一种点扫描电源装置的控制方法及点扫描电源装置

本发明涉及点扫描，尤其涉及一种点扫描电源装置的控制方法及点扫描电源装置。

背景技术：

1、点扫描技术是当代重离子/质子肿瘤治疗的核心技术，其通过控制扫描磁铁的电流快速变化，将粒子束精准引导至肿瘤靶区的不同位置，实现精准治疗。点扫描磁铁电源的动态响应速度和电流控制精度直接决定了束流扫描的定位精度和治疗效果。随着重离子/质子治疗装置的小型化，扫描电源的电流电压也越来越高。现有技术中单高压h桥方案，为克服扫描磁铁大电感的反电动势，需采用高压供电。但高压开关器件开关损耗大，只能工作在较低开关频率，导致电流纹波大、控制精度低，且动态响应速度受限，难以满足电流快速上升和高平台精度的要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种点扫描电源装置的控制方法及点扫描电源装置，用以解决现有点扫描磁铁电源在大电感负载下响应速度和控制精度的缺陷。本发明兼顾动态响应速度与电流控制精度，适用于重离子/质子加速器点扫描治疗系统。

2、本发明提供一种点扫描电源装置的控制方法，应用于点扫描电源装置，所述点扫描电源装置包括第一电压单元和第二电压单元，扫描磁铁负载的第一端与所述第一电压单元的输出端电连接，所述扫描磁铁负载的第二端与所述第二电压单元的输出端电连接，所述第一电压单元的供电电压大于所述第二电压单元的供电电压；所述点扫描电源装置的控制方法，包括：根据电流平台间的数值关系，确定分电流段控制策略；在所述电流平台间的数值关系小于第一预设阈值的情况下，所述分电流段控制策略为第二电压单元供电，第一电压单元续流；在所述电流平台间的数值关系不小于所述第一预设阈值的情况下，所述分电流段控制策略为根据扫描磁铁负载的负载电流与目标电流的数值关系，确定分时控制策略；在所述扫描磁铁负载的负载电流与目标电流的数值关系大于第二预设阈值的情况下，所述分时控制策略为第一电压单元供电，第二电压单元续流，负载电流处于电流上升阶段或电流下降阶段；在所述扫描磁铁负载的负载电流与目标电流的数值关系不大于第二预设阈值的情况下，所述分时控制策略为第二电压单元供电，第一电压单元续流，负载电流处于电流平台阶段。

3、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，所述电流平台间的数值关系为相邻两个电流平台间的差值的绝对值，所述负载电流与目标电流的数值关系为所述负载电流与所述目标电流的差值。

4、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，所述第一电压单元包括多个依次串联的第一电压功率模块，所述第一电压功率模块包括前级第一电压源、第一母线电容和后级第一h桥变换器，所述前级第一电压源的输出正端与所述第一母线电容的第一端电连接的公共端与所述后级第一h桥变换器的输入正端电连接，所述前级第一电压源的输出负端与所述第一母线电容的第二端电连接的公共端与所述后级第一h桥变换器的输入负端电连接，所述后级第一h桥变换器的输出端作为所述第一电压单元的输出端。

5、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，所述第二电压单元包括多个并联的子供电单元，每个子供电单元包括多个依次串联的第二电压功率模块，所述第二电压功率模块包括前级第二电压源、第二母线电容和后级第二h桥变换器，所述前级第二电压源的输出正端与所述第二母线电容的第一端电连接的公共端与所述后级第二h桥变换器的输入正端电连接，所述前级第二电压源的输出负端与所述第二母线电容的第二端电连接的公共端与所述后级第二h桥变换器的输入负端电连接，所述后级第二h桥变换器的输出端作为所述第二电压单元的输出端。

6、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，所述第一电压单元的供电电压的范围为200v~5000v，所述第二电压单元的供电电压的范围为0v~200v。

7、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，所述后级第一h桥变换器的开关频率的范围为1khz~20khz，所述后级第二h桥变换器的开关频率的范围为20khz~100khz。

8、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，进一步包括：在负载电流处于电流上升阶段或电流下降阶段，采用第一比例-积分调节器进行电流追踪；在负载电流处于电流平台阶段，采用第二比例-积分调节器进行电流闭环控制。

9、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，还包括：在所述第一电压单元与所述第二电压单元进行工作模式切换的情况下，确定所述第二电压单元的供电占空比，并根据所述供电占空比对所述第二比例-积分调节器进行设置，以进行电流阶段的平滑过渡。

10、根据本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法，进一步包括：根据目标电流值、所述第二电压单元的供电电压和所述扫描磁铁负载的电阻值，确定所述第二电压单元的后级第二h桥变换器的占空比。

11、本发明还提供一种点扫描电源装置，包括第一电压单元和第二电压单元，扫描磁铁负载的第一端与所述第一电压单元的输出端电连接，所述扫描磁铁负载的第二端与所述第二电压单元的输出端电连接，所述第一电压单元的供电电压大于所述第二电压单元的供电电压；所述点扫描电源装置采用上述的点扫描电源装置的控制方法。

12、本发明提供的一种点扫描电源装置的控制方法及点扫描电源装置，兼顾动态响应速度与电流控制精度，适用于重离子/质子加速器点扫描治疗系统。

13、本发明具有以下有益效果：

14、（1）动态响应极快：高压串联模块提供高总电压，可实现数万a/s级别的电流变化率，满足点扫描快速束流定位需求。

15、（2）稳态精度极高：稳态仅由低压高频模块闭环控制，纹波小、分辨率高，电流精度可达±5e-4及以下。

16、（3）整机效率显著提升：高压单元仅在电流上升或者下降时工作，大部分时间关断；低压单元低压低损耗，整机效率高。

17、（4）极强扩展性：通过增减高压单元内串联模块及低压单元组的数量，可灵活适配不同电感、不同电流等级的扫描磁铁，无需重新设计整机拓扑。

18、（5）电流过冲小：采用平滑调节算法，使得电源在上升到平台过渡时，电流过冲极小。

1.一种点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，应用于点扫描电源装置，所述点扫描电源装置包括第一电压单元和第二电压单元，扫描磁铁负载的第一端与所述第一电压单元的输出端电连接，所述扫描磁铁负载的第二端与所述第二电压单元的输出端电连接，所述第一电压单元的供电电压大于所述第二电压单元的供电电压；

2.根据权利要求1所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，所述电流平台间的数值关系为相邻两个电流平台间的差值的绝对值，所述负载电流与目标电流的数值关系为所述负载电流与所述目标电流的差值。

3.根据权利要求1所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，所述第一电压单元包括多个依次串联的第一电压功率模块，所述第一电压功率模块包括前级第一电压源、第一母线电容和后级第一h桥变换器，所述前级第一电压源的输出正端与所述第一母线电容的第一端电连接的公共端与所述后级第一h桥变换器的输入正端电连接，所述前级第一电压源的输出负端与所述第一母线电容的第二端电连接的公共端与所述后级第一h桥变换器的输入负端电连接，所述后级第一h桥变换器的输出端作为所述第一电压单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，所述第二电压单元包括多个并联的子供电单元，每个子供电单元包括多个依次串联的第二电压功率模块，所述第二电压功率模块包括前级第二电压源、第二母线电容和后级第二h桥变换器，所述前级第二电压源的输出正端与所述第二母线电容的第一端电连接的公共端与所述后级第二h桥变换器的输入正端电连接，所述前级第二电压源的输出负端与所述第二母线电容的第二端电连接的公共端与所述后级第二h桥变换器的输入负端电连接，所述后级第二h桥变换器的输出端作为所述第二电压单元的输出端。

5.根据权利要求1所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，所述第一电压单元的供电电压的范围为200v~5000v，所述第二电压单元的供电电压的范围为0v~200v。

6.根据权利要求4所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，所述后级第一h桥变换器的开关频率的范围为1khz~20khz，所述后级第二h桥变换器的开关频率的范围为20khz~100khz。

7.根据权利要求1至6任一项所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，进一步包括：

8.根据权利要求7所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的点扫描电源装置的控制方法，其特征在于，进一步包括：

10.一种点扫描电源装置，其特征在于，包括第一电压单元和第二电压单元，扫描磁铁负载的第一端与所述第一电压单元的输出端电连接，所述扫描磁铁负载的第二端与所述第二电压单元的输出端电连接，所述第一电压单元的供电电压大于所述第二电压单元的供电电压；所述点扫描电源装置采用权利要求1至9任一项所述的点扫描电源装置的控制方法。