计。
　　(2)设计了X射线管高压电源控制系统。本系统以DSP芯片TMS320F2812为核心，实现直流高压、管电流稳定输出，过压过流保护及指示和直流高压、管电流显示等功能;通过CAN总线与上位机通信，接受上位机远程控制以及将电压电流采样信号发送给上位机。
　　(3)设计了X射线管高压电源硬件电路，对高压电源的主要功能模块进行分析，详细介绍了各模块电路的设计方法和参数计算。在硬件基础上对X射线管高压电源进行软件开发，对系统各模块初始化程序和功能程序进行了介绍。
　　(4)对系统稳压控制方法进行研究。为获得稳定性高的输出电压，高压电源须采用闭环控制。本系统在选用PID控制方法实现稳压的基础上，对滑模变结构控制方法在本系统中的控制效果进行了探讨:在开环系统数学模型建立的基础上，利用Matlab/Simulink仿真，比较了两种控制方法的动态性能和鲁棒性。仿真结果证明了滑模变结构控制在本系统中的优势。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 X射线产生原理及X射线管伏安特性曲线

1．3 国内外研究现状和发展趋势

1．4 论文主要工作及章节安排

第2章 高压电源总体方案设计

2．1 高压电源的性能指标

2．2 高压电源系统原理结构图和实现原理分析

2．2．1 高压电源系统原理结构图

2．2．2 高压电源实现原理分析

2．3 高压电源硬件结构设计

2．4 高压电源软件结构设计

2．5 本章小结

第3章 高压电源硬件电路设计

3．1 TMS320F2812最小系统电路设计

3．1．1 TMS320F2812内部资源介绍

3．1．2 TMS320F2812最小系统电路

3．2 PWM发生电路设计

3．3 逆变谐振电路设计

3．3．1 逆变电路拓扑结构的比较

3．3．2 逆变电路开关管工作模式的选择

3．3．3 逆变电路软开关技术的实现

3．3．4 逆变电路参数计算

3．4 高频变压器的设计

3．4．1 高频变压器特性分析

3．4．2 高频变压器参数计算

3．5 倍压整流电路的设计

3．5．1 倍压整流电路工作原理

3．5．2 倍压整流电路参数计算

3．6 采样反馈电路设计

3．6．1 电压采样反馈电路设计

3．6．2 电流采样反馈电路设计

3．7 远端控制电路设计

3．7．1 CAN总线的特点

3．7．2 CAN总线与RS-485总线特性比较

3．7．3 CAN总线网络结构

3．7．4 CAN总线接口电路设计

3．8 输入和输出控制电路设计

3．8．1 输入控制电路设计

3．8．2 模拟量输出电路设计

3．8．3 显示电路设计

3．8．4 过压、过流指示电路设计

3．9 灯丝电流源电路设计

3．10 本章小结

第4章 高压电源软件开发

4．1 软件开发环境介绍

4．1．1 CCS3．3软件开发环境介绍

4．1．2 Visual C++软件开发环境介绍

4．2 系统初始化程序设计

4．2．1 DSP初始化程序设计

4．2．2 主要外设初始化程序设计

4．3 各功能模块程序开发

4．3．1 PID控制算法程序

4．3．2 定时器Timer0中断程序

4．3．3 AD采样程序

4．3．4 CAN总线通讯程序

4．3．5 SCI通讯程序

4．3．6 上位机界面的开发

4．4 本章小结

第5章 高压电源稳压控制回路先进控制方法研究

5．1 滑模变结构控制方法介绍

5．2 高压电源数学模型建立及控制器的设计

5．2．1 高压电源数学模型建立

5．2．2 基于滑模变结构控制方法的控制器设计

5．3 系统仿真实验及结果分析

5．3．1 系统开环仿真实验

5．3．2 基于PID控制方法的闭环仿真实验

5．3．3 基于滑模变结构控制方法的闭环仿真实验

5．3．4 仿真实验分析总结

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢