一种用于医用电子枪栅极电源的输出自校正电路的制作方法

1.本发明涉及一种电源技术领域，具体涉及一种中高能医用电子直线加速器电子枪调制器的栅极电源。


背景技术：

2.放射治疗是恶性肿瘤治疗的一种重要手段，医用电子直线加速器在临床放射治疗应用中较为普及。中高能医用电子直线加速器可以提供电子线和x射线两种不同模式的治疗束，电子线用于治疗浅层肿瘤，x射线用于治疗深层肿瘤。将不同模式和能量的治疗束适当加权组合，使剂量分布更加接近病灶的形状，可提高治疗效果。
3.在中高能医用电子直线加速器应用中，能够稳定发射可控束流的栅控电子枪是系统的重要组成部分。为满足系统的多种工作模式，电子枪发射束流需要宽范围(1～500ma)调节，对应的栅极电源需与之相匹配，尤其在低档电子线时发射束流要求较小，栅极电源的稳定性尤为关键。需要设计一种用于栅极电源的输出自校正电路，其产生的高稳定度栅极电源，从而保证医用电子直线加速器的剂量稳定性和重复性。
4.目前中高能医用电子直线加速器，栅极电源采用开关电源体制，输出电压调节范围为(3v～300v)，实际输出电压值由电压基准v
ref
、取样比k确定。尤其在低档电子线应用场合下，发射束流要求较小，对应栅极电源输出值较低(实际占空比du较低)，易受器件离散性、环境温度变化等影响，另输出电压采样不仅参与闭环稳压，同时作为回授上传至上位机。由于运放的“虚短”特性(或控制系统负反馈作用)，反馈跟随基准，实际输出电压发生变化时，上位机界面的显示值可能并未变化，在每日晨检时，电子直线加速器的剂量率指标可能无法满足开展放疗的临床需要。此时需要对栅极电源进行人工调节，相关系统也需要进行重新标校，大大降低了工作效率。
5.现有技术方案的缺点主要表现如下：
6.(1)电子枪发射束流(特别在低档电子线下)不能长期稳定输出和精确调节，无法满足精准放疗的要求；
7.(2)需要进行人工校正，大大增加设备晨检时间，不利于工作效率的提升；
8.(3)栅极电源因悬浮在高电位上不易测量，对操作人员提出了较高的要求。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提供了一种用于医用电子枪栅极电源的输出自校正电路，通过合理配置独立采样网络，并结合双闭环控制结构，为医用电子直线加速器提供了输出自校正的栅极电源。
10.一种用于医用电子枪栅极电源的输出自校正电路，包括依次串联的低压侧控制单元、隔离传输单元、高压侧控制单元、栅极电源和独立采样网络；
11.所述低压侧控制单元，用于接收剂量率、环境温度、外部采样信号及输出电压反馈信号，产生校正后的基准信号并通过隔离传输单元传输至高压侧控制单元；
12.所述隔离传输单元，用于低压侧控制单元和高压侧控制单元之间的数据隔离传输；
13.所述高压侧控制单元，将校正后的基准信号经f/v变换后输出控制增量至栅极电源，同时接收栅极电源和独立采样网络的电压反馈信号，并将电压反馈信号通过隔离传输单元传输至低压侧控制单元；
14.所述栅极电源，用于接收高压侧控制单元的控制增量并产生稳定的栅极电压送至直线加速器，同时将输出电压反馈信号送至高压侧控制单元；
15.所述独立采样网络，用于对栅极电源的独立采样，并将采样的输出电压反馈信号送至高压侧控制单元。
16.进一步地，所述低压侧控制单元包括辅助电源、信号接口电路、信号隔离电路、串口电平转换电路、mcu微处理器和信号预处理电路；
17.所述信号隔离电路、信号接口电路、mcu微处理器依次串联，所述信号预处理电路分别与信号隔离电路、mcu微处理器相连，所述串口电平转换电路与mcu微处理器相连；
18.所述辅助电源经dc/dc变换，为低压侧控制单元各电路供电；
19.所述信号接口电路用于进行基准脉冲的v/f变换并送至信号隔离电路，并进行电压信号的f/v变换并送至mcu微处理器；
20.所述信号隔离电路用于对信号隔离和电平转换处理，并经过信号接口电路进行v/f变换、f/v变换，输出给mcu微处理器；
21.所述信号预处理电路对外部信号进行预处理输出给mcu微处理器；
22.所述mcu微处理器根据外部环境温度、基准信号和电压反馈信号进行环路运算输出相应的控制增量；
23.所述串口电平转换电路实现与外部控制系统通讯，将工作状态和实时数据上传，进行远程监测和控制。
24.进一步地，所述输出自校正电路的输出电压自动校正包括以下步骤：
25.步骤1：mcu微处理器接收温度传感器采样的外部工作环境温度，对内部各个采样信号进行温度补偿(以室温25℃作为参考基准，计算出当前的校正因子)，并使用温度补偿后的信号进行后续处理；
26.步骤2：独立采样网络的输出电压反馈信号v
fb2
、栅极电源的电压反馈信号v
fb1
经过信号预处理电路送至mcu微处理器进行比较，通过计算式得到栅极电压基准的偏差量；
27.步骤3：mcu微处理器将初始栅极电压基准v
ref
与栅极电压基准偏差量u(k)进行叠加，p运算得到剂量率的校正量v
ref
'；
28.步骤4：mcu微处理器将剂量率的校正量v
ref
'与外部输入的剂量率基准信号j
ref
叠加得到校正后的剂量率基准，与剂量率反馈信号j
fb
比较，送入pi控制器产生校正后的栅极电压基准u
ref
，并通过隔离传输单元和高压侧控制单元输出至栅极电源；
29.步骤5：栅极电源将校正后的栅极电压基准u
ref
送入pwm信号发生电路产生相应的pwm驱动信号控制开关管的开通与关断，以得到校正后的栅极电压送至直线加速器。
30.进一步地，所述步骤2中的计算式如下：
31.u(k)＝k
p1
×k×
e(k)，e(k)＝v
fb2
(k)-v
fb2
(k-1)
32.式中，δe＝v
fb1
(k)-v
fb2
(k)
33.其中：k:符号函数；k:独立采样网络第k次采样；e(k):独立采样网络该次反馈电压与上一次反馈电压的差值；δe:两个采样网络的反馈电压差值；ε：设定的大于0误差范围阈值。
34.进一步地，mcu微处理器完成的功能包括：
35.1：通过信号预处理电路接收外部环境温度，对内部各个信号进行相应的温度补偿；
36.2：通过信号隔离电路、信号接口电路和信号预处理电路接收两路电压反馈信号、剂量率基准信号以及剂量率反馈信号，内部进行相应的pi环路运算，得到相应的控制增量，以达到输出电压自动校正的目的；
37.3：对外串口通讯，经串口电平转换电路与外部控制系统通讯，采用标准rs485串口将工作状态和实时数据上传，进行远程监测和控制。
38.有益效果：
39.1、发射束流精确可控。本发明通过合理配置独立采样网络，即增加1路或者2路独立采样网络，通过共用v/f变换电路，兼顾了电路的通用性和实用性；并结合双闭环控制结构，即反馈电压偏差量与给定基准电压的闭环控制，剂量率检测值与给定剂量率的闭环控制，为医用电子直线加速器提供了输出自校正的栅极电源，实现了电子枪发射束流(特别在低档电子线下)长期稳定性和参数一致性，完全满足了精准放疗的要求。
40.2、本发明的输出自校正电路的输出电压自动校正步骤2通过计算式得到栅极电压基准的偏差量，该计算式利用独立采样网络得到偏差量并参与校正环路，从而实现输出自校正，通过比较判断ε的大小能够合理设置阈值门限，避免栅极电源输出在目标值附近上下跳动，产生振荡。
41.3、本发明能够对栅极电源独立采样，并将采样的输出电压反馈信号送至高压侧控制单元，无需进行人工校正，大大减少了设备晨检时间，大幅提高了工作效率。
附图说明
42.图1为本发明的一种用于医用电子枪栅极电源的输出自校正电路的原理框图。
43.图2为本发明的低压侧控制单元的电路框图。
44.图3为本发明的自动校正电路的控制示意图。
45.其中，1-低压侧控制单元，2-隔离传输单元，3-高压侧控制单元，4-栅极电源，5-独立采样网络，11-辅助电源，12-信号接口电路，13-信号隔离电路，14-串口电平转换电路，15-mcu微处理器，16-信号预处理电路。
具体实施方式
46.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
47.本发明提供了一种用于医用电子枪栅极电源的输出自校正电路，如图1所示，包括低压侧控制单元1、隔离传输单元2、高压侧控制单元3、栅极电源4及独立采样网络5，低压侧控制单元1、隔离单元2、高压侧控制单元3、栅极电源4、独立采样网络5依次串联；
48.低压侧控制单元1，用于接收剂量率、环境温度、外部采样信号及输出电压反馈信号，产生校正后的基准信号并通过隔离传输单元2传输至高压侧控制单元3。
49.隔离传输单元2，用于低压侧控制单元1和高压侧控制单元3之间的数据隔离传输。
50.高压侧控制单元3，将校正后的基准信号经f/v变换后输出控制增量至栅极电源4，同时接收栅极电源4和独立采样网络5的电压反馈信号，并将电压反馈信号通过隔离传输单元2传输至低压侧控制单元1。
51.所述栅极电源4，用于接收高压侧控制单元3的控制增量并产生稳定的栅极电压送至直线加速器，同时将输出电压反馈信号送至高压侧控制单元3。
52.所述独立采样网络5，用于对栅极电源4的独立采样，并将采样的输出电压反馈信号送至高压侧控制单元3。
53.如图2所示，为本发明的低压侧控制单元的电路框图，低压侧控制单元1包括辅助电源11、信号接口电路12、信号隔离电路13、串口电平转换电路14、mcu微处理器15和信号预处理电路16；其中，
54.信号隔离电路13、信号接口电路12、mcu微处理器15依次串联，所述信号预处理电路16分别与信号隔离电路13、mcu微处理器15相连，所述串口电平转换电路14与mcu微处理器15相连。
55.工作过程与原理：
56.外部电源+24v输入至辅助电源11，经dc/dc变换，为低压侧控制单元1各电路提供辅助电源d
±
12v、d+5v等。
57.信号隔离电路13用于对采样信号、输出信号的隔离和电平转换处理，有效地抑制直线加速器的强脉冲干扰，采样信号包括v
fb1
电压反馈信号1和v
fb2
电压反馈信号2，输出信号包括δu控制增量，完成信号隔离并送至信号接口电路12。
58.信号接口电路12用于进行基准脉冲的v/f变换并送至信号隔离电路13，进行电压信号的f/v变换并送至mcu微处理器15。
59.信号预处理电路16对外部信号进行预处理输出给mcu微处理器15，包括外部环境温度、剂量率反馈采样信号。
60.mcu微处理器15低压侧控制单元的核心，主要完成以下功能：
61.1)通过信号预处理电路16接收外部环境温度，对内部各个信号进行相应的温度补偿；
62.2)通过信号隔离电路13、信号接口电路12和信号预处理电路16接收两路电压反馈信号、剂量率基准信号以及剂量率反馈信号，内部进行相应的pi等环路运算，得到相应的控制增量，以达到输出电压自动校正的目的；
63.3)对外串口通讯，经串口电平转换电路14与外部控制系统通讯，采用标准rs485串口将工作状态和实时数据上传，进行远程监测和控制；
64.较佳地，输出电压自动校正的方法包括以下步骤：
65.步骤1：mcu微处理器接收温度传感器采样的外部工作环境温度，对内部各个采样信号进行温度补偿(以室温25℃作为参考基准，计算出当前的校正因子)，并使用温度补偿后的信号进行后续处理；
66.步骤2：独立采样网络的输出电压反馈信号v
fb2
、栅极电源的电压反馈信号v
fb1
经过
信号预处理电路送至mcu微处理器进行比较，通过下列计算式，得到栅极电压基准的偏差量；
67.设计偏差量u(k)的数学表达式为：
68.u(k)＝k
p1
×k×
e(k)，e(k)＝v
fb2
(k)-v
fb2
(k-1)
69.式中，δe＝v
fb1
(k)-v
fb2
(k)
70.其中：k:符号函数；k:独立采样网络第k次采样；e(k):独立采样网络该次反馈电压与上一次反馈电压的差值；δe:两个采样网络的反馈电压差值；ε：设定的大于0误差范围阈值。
71.步骤3：mcu微处理器将初始栅极电压基准v
ref
与栅极电压基准偏差量u(k)进行叠加，p运算得到剂量率的校正量v
ref
'；
72.步骤4：mcu微处理器将剂量率的校正量v
ref
'与外部输入的剂量率基准信号j
ref
叠加得到校正后的剂量率基准，与剂量率反馈信号j
fb
比较，送入pi控制器产生校正后的栅极电压基准u
ref
，并通过隔离传输单元和高压侧控制单元输出至栅极电源；
73.步骤5：栅极电源将校正后的栅极电压基准u
ref
送入pwm信号发生电路产生相应的pwm驱动信号控制开关管的开通与关断，以得到校正后的栅极电压送至直线加速器。
74.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。