(57)【要約】  Ｘ線放射１０２を生成するためのＸ線源装置１０、Ｘ線源装置１０を動作させる方法、及びＸ線撮像機器１００が提供される。Ｘ線源装置１０は、Ｘ線管２２、電源電圧をＸ線管２２に提供するための、インバータ１８及び共振コンバータ２０を有するコンバータ装置１６、前処理制御器１２、及び変調器１４を備える。前処理制御器１２は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて連続時間関数として共振コンバータ２０の基準デューティ比ｒ、２６を決定し、且つ基準デューティ比ｒ、２６と相関する制御信号１３を変調器１４に提供するように構成される。変調器１４は、制御信号１３に基づいてスイッチング信号１５を決定し、且つコンバータ装置１６のインバータ１８にスイッチング信号１５を提供してインバータ１８を作動させるように構成される。
2020514987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管と、
前記Ｘ線管に電源電圧を提供するためのコンバータ装置と、
前処理制御器と、
前記コンバータ装置及び前記前処理制御器に結合される変調器と、を備え、
前記コンバータ装置はインバータ及び共振コンバータを備え、
前記前処理制御器は、前記共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって連続時間関数として前記共振コンバータの基準デューティ比を決定し、
前記前処理制御器は、前記基準デューティ比と相関する制御信号を前記変調器に提供し、
前記変調器は、前記制御信号に基づいてスイッチング信号を決定し、
前記変調器は、前記コンバータ装置の前記インバータに前記スイッチング信号を提供して前記インバータを作動させることで、前記電源電圧が前記コンバータ装置によって生じるようにする、Ｘ線放射を生成するためのＸ線源装置。
【請求項２】
前記前処理制御器は、前記共振コンバータの前記数学的モデルに基づいて前記所定の時間帯にわたって前記共振コンバータの基準インダクタ電流を決定し、及び／又は前記前処理制御器は、前記共振コンバータの前記数学的モデルに基づいて前記所定の時間帯にわたって前記コンバータ装置の基準出力電圧を決定する、請求項１に記載のＸ線源装置。
【請求項３】
前記前処理制御器は、前記基準インダクタ電流に基づいて及び／又は前記基準出力電圧に基づいて前記所定の時間帯にわたって前記基準デューティ比を決定する、請求項２に記載のＸ線源装置。
【請求項４】
前記コンバータ装置の前記共振コンバータは直列並列共振コンバータを含む、及び／又は、前記共振コンバータの前記数学的モデルは、前記共振コンバータのエネルギー蓄積素子として１つのインダクタコイル及び４つのコンデンサを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線源装置。
【請求項５】
前記コンバータ装置の前記基準出力電圧からの前記電源電圧の偏差を補償するための制御器をさらに備え、前記前処理制御器は、前記制御器に結合され、前記制御器に基準出力電圧値を提供し、前記制御器は、前記基準出力電圧を前記電源電圧の測定値と比較し、前記制御器は、前記基準出力電圧値からの前記電源電圧の前記測定値の偏差を指示するフィードバック制御信号を決定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線源装置。
【請求項６】
前記制御器は線形制御器である、及び／又は、前記制御器は、１階線形常微分方程式を解することに基づいて前記フィードバック制御信号を決定する、請求項５に記載のＸ線源装置。
【請求項７】
前記制御器は、前記変調器に結合され、前記変調器に前記フィードバック制御信号を提供し、及び／又は、前記変調器は、前記前処理制御器の前記制御信号に基づいて、且つ、前記制御器の前記フィードバック制御信号に基づいて、前記スイッチング信号を決定する、請求項５又は６に記載のＸ線源装置。
【請求項８】
前記前処理制御器は、前記共振コンバータの前記数学的モデルに基づいて、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つを決定し、前記第１の制御器パラメータ及び前記第２の制御器パラメータの前記少なくとも１つは、誤差変数に対する線形常微分方程式の係数と相関し、前記誤差変数は、前記Ｘ線源装置によって生成された前記電源電圧と、前記数学的モデルに基づいて前記前処理制御器によって決定された基準出力電圧値との間の相違と相関する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＸ線源装置。
【請求項９】
前記前処理制御器は、前記共振コンバータの前記数学的モデルに基づいて前記第１の制御器パラメータ及び前記第２の制御器パラメータの両方を決定する、請求項８に記載のＸ線源装置。
【請求項１０】
前記前処理制御器は、第１の基準出力電圧が前記コンバータ装置によって生じる前記コンバータ装置の第１の状態、及び、第２の基準出力電圧が前記コンバータ装置によって生じる前記コンバータ装置の第２の状態から、前記コンバータ装置の遷移時間を算出し、前記前処理制御器は、決定された前記遷移時間に基づいて、前記第１の制御器パラメータ及び前記第２の制御器パラメータの前記少なくとも１つを決定する、請求項８又は９に記載のＸ線源装置。
【請求項１１】
前記前処理制御器は、前記第１の制御器パラメータ及び前記第２の制御器パラメータの前記少なくとも１つを前記Ｘ線源装置の制御器に提供し、前記制御器は、前記第１の制御器パラメータ及び前記第２の制御器パラメータの前記少なくとも１つに基づいてフィードバック制御信号を決定し、前記フィードバック制御信号は前記基準出力電圧値からの前記電源電圧の偏差を指示している、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のＸ線源装置。
【請求項１２】
前記前処理制御器は、前記所定の時間帯の少なくとも３つの部分時間帯において前記基準デューティ比を決定する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＸ線源装置。
【請求項１３】
第１の部分時間帯において、前記共振コンバータの前記基準インダクタ電流は公称電流値まで増加し、第２の部分時間帯において、前記基準インダクタ電流は前記公称電流値で一定のままであり、第３の部分時間帯において、前記基準インダクタ電流は前記共振コンバータの定常状態の電流値まで減少する、請求項１２に記載のＸ線源装置。
【請求項１４】
Ｘ線放射を生成するための、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線源装置と、
前記Ｘ線源装置によって生成されたＸ線放射を検出するためのＸ線検出器と、を備える、Ｘ線撮像機器。
【請求項１５】
Ｘ線放射を生成するためのＸ線源装置を動作させる方法であって、
前記Ｘ線源装置は、Ｘ線管、及び、前記Ｘ線管に電源電圧を提供するための、インバータ及び共振コンバータを有するコンバータ装置を備え、前記方法は、
前記共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって連続時間関数として前記共振コンバータの基準デューティ比を決定するステップと、
前記所定の時間帯にわたって前記基準デューティ比と相関する制御信号を決定するステップと、
前記制御信号に基づいてスイッチング信号を決定するステップと、
前記電源電圧が前記コンバータ装置によって生じるように、前記スイッチング信号を前記インバータに提供することによって前記コンバータ装置の前記インバータを作動させるステップと、を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般的に本発明は、Ｘ線放射を生成するためのＸ線源及び／又はＸ線発生器の分野に関する。
【０００２】
とりわけ、本発明は、Ｘ線源装置、このようなＸ線源装置を備えるＸ線撮像機器、及びＸ線源装置を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｘ線源、Ｘ線源装置、及び／又はＸ線発生器は、通常、共振タンクとも称される共振コンバータに結合されるインバータを有するコンバータを備え、このインバータは、例えば、共振タンクに電力を供給するためのハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールを備える。コンバータによって、ある特定の出力電圧及び／又はある特定の出力電流は、ある特定のエネルギー及び／又は強度のＸ線放射を生成するようにＸ線管に供給される。
【０００４】
とりわけ、医学的なＸ線応用の分野において、Ｘ線源は通常、ある特定のエネルギー、強度、及び／又は周波数を有するＸ線放射のパルスを生成するパルスモードで動作する。この目的のために、通常、ゆっくりと変動する電圧による変調信号は、変調器によって離散的なスイッチング信号に変換される。次いで、この離散的なスイッチング信号を使用してＸ線源のインバータを作動させることで所望の電圧パルスがコンバータによって生じて、Ｘ線管が発するＸ線放射の所望のパルスがもたらされる。
【０００５】
さらに、フィードバックループによって、Ｘ線源のいくつかの測定変数及び／又は測定量を処理することによって、変調信号が設定及び／又は調節される。例として、測定出力電圧は所望の基準出力電圧と比較される。フィードバックループは通常、所望の基準出力電圧からの測定出力電圧の偏差を補償するための制御器を備える。この制御器は、偏差を指示する誤差信号を生成するために比例部及び有効積分部を有する。この従来の手法では、医用画像の応用で所望されるフラットトップパルス波形を有するコンバータによって再現可能な高電圧パルスを生成することは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、改善された出力特性を有する、改善され、安定した、確実に制御可能なＸ線源及び／又はＸ線源装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これは、独立請求項の主題によって実現され、ここで、さらなる実施形態は、従属請求項及び以下の説明に取り入れられる。
【０００８】
本発明の第１の態様によると、Ｘ線放射を生成するためのＸ線源装置が提供される。Ｘ線源装置は、Ｘ線管、Ｘ線管に電源電圧を提供するためのコンバータ装置、前処理制御器、及びコンバータ装置及び前処理制御器に結合される変調器を備える。コンバータ装置はインバータ及び共振コンバータを備える。そこで、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって共振コンバータの基準デューティ比を決定する、算出する、及び／又は計算するように構成される。さらに、前処理制御器は、基準デューティ比と相関する制御信号を変調器に提供するように構成され、変調器は、制御信号に基づいてスイッチング信号を決定するように構成される。また、変調器は、コンバータ装置のインバータにスイッチング信号を提供してインバータを作動させることで、電源電圧がコンバータ装置によって生じるように構成される。コンバータ装置は、電源電圧をＸ線管に供給する及び／又は提供することで、Ｘ線放射がＸ線管によって生じる及び／又は発するように構成される。
【０００９】
一例によると、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって連続時間関数として共振コンバータの基準デューティ比を決定するように構成される。代替的には又はさらに、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって連続時間関数として共振コンバータの基準インダクタ電流及び／又は基準出力電圧を決定するように構成される。そこで、連続時間関数は、基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧の連続時間関数に関連している。それ故に、前処理制御器は、所定の時間帯にわたって連続時間関数として、基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧を決定するように構成される。基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧は、所定の時間帯において経時的に変動する。さらに、制御信号は、基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧を指示している、及び／又はこれらと相関している。制御信号は変調器にフィードフォワードされる、及び／又は前処理制御器は制御信号を変調器にフィードフォワードするように構成される。「前処理制御器」という用語は、Ｘ線源装置が、電源電圧の所望のパルスを生成するために及び／又はＸ線放射の所望のパルスを生成するために動作中に従うものとする、状態空間における軌道を、決定する、計算する、及び／又は算出するための、前処理制御装置、前処理制御回路構成、軌道計画装置、及び／又は軌道発生器に言及する。例として、前処理制御器の特徴及び／又は機能は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は任意の他の適した論理素子において実施される。とりわけ、前処理制御器は、Ｘ線源装置のいずれのハードウェア上の制約も考慮に入れる基準デューティ比の軌道を決定するように構成される。このため、基準デューティ比は、ゼロ〜１の間隔にある、及び／又は基準デューティ比はゼロから１に及ぶ。代替的には又はさらに、基準デューティ比は、マイナス１からプラス１の範囲にある。
【００１０】
ここで、基準デューティ比は、時間の関数として前処理制御器によって決定される。よって、「所定時間にわたる基準デューティ比」という用語は、所定の時間帯にわたって連続時間関数として前処理制御器によって決定、計算、及び／又は算出されるデューティ比を指す。それ故に、基準デューティ比の軌道は、時間関数としての基準デューティ比を指す。
【００１１】
さらに、「所定の時間帯」という用語は、基準デューティ比が前処理制御器によって決定される時間間隔を指す。この時間間隔の長さは、基準デューティ比の実際の算出が行われる前に前処理制御器によって自動的に決定、設定、及び／又は調節される。代替的には又はさらに、時間間隔の長さは、例えば、Ｘ線源装置のユーザの入力など、他の手段によって定められる。
【００１２】
一般的に、「共振コンバータの数学的モデル」は、例えば、共振コンバータにおいて流れるインダクタ電流、コンバータ装置の出力電圧、及び／又はデューティ比などの、共振コンバータのシステム変数間の関数関係によって共振コンバータの状態を表すモデルを指し、この場合、コンバータ装置のコンデンサにわたる出力−コンデンサ電圧である、コンバータ装置のインダクタ電流及び／又は出力電圧はまた、共振コンバータの状態変数と称される。とりわけ、数学的モデルは、Ｘ線源装置及び／又は共振コンバータの特性を表す平均数学的モデルであり、これは、例えば、１．０μｓ〜１０μｓの時間スケールなどで時間的にゆっくりと変動する。そこで、「平均数学的モデル」という用語は、コンバータ装置のシステム変数の少なくとも一部が、共振コンバータの少なくとも１つの（自然）共振周期にわたって、とりわけ、少なくとも２つの及び／又は少なくとも３つの共振周期にわたって、平均化されることを意味する。また、システム変数の少なくとも一部は、少なくとも５〜１０の共振周期にわたって平均化される。そこで、「平均化する」及び／又は「平均化」という用語は、対応するシステム変数のゆっくりと時間的に変動する成分を表すためにシステム変数の少なくとも一部のフーリエ級数展開の振幅及び／又は振幅の使用を指す。
【００１３】
制御信号は、所定の時間帯にわたって基準デューティ比を表す及び／又は符号化するデジタル及び／又は連続制御信号を指す。この連続及び／又はデジタル制御信号は、変調器によってスイッチング信号に変換され、この場合、スイッチング信号は、離散的なスイッチング信号を指す。
【００１４】
そこで、「変調器」という用語は、連続制御信号に基づいて離散的なスイッチング信号を生成するために変調方式を適用するように構成される変調装置及び／又は変調回路構成を指す。
【００１５】
コンバータ装置のインバータは、共振コンバータに電力を供給するためのハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールの１つ又は複数を含み、ハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールは、それぞれ、スイッチング信号によって制御される及び／又は作動させる半導体スイッチの１つ又は複数を備える。よって、スイッチング信号自体、又はスイッチング信号と相関するゲート信号は、対応する半導体スイッチを作動させる及び／又はスイッチングするために、インバータの半導体スイッチの少なくとも１つのゲート端子に供給される。
【００１６】
また、コンバータ装置の共振コンバータは、少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ）に直列で接続される少なくとも１つのインダクタコイル（Ｌ）を備える、共振コンバータ回路、共振タンク回路、及び／又は同調回路を指す。共振コンバータは、よって、共振コンバータのエネルギー蓄積素子間で振動する電気エネルギーを蓄積する、電気共振器及び／又はＬＣ回路を指し、エネルギー蓄積素子は、少なくとも１つのインダクタコイル（Ｌ）及び少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ）である。
【００１７】
さらに、コンバータ装置はいわゆる量子モードで動作し、ここで、コンバータ装置のインバータを、共振コンバータにおいて流れるインダクタ電流のゼロ交差で作動させる及び／又はスイッチングすることに留意されたい。これはさらには、スイッチング損失を低くし、且つ電磁干渉（ＥＭＩ）を少なくするソフトスイッチングを可能にする。
【００１８】
一実施形態によると、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって共振コンバータの基準インダクタ電流を決定するように構成される。さらに又は代替的には、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたってコンバータ装置の基準出力電圧を決定するように構成される。
【００１９】
一実施形態によると、前処理制御器は、基準インダクタ電流に基づいて及び／又は基準出力電圧に基づいて所定の時間帯にわたって基準デューティ比を決定するように構成される。
【００２０】
「基準」という用語は、対応する物理量、すなわち、デューティ比、インダクタ電流、及び／又は出力電圧が、数学的モデルに基づいて前処理制御器によって決定、計算、及び／又は算出されることを指示する。
【００２１】
また、上で及び以下に示される「電源電圧」という用語が、コンバータ装置を介してＸ線管に供給される電圧を示すことに留意されたい。この電源電圧はまた、数学的モデルに基づいて決定される及び／又は算出される時に「基準出力電圧」と称される、実際の出力電圧、及び／又はコンバータ装置の出力電圧である。さらに、以下でより詳細に説明されるように、電源電圧、出力電圧、及び／又は基準出力電圧は、コンバータ装置のいわゆるフラットな出力である。
【００２２】
本発明は、以下の結果及び／又は見識に基づいているとみなされる。一般的に、いわゆるフラットさは、線形及び／又は非線形力学系の性質であり、力学系は、いわゆるフラットな出力を持っている場合、フラットであるといわれる。フラットな出力は、力学系の物理量であってもなくてもよい。フラットシステムの状態変数及び／又は制御入力は全て、フラットな出力及び／又はこの時間導関数を使用してフラットな出力によって表現される。それ故に、このような力学系のシステム変数及び／又は制御入力を表現するために前処理制御器において積分は必要とされない。非線形力学系は、フィードバック又はフィードフォワードどちらかによってフラットな出力を介して線形化される。これによって、線形誤差ダイナミクスを非線形系に加えることが可能になる。結果として、線形制御器を使用して、システムの任意のシステム変数の事前計算された軌道に従ってこのような力学系を案内する。換言すれば、線形制御器は、計画された及び／又は事前計算された軌道、例えば、とりわけ、非線形系の、１つの平衡点又は平衡状態から別の平衡点又は平衡状態まで、所定の時間帯にわたる基準デューティ比の軌道に従って、非線形系を安定化させる。そこで、非線形系は、コンバータ装置、共振コンバータ、及び／又はＸ線源装置に関連している。
【００２３】
共振コンバータの数学的モデルに基づいて、本発明の発明者によって、本発明のＸ線源装置の共振コンバータ及び／又はコンバータ装置が、フラットである、及び／又はフラットな出力を持つこのような力学系を指すことが分かる。そこで、コンバータ装置のフラットな出力は、コンバータ装置の出力電圧、及び／又は数学的モデルに基づいて決定される及び／又は算出される基準出力電圧を指す。コンバータ装置のフラットな出力は、例えば、図４におけるコンデンサＣＡにわたる電圧であり、これは、システムの及び／又はコンバータ装置の出力電圧であり、また、「電源電圧」としてＸ線管に供給される。よって、数学的モデルによってコンバータ装置の少なくとも一部を表すことによって、コンバータ装置の挙動及び／又はコンバータ装置の制御は以下により詳細に説明されるように、従来のＸ線源及び／又は従来のＸ線源装置に関して大幅に改善及び／又は簡略化される。
【００２４】
既に上述したように、従来のＸ線源及び／又はＸ線源装置の欠点は、フラットトップを有する、すなわち、公称電圧値においてフラットな及び／又は実質的に一定の進路を有する電圧パルスを、とりわけ、繰り返すように得るのが難しいことである。フラットトップは、コンバータ装置によって生成する電圧パルスの形状を指すが、数学的モデルにおいて表されるようなコンバータ装置及び／又は共振コンバータの特性を指し、コンバータ装置及び／又は共振コンバータの「フラットさ」と混同しないように留意されたい。よって、コンバータ装置の出力電圧のオーバーシュート及び／又はアンダーシュートがなくできるだけ短い立ち上がり時間で、安定的で繰り返し可能なフラットトップパルス波形に達することは、難題である。この難題には、従来の制御手法及び／又は従来のＸ線源装置では満たすことはできない。一方では、例えば、従来のＸ線源装置のフィードバックループにおいて使用される制御器の積分器のゆっくりとした作用により、立ち上がり時間が長すぎる場合がある。他方では、立ち上がり時間が急速すぎる場合、出力電圧のオーバーシュートが生じる場合がある。それとは別に、例えば、従来のＸ線源装置のフィードバックループにおいて採用される線形制御器は、例えば、コンバータ装置の最大電圧及び／又は最大電流といった、Ｘ線源装置のハードウェア上の制約を考慮しない軌道にＸ線源装置を押しやる。結果として、Ｘ線源装置は、例えば、トリガされることによって、Ｘ線源装置が制御器に提供される対応する制御信号に従って作動しないようにする、過電流保護装置及び／又はアクチュエータの制限といった、ハードウェア保護手段により、制御器によって示唆される軌道に従うことができない場合がある。これはさらにまた、このような従来のＸ線源装置の制御器に対するアンチワインドアップ方式を必要とする。
【００２５】
従来のＸ線源装置のこれらの上記の欠点全ては、本発明によるＸ線源装置によって克服される。とりわけ、数学的モデルによってＸ線源装置のコンバータ装置及び／又は共振コンバータをモデリングすることによって、共振コンバータにおいて流れる、基準インダクタ電流及び／又は共振インダクタ電流の所望の軌道、波形、及び／又は進路は、数学的モデルに基づいて計画及び／又は決定される。そこで、基準インダクタ電流は、コンバータ装置の非フラットな出力を指す。さらに、基準インダクタ電流の計画された軌道及び／又は進路は、例えば、計画プロセス中にも考慮される、ゼロ〜１の間隔になる最大インダクタ電流及び／又は基準デューティ比を含む、Ｘ線源装置のいずれのハードウェア上の制約も考慮する。結果として、過電流保護装置及び／又はアンチワインドアップ方式などのハードウェア保護手段は、本発明に関するＸ線源装置に必要とされない。これによってさらにまた、Ｘ線源装置全体の設計が簡略化され、且つ費用効率の高いＸ線源装置を提供することが可能になる。
【００２６】
さらに、コンバータ装置及び／又は共振コンバータのフラットな出力は、数学的モデルに基づいて決定されるコンバータ装置及び／又は共振コンバータの基準出力電圧を指す。フラットな出力と非フラットな出力との間の関係、すなわち、基準インダクタ電流と基準出力電圧との間の関係は、共振コンバータの数学的モデルによる定係数による、非同次１階常微分方程式によって表される。このような種類の微分方程式に対する解析的な閉形式解があるという事実により、非フラットな出力に対する軌道が決定される場合、フラットな出力に対する適切な軌道は、微分方程式の解析解、及び／又は数学的モデルに基づいて即座に決定される。換言すれば、共振コンバータの基準インダクタ電流が決定される場合、基準出力電圧は、数学的モデルに基づいて即座に決定及び／又は算出される。これによって、一般的に、インダクタ電流を含んで出力電圧及び／又はデューティ比の間に、Ｘ線源装置のシステム変数に対して広範な軌道計画が可能になる。
【００２７】
それとは別に、インダクタ電流に対して適切に計画した軌道はさらにまた、いずれのオーバーシュートもなく、できるだけ短い立ち上がり時間内で、所望の定点値及び／又は所望の公称電圧値に達する基準出力電圧に対する平滑な軌道をもたらす。よって、これは、コンバータ装置の出力特性のみならず、Ｘ線管の出力特性を改善することを可能にする。
【００２８】
一実施形態によると、前処理制御器は、Ｘ線管の公称電圧値及び／又はＸ線管の公称電流値に基づいて所定の時間帯にわたって基準デューティ比を決定するように構成される。公称電圧値及び／又は公称電流値は、例えば、Ｘ線応用の要件に従ってＸ線源装置のユーザによって、定められる。さらに、公称電圧値は、例えば、コンバータ装置によって生じる電圧パルスの所望の最大電圧値を指す、及び／又は公称電流値は、Ｘ線放射を生成するためにコンバータ装置によって生じさせ、且つＸ線管に供給される、最大及び／又は定常状態のインダクタ電流を指す。よって、公称電圧値を指定することによって、Ｘ線放射のエネルギー及び／又はエネルギー分布が指定される。さらに、公称電流値を指定することによって、Ｘ線放射の強度が指定される。
【００２９】
一実施形態によると、コンバータ装置の共振コンバータは、ＬＣＣコンバータとも称される直列並列共振コンバータを含む。代替的には又はさらに、共振コンバータの数学的モデルは、共振コンバータのエネルギー蓄積素子として１つのインダクタコイル及び４つのコンデンサを含む。とりわけ、コンバータ装置は、入力電源としての役割を果たすインバータと、コンデンサ、ダイオード整流器、及び容量性出力フィルタに並列に接続されるインダクタコイルを含む共振回路（ＬＣ回路）に直列に接続される昇圧コンデンサ（例えば、図４にあるコンデンサＣＫ）を有する直列並列共振コンバータとを備える。例として、昇圧コンデンサは、コンバータ装置の増倍電圧整流器を指す及び／又はこれの一部である。よって、昇圧コンデンサは、コンバータ装置の任意の電圧増倍回路を指す及び／又はこれを代表するものである。それ故に、コンバータ装置は、電気エネルギーを蓄積するエネルギー蓄積素子としての役割を果たす、１つのインダクタコイル及び４つのコンデンサを備える。全てのこれらの成分は、コンバータ装置及び／又は共振コンバータの、状態、状態変数、及び／又はシステム変数を表す数学的モデルにおいて、モデリングされる及び／又は含まれる。
【００３０】
一実施形態によると、Ｘ線源装置は、コンバータ装置の基準出力電圧からの電源電圧の偏差を補償する、及び／又は基準デューティ比からの偏差を補償するための制御器をさらに備える。前処理制御器は、制御器に結合され、制御器に基準出力電圧値を提供するように構成され、制御器は、基準出力電圧値を電源電圧の測定値と比較するように構成される。
【００３１】
上記及び以下に示される「電源電圧」という用語は、コンバータ装置を介してＸ線管に供給される電圧を示すことに留意されたい。この電源電圧はまた、数学的モデルに基づいて決定及び／又は算出される時に「基準出力電圧」と称される、実際の出力電圧、及び／又はコンバータ装置の出力電圧である。さらに、上に略述されるように、電源電圧、出力電圧、及び／又は基準出力電圧は、コンバータ装置のフラットな出力である。
【００３２】
さらに、制御器は、基準出力電圧値からの電源電圧の測定値の偏差を指示する及び／又はこれと相関するフィードバック制御信号を決定するように構成される。Ｘ線源装置は、よって、出力電圧を測定し、且つ測定された出力電圧値を制御器に提供する電圧測定装置によるフィードバックループを含む。フィードバックループは、前処理制御器によって提供される、測定された電圧値及び基準出力電圧値の偏差を決定する制御器をさらに含む。例として、制御器は、測定された電圧値及び基準出力電圧値を減算することによってこの偏差を決定するように構成される。制御器はさらにまた、基準デューティ比と相関する前処理制御器の制御信号に付加されるフィードバック制御信号を決定する。この付加された信号はさらにまた、インバータを作動させるためのスイッチング信号を決定及び／又は生成するために、変調器に供給及び／又は提供される。これによって、有利には、コンバータ装置は、基準デューティ比に従い、且つＸ線管に供給されるフラットトップを有する安定した明確な電圧パルスを生成することができる。そしてまた、これによって、Ｘ線源装置はＸ線放射の安定した明確なパルスを生成することが可能になる。制御器は一般的に、制御装置、制御ユニット、制御モジュール、レギュレータ、及び／又は制御回路構成を指す。さらに、本発明のＸ線源装置は、有利には、例えば、ｋＶ−ピークスイッチングを採用する、二重エネルギーＸ線応用において使用される。
【００３３】
一実施形態によると、制御器は、例えば、比例部及び差動部を有する線形制御器である。代替的には又はさらに、制御器は、１階線形常微分方程式を解することに基づいてフィードバック制御信号を決定するように構成される。そこで、「１階線形常微分方程式を解することに基づいて」という語句は、制御器がフィードバック制御信号を合成及び／又は決定するように構成されることを意味する。
【００３４】
一般的に、基準デューティ比を決定することによって、及び／又は基準デューティ比と相関する制御信号に基づいてスイッチング信号を決定することによって、Ｘ線源装置及び／又はコンバータ装置は、変調器に対して制御信号を提供する及び／又はフィードフォワードすることによって線形化される。線形化されたＸ線源装置及び／又は線形化されたコンバータ装置は、さらにまた、比例部及び差動部のみを有する、線形制御器及び／又は線形レギュレータによって制御される。換言すれば、基準デューティ比を決定すること、及び基準デューティ比と相関する制御信号を提供することによって、線形制御器は、数学的モデルに基づいて決定されるように、基準出力電圧に従って動作中にＸ線源装置を案内するために、Ｘ線源装置のフィードバックループにおいて使用される。線形制御器を使用することは、Ｘ線源装置の設計を簡略化し、且つ生産費を節約する。また、線形制御器は、例えば、減算して測定された電圧値及び基準出力電圧値に基づく誤差信号といった誤差信号を積分する必要はない。積分器がなくなることによって、有利には、Ｘ線源装置の最速で制御された応答を提供することが可能になり、従来のＸ線源装置に必要とされる、アンチワインドアップ測定及び／又はアンチワインドアップ方式が使われなくなる。換言すれば、基準デューティ比を決定し、且つ変調器に対して基準デューティ比と相関する制御信号をフィードフォワードすることによって、非線形コンバータ装置は、全体的に、医学的なＸ線応用に適切な時定数によって漸近的に安定してゼロに収束する、行儀のよい線形誤差ダイナミクスに従って作動する。
【００３５】
一実施形態によると、制御器は、変調器に結合され、変調器にフィードバック制御信号を提供するように構成される。この変調器は、前処理制御器の制御信号に基づいて、及び制御器のフィードバック制御信号に基づいて、スイッチング信号を決定するように構成される。既に上で述べたように、制御信号及びフィードバック制御信号は付加され、スイッチング信号は、基準デューティ比からの偏差を補償するためにこの付加された信号に基づいて決定される。
【００３６】
本発明の一実施形態によると、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つを、決定、計算、及び／又は算出するように構成され、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つは、誤差変数に対する線形常微分方程式の係数と相関し、この誤差変数は、電源電圧、例えば、Ｘ線源装置によって生成された電源電圧の測定値と、数学的モデルに基づいて前処理制御器によって決定された基準出力電圧値との間の相違と相関する。それ故に、前処理制御器は、第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータの値を決定するように構成される。そこで、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータのうちの１つが固定され、前処理制御器は、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータのうちのもう１つを決定する。しかしながら、前処理制御器はまた、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの両方を決定するように構成される。そこで、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータのそれぞれは、誤差変数に対する微分方程式の係数に相関する及び／又は参照する。
【００３７】
上述されるように、所定の時間帯にわたって基準デューティ比と相関する制御信号をフィードフォワードすることによって、Ｘ線源装置及び／又はコンバータ装置は線形化され、それによって、Ｘ線源装置の誤差変数及び／又は誤差信号は、明確な線形誤差ダイナミクスに従って作動する。そこで、誤差信号及び／又は誤差変数は、電源電圧の偏差、例えば、Ｘ線源装置によって生成された電源電圧の測定値と、及び数学的モデルに基づいて前処理制御器によって決定される基準出力電圧値と相関する。誤差変数のダイナミクス又は挙動は、さらにまた、定係数による同次２階線形常微分方程式によって表される及び／又は律則される。所定の時間帯にわたって事前計算された基準デューティ比に従ってＸ線源装置を案内するために、線形制御器は、例えば、フィードバックループにおいて、この２階線形微分方程式の導関数部又は項、及び比例部又は項を含むフィードバック制御信号を決定及び／又は合成するために、使用及び／又は採用される。これらの用語は、このことから、所定の時間帯にわたって基準デューティ比に従ってＸ線源装置を案内するためにフィードバック制御信号が制御器によって合成及び／又は決定される１階線形常微分方程式に関連している。第１の制御器パラメータは、微分方程式の、導関数部、とりわけ一次導関数部の係数に関連及び／又はこれと相関しており、第２の制御器パラメータは、微分方程式の比例部の係数に関連及び／又はこれと相関している。それ故に、前処理制御器は、所定の時間帯にわたって決定された基準デューティ比に従ってコンバータ装置を案内するためにフィードバック制御信号を合成及び／又は決定するために制御器によって使用される微分方程式の係数の少なくとも１つを決定するように構成される。これによって、数学的モデルに基づいて決定される基準出力電圧及び／又は基準デューティ比からＸ線源装置によって生成された電源電圧のいずれの偏差も大幅に低減される。
【００３８】
従来のＸ線源装置では、通常、フィードバックループは、例えば、測定された電源電圧などの測定変数を処理することによってフィードバック制御信号を設定する。フィードバックループは、通常、ある特定の制御目標を達成する、例えば、ある特定の電源電圧を設定するために、有効積分項及び比例項を有する制御器を含む。従来のＸ線源装置では、積分及び比例項の係数並びに／又は利得は、通常、例えば、平衡状態、及び／又は一定の電源電圧が生じる状態などの、Ｘ線源装置のある特定の状態に対して、及び／又は、コンバータ装置の２つの状態の間のある特定の遷移、例えば、２つの平衡状態の間の遷移に対して、最適化された後に固定される。このような最適化手順は、時間がかかり、経験的であり、経験を要する可能性がある。さらに、このような手動同調方法によって決定された積分利得及び比例利得は、Ｘ線源装置の特定状態、例えば、特定の平衡状態にとって最適であるが、これらのパラメータは、Ｘ線源装置のある状態から別の状態への異なる状態又は異なる遷移にとって、最適とは言えない。また、制御器に対する最適化されたパラメータは、最適化を実行する人が何を最適と考えるかに左右される。別の人によって最適化が繰り返される場合、種々の制御器パラメータ及び／又は種々の制御器パラメータ値が決定される。しかしながら、繰り返し可能な及び／又は再現可能なフラットトップ高電圧パルスは、医学的な撮像応用において必要とされるが、このような従来の制御手法を使用して得ることは困難である。
【００３９】
前処理制御器によって第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータを計算することによって、第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータが、所定の時間帯にわたって決定されるそれぞれの特定の基準デューティ比にとって、及び／又は前処理制御器によって達成されるそれぞれの制御目的にとって、適切である及び／又は最適であることが徹底される。結果として、Ｘ線源装置は、オーバーシュートがなく、及び／又はできるだけ短い立ち上がり時間において、事前計算された基準デューティ比に従って平滑に案内される。
【００４０】
本発明の一実施形態によると、前処理制御器は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータを両方決定するように構成される。
【００４１】
本発明の一実施形態によると、前処理制御器は、第１の基準出力電圧がコンバータ装置によって生じるコンバータ装置の第１の状態、及び第２の基準出力電圧がコンバータ装置によって生じるコンバータ装置の第２の状態から、コンバータ装置の遷移時間を、例えば数学的モデルに基づいて算出するように構成され、前処理制御器は、決定された遷移時間に基づいて、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つを決定するように構成される。一般的に、第１の状態及び第２の状態は、コンバータ装置の任意状態を指す。とりわけ、第１の状態及び第２の状態はそれぞれ、コンバータ装置の平衡状態を指す。例として、制御目的は、初期電圧から最終電圧までの電圧パルスの少なくとも一部を生成することである。初期電圧が生じる状態は、コンバータ装置の第１の状態を指し、最終電圧が生じる状態は、コンバータ装置の第２の状態を指す。それ故に、遷移時間は、初期電圧値から最終電圧値まで、電源電圧及び／又は出力電圧を変化させるためにコンバータ装置に必要とされる時間を示す。遷移時間に基づいて第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータを決定することによって、第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータは、特に、第１の状態から第２の状態までの遷移に対して選定されることで、コンバータ装置が、この遷移に対して決定された対応する基準デューティ比に従って案内可能であるようにする。それ故に、基準デューティ比が決定される所定の時間帯は、第１の状態と第２の状態との間の遷移時間を指す及び／又はこれと相関する。さらに、遷移時間に基づいて第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータを決定することは、とりわけ、例えば、ｋｖ−ピークスイッチングを採用する、パルス応用及び／又は二重エネルギー応用にとって有利である。
【００４２】
本発明の一実施形態によると、前処理制御器は、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つをＸ線源装置の制御器に提供する及び／又はフィードフォワードするように構成され、制御器は、第１の制御器パラメータ及び第２の制御器パラメータの少なくとも１つに基づいてフィードバック制御信号を決定するように構成され、フィードバック制御信号は、基準出力電圧値からの電源電圧の偏差を指示している。上述されるように、誤差信号及び／若しくは誤差変数のダイナミクス並びに／又は挙動は、同次２階線形微分方程式によって律則される。誤差信号及び／又は誤差変数は、例えば、電源電圧の測定値と前処理制御器によって決定される基準出力電圧値との間の相違として与えられる。制御器は、微分方程式の導関数部及び比例部を決定する。これらの２つの部分は、それ故に、基準電圧値からの測定された電源電圧の偏差を最小化するために制御器によって、フィードバック制御信号が合成及び／又は決定される、１階線形微分方程式を指す。この目的で、制御器は、誤差信号及び／又は誤差変数、並びに誤差変数の一次時間導関数を決定するように構成される。前処理制御器は、第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータを制御器に提供し、この場合、第１の制御器パラメータは微分方程式の導関数部の係数を指し及び／又はこれと相関し、第２の制御器パラメータは微分方程式の比例部の係数を指し及び／又はこれと相関する。換言すれば、制御器は、誤差変数、誤差変数の一次時間導関数、第１の制御器パラメータ及び／又は第２の制御器パラメータに基づいてフィードバック制御信号を合成及び／又は決定するように構成される。
【００４３】
一実施形態によると、前処理制御器は、所定の時間帯の少なくとも３つの部分時間帯において基準デューティ比を決定するように構成される。換言すれば、所定の時間帯は、少なくとも３つの部分周期に分割され、所定の時間帯にわたる基準デューティ比は、これらの部分周期のそれぞれにおいて別個に及び／又は独立して決定される及び／又は計算される。よって、前処理制御器に埋め込まれる所望の基準デューティ比の決定及び／又は計算に対する実際の計画アルゴリズムは、いくつかの部分周期に分割される。これによって、基準デューティ比を決定するための、堅牢で安定しているのと同時に柔軟な計画アルゴリズムを提供することが可能になる。
【００４４】
一例によると、前処理制御器は、所定の時間帯の複数の部分時間帯、例えば、少なくとも２つの部分時間帯において共振コンバータの、基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧を決定するように構成される。そこで、基準デューティ比、基準インダクタ電流、及び／又は基準出力電圧はそれぞれ、所定の時間帯の部分時間帯の少なくとも一部及び／又はいくつかにおける異なる進路を有する。
【００４５】
一実施形態によると、第１の部分時間帯において、共振コンバータの基準インダクタ電流は、公称電流値まで増加し、第２の部分時間帯において基準インダクタ電流は公称電流値で一定のままであり、第３の部分時間帯において基準インダクタ電流は、例えば、共振インダクタ電流値など、共振コンバータの定常状態の電流値まで減少する。基準インダクタ電流の進路に基づいて、基準出力電圧及び／又は基準デューティ比は、少なくとも３つの部分周期において前処理制御器によって決定及び／又は算出される。そこで、第１の部分時間帯中、基準インダクタ電流は、例えば、時間関数としての基準インダクタ電流についての多項式など、十分に平滑な軌道に従って所望の公称電流値まで上昇させる。第１の部分時間帯における対応する基準出力電圧の増加は、さらにまた、第１の部分時間帯において数学的モデル及び基準インダクタ電流に基づいて決定される。さらに、第２の部分時間帯中、基準インダクタ電流は、所望の公称電流値で一定のままとされ、第２の部分時間帯中の対応する基準出力電圧の増加はまた、第２の部分時間帯において数学的モデル及び基準インダクタ電流に基づいて決定される。また、第３の部分時間帯中、基準インダクタ電流は、十分に平滑な軌道によって、例えば、共振インダクタ電流など、共振コンバータの定常状態値まで減少する。さらにまた、基準出力電圧は、その所望の公称値及び／又は定点値まで平滑に増加し続け、基準出力電圧値のこの軌道及び／又は進路は、第３の部分時間帯において数学的モデル及び基準インダクタ電流に基づいて即座に決定される。
【００４６】
一実施形態によると、変調器は、パルス幅変調、パルス周波数変調、及び／又はデルタシグマ変調に基づいて、スイッチング信号を決定するように構成される。これによって、連続制御信号を離散的なスイッチング信号に、迅速且つ確実に変換することが可能になり、この信号は次いで、インバータを作動させるために、及び／又は例えば、インバータの半導体スイッチを駆動するために使用される。
【００４７】
本発明の第２の態様によると、Ｘ線撮像機器が提供される。Ｘ線撮像機器は、上で及び以下に説明されるような、Ｘ線放射を生成するためのＸ線源装置、及びＸ線源装置によって生成されたＸ線放射を検出するためのＸ線検出器を備える。
【００４８】
上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置の特徴、機能、要素、及び／又は特性が、上で及び以下に説明されるようなＸ線撮像機器の特徴、機能、要素、及び／又は特性であることは、留意されるべきである。逆も同様に、上で及び以下に説明されるような、Ｘ線撮像機器の特徴、機能、要素、及び／又は特性は、上で及び以下に説明されるような、Ｘ線源装置の特徴、機能、要素、及び／又は特性である。
【００４９】
本発明の第３の態様によると、Ｘ線放射を生成するためのＸ線源装置を動作させる方法が提供される。Ｘ線源装置は、Ｘ線管、及び、Ｘ線管に電源電圧を提供するための、インバータ及び共振コンバータを有するコンバータ装置を備える。方法は、
例えば、Ｘ線源装置の前処理制御器によって、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって共振コンバータの基準デューティ比を決定するステップと、
例えば、前処理制御器によって、所定の時間帯にわたって基準デューティ比と相関する、制御信号、とりわけ、デジタル制御信号を決定するステップと、
例えば、Ｘ線源装置の変調器によって、制御信号に基づいて、スイッチング信号、とりわけ、離散的なスイッチング信号を決定する、及び／又は制御信号をスイッチング信号に変換するステップと、
電源電圧がコンバータ装置によって生じるように、スイッチング信号をインバータに提供する及び／又は供給することによってコンバータ装置のインバータを作動させるステップと、を有する。
【００５０】
さらに、生成された電源電圧は、Ｘ線放射を生成するためにＸ線管に提供及び／又は供給される。
【００５１】
上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置のみならず、Ｘ線撮像機器の特徴、機能、要素、及び／又は特性が、上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置を動作させる方法の特徴、機能、要素、特性、及び／又はステップであることは留意されるべきである。逆もまた同様に、上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置を動作させる方法の特徴、機能、要素、特性、及び／又はステップは、上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置及び／又はＸ線撮像機器の特徴、機能、要素、及び／又は特性である。換言すれば、本発明の１つの態様に関して説明される任意の特徴は、本発明の任意の他の態様のある特徴である。
【００５２】
一実施形態によると、Ｘ線源装置を動作させる方法は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって共振コンバータの基準インダクタ電流を決定するステップをさらに有する。代替的には又はさらに、Ｘ線源装置を動作させる方法は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたってコンバータ装置の基準出力電圧を決定するステップをさらに有する。
【００５３】
一実施形態によると、Ｘ線源装置を動作させる方法は、
電源電圧の値を測定するステップと、
例えば、測定された電源電圧値を基準出力電圧値から減算することによって、電源電圧の測定値を基準出力電圧値と比較するステップと、
基準出力電圧値から電源電圧の測定値の偏差を指示するフィードバック制御信号を生成するステップと、
フィードバック制御信号を前処理制御器によって決定された制御信号に付加するステップと、
付加したフィードバック制御信号及び制御信号に基づいてスイッチング信号を決定するステップと、をさらに有する。
【００５４】
本発明のさらなる態様が、Ｘ線源装置の制御器装置上で実行される時、上で及び以下に説明されるようなＸ線源装置を動作させる方法のステップの少なくとも一部を実行するように制御器装置に命令する、コンピュータプログラム要素に関連していることに留意されたい。そこで、制御器装置は、上で及び以下に説明されるような前処理制御器及び／又は制御器を備える。とりわけ、コンピュータプログラム要素は、共振コンバータの数学的モデルに基づいて所定の時間帯にわたって共振コンバータの基準デューティ比を決定するステップと、所定の時間帯にわたって基準デューティ比と相関する制御信号を決定するステップと、を実行するように制御器装置に命令する。
【００５５】
本発明のなおさらなる態様は、上で及び以下に説明されるようなコンピュータプログラム要素が記憶されるコンピュータ可読媒体に関連している。
【００５６】
本発明のこれらの及び他の態様は、以降に説明される実施形態から明らかとなり、且つこれらに関して解明されるであろう。
【００５７】
本発明の主題は、添付の図に示される例示の実施形態を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】例示の実施形態によるＸ線撮像機器を概略的に示す図である。
【図２】例示の実施形態によるＸ線源装置を概略的に示す図である。
【図３】図２のＸ線源装置によって決定されるＸ線源装置のシステム変数を示す図である。
【図４】例示の実施形態によるＸ線源装置のコンバータ装置を概略的に示す図である。
【図５】例示の実施形態によるＸ線源装置を概略的に示す図である。
【図６】例示の実施形態によるＸ線源装置を概略的に示す図である。
【図７】例示の実施形態によるＸ線源装置を動作させる方法のステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
原則として、同一の又は同様の部分及び／若しくは要素には、図において同じ参照符号が与えられる。
【００６０】
図１は、例示の実施形態によるＸ線撮像機器１００を概略的に示す。
【００６１】
Ｘ線撮像機器１００は、Ｘ線放射１０２を生成する及び／又は発するＸ線源装置１０、及びＸ線源装置１０が発したＸ線放射１０２の少なくとも一部を検出するＸ線検出器１０４を備える。Ｘ線検出器１０４は、照射される物体１０５を通過するＸ線放射１０２を検出するように配置される及び／又は構成される。Ｘ線源装置１０の要素、特徴、及び／又は機能について、以下の図を参照してより詳細に説明する。
【００６２】
さらに、Ｘ線撮像機器１００は、Ｘ線源装置１０及び／又はＸ線検出器１０４を制御するための制御装置１０６を備える。
【００６３】
一般的に、Ｘ線撮像機器１００は、例えば、Ｃ−アームシステム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）用撮像機器、コーンビーム撮像機器、及び／又はコーンビームＣＴ用撮像機器などの任意の種類のＸ線撮像機器である。
【００６４】
図２は、例示の実施形態によるＸ線源装置１０を概略的に示す。図２のＸ線源装置１０は、例えば、図１に示されるＸ線撮像機器１００において採用される。図３は、図２のＸ線源装置１０によって決定されるように、それぞれ、時間ｔの関数としてＸ線源装置１０のシステム変数２６、２８、３０を示し、ｙ軸はシステム変数２６、２８、３０の値を指し、ｘ軸は任意の単位における時間ｔを指す。より具体的には、図３における実線２６は時間ｔの関数として基準デューティ比２６の軌道を示し、破線２８は時間ｔの関数として基準インダクタ電流２８の軌道を示し、点線３０は時間ｔの関数として基準出力電圧３０の軌道を示す。基準デューティ比２６は図３に示されるようにゼロから１に及ぶ。さらに、例証の目的で、図３に示される基準インダクタ電流２８及び基準出力電圧３０はそれぞれ、対応する最大値に正規化される。
【００６５】
Ｘ線源装置１０は、前処理制御器１２、変調器１４、インバータ１８及び共振コンバータ２０を有するコンバータ装置１６、及びＸ線放射１０２を生成する及び／又は発するＸ線管２２を備える。Ｘ線管２２は、例えば、単焦点スポットＸ線管、二焦点スポットＸ線管、及び／又はステレオＸ線管などの任意の種類のＸ線管２２である。
【００６６】
図２に示されるように、前処理制御器１２及び／又は前処理制御器１２の出力は、変調器１４、及び／又は変調器１４の入力に結合及び／又は接続される。さらに、変調器１４及び／又は変調器の出力は、コンバータ装置１６及び／又はコンバータ装置１６のインバータ１８に結合及び／又は接続される。インバータ１８は共振コンバータ２０に接続及び／又は結合される。また、コンバータ装置１６及び／又は共振コンバータ２０は、Ｘ線管２２に結合及び／又は接続される。
【００６７】
前処理制御器１２は、図４を参照してより詳細に説明される、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて、図３に示される例示としてのシステム変数２６、２８、３０の軌道を、決定、計算、及び／又は算出するように構成される。とりわけ、前処理制御器１２は、数学的モデルに基づいて、図３におけるｔ０からｔ３に及ぶ、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比２６を決定するように構成される。さらに、前処理制御器１２は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて、所定の時間帯３２にわたって基準インダクタ電流２８及び基準出力電圧３０をそれぞれ決定するように構成され、基準デューティ比２６はさらにまた、基準インダクタ電流２８及び基準出力電圧３０に基づいて前処理制御器１２によって決定される。
【００６８】
前処理制御器１２は、所定の時間帯３２全体にわたって、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０を決定する。しかしながら、前処理制御器１２はまた、さまざまな部分時間帯３４、３６、３８において、とりわけ、少なくとも３つの部分時間帯３４、３６、３８において基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０を決定するように構成される。図３を参照すると、第１の部分時間帯３４はｔ０からｔ１に及び、第２の部分時間帯３６はｔ１からｔ２に及び、第３の部分時間帯３８はｔ２からｔ３に及ぶ。
【００６９】
例として、第１の部分時間帯３４において、基準インダクタ電流２８は、例えば、多項式関数などの、十分に平滑な及び／又は連続的な微分可能関数によって、最大電流値である公称電流値まで上昇及び／又は増加させる。共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて、第１の部分時間帯３４における、対応する基準出力電圧３０及び／又は基準デューティ比２６はさらにまた、算出及び／又は決定される。
【００７０】
第２の部分時間帯３６において、基準インダクタ電流２８は公称電流値で一定のままであり、第２の部分時間帯３６における対応する基準出力電圧３０及び／又は基準デューティ比２６は、さらにまた、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて算出及び／又は決定される。
【００７１】
第３の部分時間帯３８において、基準インダクタ電流２８は、例えば、共振インダクタ電流値など、共振コンバータ２０の定常状態の電流値まで減少させる。また、第３の部分時間帯３８において、基準インダクタ電流２８は、十分に平滑な及び／又は連続的な微分可能関数によって表される。共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて、第３の部分時間帯３８における対応する基準出力電圧３０及び／又は基準デューティ比２６はさらにまた、算出及び／又は決定される。
【００７２】
基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０は、順序通りに、第１の部分時間帯３４、第２の部分時間帯３６、及び第３の部分時間帯３８において決定される。換言すれば、前処理制御器１２において採用される明快な計画アルゴリズムは、さまざまな状況において十分なものである。しかしながら、何らかの逆計画が適切である状況もある。それ故に、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０は、第１の部分時間帯３４、第２の部分時間帯３６、及び第３の部分時間帯３８において任意順序で決定される。例として、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０は、第２の部分時間帯３２がいつ終了するのかを決定するために、すなわち、時間ｔ２を決定するために、第２の部分時間帯３６の前に第３の部分時間帯３８において決定される。
【００７３】
一般的に、オプションとして、少なくとも３つの部分時間帯３４、３６、３８に分割される所定の時間帯３２にわたって、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０を決定することによって、前処理制御器１２、及び／又はそこで採用される計画アルゴリズムは、時間的に先を見越す。そこで、計画的対象期間は、共振コンバータ２０のいくつかの自然共鳴期間を含む。
【００７４】
さらに、前処理制御器１２は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて、所定の時間帯３２にわたって、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０を決定することによって、Ｘ線源装置１０のいずれのハードウェア上の制約も考慮に入れるように構成されることに留意されたい。これによって、ゼロ〜１の間隔内にある基準デューティ比２６が生じる。さらに、基準インダクタ電流２８は、例えば約３００Ａの、例えば、数百アンペア程度である所望の最大電流値を超えることはない。また、いずれのアクチュエータ上の制約も考慮され、これはさらにまた、ゼロ〜１の間隔内にあるデューティ比２６をもたらす。さらに、これらのアクチュエータ及び／又はハードウェア上の制約は、前処理制御器１２において採用される軌道計画アルゴリズムによって考慮されることに留意されたい。換言すれば、ハードウェア保護手段はこれらの制約を押し通すために必要とされない。
【００７５】
さらに、前処理制御器１２は、所定の時間帯３２にわたって決定された基準デューティ比２６と相関する及び／又はこれを指示する制御信号１３を決定するように構成される。制御信号１３はデジタル及び／又は連続制御信号１３を指す。また、前処理制御器１２は、制御信号１３を変調器１４に提供する及び／又は供給するように構成される。
【００７６】
変調器１４は、制御信号１３に基づいてスイッチング信号１５を決定する及び／又は導出するように構成される。スイッチング信号１５は、離散的なスイッチング信号１５を指し、インバータ１８を作動させるためにインバータ１８に提供される及び／又は供給される。より具体的には、インバータ１８は、少なくとも１つの半導体スイッチを有する少なくとも１つのハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールを備え、変調器１４は、インバータ１８を作動させるために少なくとも半導体スイッチのゲート端子にスイッチング信号１５を供給するように構成される。スイッチング信号１５の決定のために、変調器１４は、例えば、パルス幅変調、パルス周波数変調、及び／又はデルタシグマ変調といった任意の変調方式を適用するように構成されることで、連続制御信号１３を離散的なスイッチング信号１５に変換することが可能になる。
【００７７】
スイッチング信号１５に従ってコンバータ装置１６及び／又はインバータ１８を作動させることによって、所望の電源電圧及び／又は電源電圧パルスは、コンバータ装置１６によって最後に生じる。生成された電源電圧及び／又は電源電圧パルスは、さらにまた、Ｘ線管２２に供給されて、Ｘ線放射１０２及び／又はＸ線放射１０２のパルスを生成する。
【００７８】
図４は、例示の実施形態によるＸ線源装置１０のコンバータ装置１６を概略的に示す。より具体的には、図４はコンバータ装置１６の回路を示す。別段述べられていない限り、図４のコンバータ装置１６は、先の図１〜図３を参照して説明されるコンバータ装置１６と同じ特徴、機能、及び／又は要素を含む。
【００７９】
コンバータ装置１６は、コンバータ装置１６の共振コンバータ２０に電力を供給するための、とりわけ、共振コンバータ２０に入力電圧ｖｅを供給するためのインバータ１８を備える。入力電圧ｖｅは、三相交流をＤＣ電流に変換することによってインバータ１８の少なくとも１つのハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールによって生じる。そこで、少なくとも１つのハーフブリッジモジュール及び／又はフルブリッジモジュールは、電圧ＶＤＣによってＤＣバスで働く。よって、出力電圧ｖｅは、−ＶＤＣ、０又は＋ＶＤＣの値を取る。
【００８０】
コンバータ装置１６の共振コンバータ２０は、インダクタコイルＬＳ、インダクタコイルＬＳに直列に接続されるコンデンサＣＳ、及びコンデンサＣＰを備える、ＬＣＣ回路とも称される、直列並列共振コンバータ４０を含む。
【００８１】
共振コンバータ２０は、昇圧コンデンサＣＫの形式の倍電圧器、及び４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４を有するダイオード整流器４２をさらに備える。そこで、昇圧コンデンサＣＫは、直列並例共振コンバータ４０とダイオード整流器４２との間に配置される。昇圧コンデンサＣＫは、コンバータ装置１６の増倍電圧整流器の一部を指す及び／又はこれの一部である。よって、昇圧コンデンサＣＫは、コンバータ装置１６の任意の電圧増倍回路を指す及び／又はこれを表す。
【００８２】
さらに、共振コンバータ４０は、ダイオード整流器４２と負荷Ｒとの間に配置される、容量性出力フィルタとしての役割を果たすコンデンサＣＡを備える。負荷Ｒは、例えば、図２に示されるように、コンバータ装置１６によって駆動されるＸ線管２２を示す及び／又はモデリングする抵抗Ｒを指す。例として、Ｘ線管２２は図４における抵抗Ｒとしてモデリングされる。しかしながら、任意の他のモデリング手法も使用される。例えば、Ｘ線管２２は、電流シンク及び／又は電力シンクとしてモデリングされる。
【００８３】
それ故に、共振コンバータ２０は、電気エネルギーを蓄積するために合計５個のエネルギー蓄積素子を備える。これらの５個のエネルギー蓄積素子は、インダクタコイルＬＳ及びコンデンサＣＳ、ＣＰ、ＣＫ、及びＣＡである。これらのエネルギー蓄積素子全ては、以下により詳細に説明されるように、共振コンバータ２０の数学的モデルにおいて含有される及び／又は考慮に入れられる。
【００８４】
コンバータ装置１６は、量子演算モードで動作させ、この場合、インバータ１８は、共振コンバータ２０において流れるインダクタ電流ｉＬのゼロ交差のところで、ゼロ交差の近くで及び／又はゼロ交差に近接して作動させる。換言すれば、インバータ１８のフルブリッジモジュール及び／又はハーフブリッジモジュールは、インダクタ電流ｉＬのゼロ交差に近接して及び／又は近くでスイッチされる。「インダクタ電流のゼロ交差の近くで」という用語は、インバータ１８を厳密にゼロ交差でスイッチすること、及び／又はある特定の固定移相を有するインバータ１８をインダクタ電流ｉＬのゼロ交差の前にスイッチすること、及び／又は調節可能な及び／又は適応可能な移相を有するインバータ１８をゼロ交差の前にスイッチすることを含み、この場合、位相の量はコンバータ装置１６の変数から導出される。
【００８５】
以下では、共振コンバータ２０の数学的モデルについて、図４を参照してより詳細に説明する。
【００８６】
コンバータ装置１６の制御について、入力電圧ｖｅは、インダクタ電流ｉＬ又はゼロ電圧に対して同位相又は非同位相であるようにのみ選定される。インバータ１８の少なくとも１つの電力半導体及び／又は少なくとも１つの半導体スイッチは、コンバータ装置１６の電源電圧ｖＡ及び／又は出力電圧ｖＡが時間と共にゆっくりと変動していること、インバータ１８を駆動するための電圧ＶＤＣが一定であること、及び理想的なスイッチングがインダクタ電流ｉＬのゼロ交差で生じることが理想的であることが想定される。上で既に略述したように、電源電圧ｖＡは、コンバータ装置１６を介してＸ線管２２に供給される電圧を示す。この電源電圧ｖＡはまた、実際の出力電圧ｖＡ及び／又はコンバータ装置１６の出力電圧ｖＡであり、これは、数学的モデルに基づいて決定及び／又は算出される時に基準出力電圧ｖＡと称される。また、電源電圧ｖＡ、出力電圧ｖＡ、及び／又は基準出力電圧ｖＡは、コンバータ装置１６のフラットな出力であり、これはさらに、図４におけるコンデンサＣＡにわたる電圧である。
【００８７】
さらに、少なくともいくつかの高電圧の応用では、巻数比ｗ１／ｗ２によるコンデンサＣＳとＣＰとの間の変圧器が使用され、コンデンサＣＰ、ＣＫ、及びＣＡ、並びに負荷Ｒの値が、変圧器の一次側において相当値になるように算出されることが想定されることは、留意されたい。
【００８８】
さらに、数学的モデルにおける共振コンバータ２０のモデリングは、一般化された平均化法に基づく。換言すれば、数学的モデルは、共振コンバータ２０のゆっくり変動する特性のみを考慮する平均数学的モデルである。
【００８９】
数学的モデルでは、共振コンバータ２０における電流及び電圧、並びにインバータ１８によって生成された入力電圧ｖｅの波形は、純粋正弦波であり、共振周波数ωｒにおいてそれらの基本波によって表されることが想定される。対照的に、整流電流ｉｒｅｃ及び出力電圧ｖＡは、ゆっくりと時間的に変動するそれらの平均値と置き換えられる。
【００９０】
共振周波数による速い過渡のモデリングは、基本波の正弦部分及び余弦部分のゆっくりと時間的に変動する振幅のモデリングと置き換えられることにさらに留意されたい。しかしながら、モデリングの重要な部分は、非正弦波形の基本表現の算出である。出力倍電圧器を有する直列並列共振コンバータ４０において、並列共振コンデンサＣＰにおける電流は、非正弦形を有するため、その基本波成分と置き換えられる。基本波成分は、例えば、１つの周期でのフーリエ級数算出によって導出される。基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧を決定するために前処理制御器１２において使用される及び／又は採用される数学的モデルは、さらにまた、スイッチされたモデルにおけるシステム変数をそれらの基本表現と置き換えることによって導出される。結果として生じる式はさらにまた、正弦部分及び余弦部分に分離される。
【００９１】
共振コンバータ２０に対して結果として生じる数学的モデルは、最後に、非線形一次微分方程式及び非線形二次微分方程式によって示される。
【数１】
2020514987.tif 000003
、及び
【数２】
2020514987.tif 000004
ここで、ｉＬは基準インダクタ電流を示し、ｖＡは基準出力電圧を示し、ｒは基準デューティ比を示す。この数学的モデルは、負荷Ｒ、すなわち、Ｘ線管２２が上記のように電流シンク及び／又は電力シンクによってモデリングされる場合、当業者によってわずかに修正されることに留意されたい。数学的モデルの一次方程式及び二次方程式から明らかであるように、基準インダクタ電流ｉＬに対する軌道が、例えば、図３を参照して説明されるような所定の時間帯３２、及び３つの部分時間帯３４、３６、３８にわたって選定される場合、基準出力電圧ｖＡ及び基準デューティ比ｒは、数学的モデルの一次微分方程式及び二次微分方程式に基づいて所定の時間帯３２にわたって算出及び／又は決定される。
【００９２】
以下では、数学的モデルの特性について要約する。数学的モデルは、基準インダクタ電流ｉＬ、出力電圧ｖＡ、及び基準デューティ比ｒの間の関係を表す一次微分方程式及び二次微分方程式を含む。より具体的には、一次微分方程式は非線形微分方程式であり、二次微分方程式は線形微分方程式である。一次微分方程式において、インダクタ電流ｉＬの時間導関数は３つの項の和に比例しており、この場合、第１項は基準デューティ比ｒに比例しており、第２項は基準インダクタ電流ｉＬで除算された基準出力電圧ｖＡの２乗に比例しており、第３項は基準出力電圧ｖＡに比例している。二次微分方程式において、基準出力電圧ｖＡの時間導関数は３つの項の和に比例している。第１項はインダクタ電流ｉＬに比例しており、第２項は基準出力電圧ｖＡに比例しており、第３項はまた基準出力電圧ｖＡに比例している。より具体的には、第３項は負荷Ｒで除算される基準出力電圧ｖＡである。
【００９３】
さらに、数学的モデルは平均数学的モデルであり、この場合、コンバータ装置１６のシステム変数の少なくとも一部、すなわち、基準インダクタ電流ｉＬ、基準出力電圧ｖＡ、及び／又は基準デューティ比ｒは、共振コンバータ２０の少なくとも１つの共振周期にわたって、とりわけ、少なくとも２つ及び／又は少なくとも３つの共振周期にわたって平均化される。また、システム変数の少なくとも一部は、共振コンバータ２０の少なくとも５〜１０の共振周期にわたって平均化される。そこで、「平均化する」及び／又は「平均化」という用語は、各システム変数のゆっくりと時間的に変動する成分を表すためにシステム変数の少なくとも一部のフーリエ級数展開の振幅及び／又は振幅の使用を指す。
【００９４】
図５は、例示の実施形態によるＸ線源装置１０を概略的に示す。別段述べられていない限り、図５のＸ線源装置１０は、先の図を参照して説明したＸ線源装置１０と同じ特徴、機能、及び／又は要素を含む。
【００９５】
先の図において説明したＸ線源装置１０の特徴及び／又は要素に加えて、図５のＸ線源装置１０は、Ｘ線管２２に対してコンバータ装置１６によって供給された電源電圧の値を測定するための電圧測定装置１９によるフィードバックループ１７を含む。
【００９６】
さらに、Ｘ線源装置１０及び／又はフィードバックループ１７は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて前処理制御器１２によって決定されるような基準出力電圧ｖＡからの電源電圧の偏差を補償するように構成される制御器２１を含む。この目的のために、前処理制御器１２及び／又は前処理制御器１２のさらなる出力部は、制御器２１に結合及び／又は接続される。それとは別に、制御器２１及び／又はこの出力部は、変調器１４に結合及び／又は接続される。
【００９７】
基準出力電圧ｖＡからの電源電圧の偏差を補償するために、制御器２１は、前処理制御器１２によって制御器２１に提供された基準出力電圧値を、電源電圧の測定値と比較するように構成される。この比較は、例えば、図５における円２３によって概略的に指示されるように、基準出力電圧値から電源電圧の測定値を減算することによって行われ、これは制御器２１の比較モジュール２３を指す。
【００９８】
また、制御器２１は、基準出力電圧値からの電源電圧の測定値の偏差を指示するフィードバック制御信号２５を決定するように構成される。このフィードバック制御信号２５はさらにまた、前処理制御器１２によって提供される、基準デューティ比ｒと相関する制御信号１３に付加され、付加された信号２７は、付加された信号２７に基づいてスイッチング信号１５を生成するために変調器１４に提供及び／又は供給される。これによって、基本的に、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比２６の軌道に従って共振コンバータ２０を案内することが可能になる。
【００９９】
さらに、本発明の発明者によって、図４を参照して詳細に説明されるように、数学的モデルによってモデリングされる共振コンバータ２０がフラットな力学系であることが分かったことに留意されたい。それ故に、基準出力電圧ｖＡに適用されるいずれの関数も共振コンバータ２０のフラットな出力である。これによって、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比ｒ、２６と相関する制御信号１３を変調器１４にフィードフォワードすることによって共振コンバータ２０を線形化することが可能になる。
【０１００】
その結果として、制御器２１は線形制御器２１であり、フィードバック制御信号２５は、定係数によって１階線形常微分方程式を解することに基づいて決定される。換言すれば、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比２６と相関する制御信号１３によって共振コンバータ２０を線形化することによって、数学的モデルの方程式の非線形系は、以下の微分方程式の形式における明確な線形誤差ダイナミクスに従って作動する。
【数３】
2020514987.tif 000005
ここで、ｅは、基準出力電圧値からの電源電圧の測定値の偏差を示す。これらの項は、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比ｒの軌道２６に従ってコンバータ装置１６を案内するためにＸ線源装置１０の動作中に制御器２１によって決定される。
【０１０１】
より具体的には、誤差変数及び／又は誤差信号ｅの誤差ダイナミクスは、次の形式の同次２階線形常微分方程式によって律則される。
【数４】
2020514987.tif 000006
ここで、ｅは誤差変数を示し、
【数５】
2020514987.tif 000007
は誤差変数の一次時間導関数を示し、
【数６】
2020514987.tif 000008
は誤差変数の二次時間導関数を示す。制御器２１はさらにまた、この２階微分方程式の導関数部
【数７】
2020514987.tif 000009
及び比例部ｃｐｅを決定する。これらの２つの部分はそれ故に、１階線形微分方程式を指し、この１階線形微分方程式から、フィードバック制御信号２５は制御器２１によって合成及び／又は決定される。そこで、導関数部の係数ｃｄ及び比例部の係数ｃｐは、例えば、図６を参照して説明されるように、第１の制御器パラメータ５０及び第２の制御器パラメータ５２の形式において、前処理制御器１２によって決定及び／又は提供可能である。
【０１０２】
上で既に述べたように、これによって、制御器２１が、比例部及び／又は項、並びに導関数部及び／又は項を有する線形制御器２１であり、導関数部が主要になることが可能になる。原理的には、これは、制御目的を達成するのに、すなわち、基準デューティ比ｒの軌道２６に従って共振コンバータ２０を案内するのに十分である。しかしながら、図５に示される線形制御器２１はまた、微小積分項を有し、この場合、制御器２１のこの微小積分項を、従来のＸ線源装置において採用される制御器の積分動作と混同しないようにする。本発明による制御器２１の微小積分項は、数学的モデルと現実の共振コンバータ２０との間の小さな矛盾を補償する。これらの矛盾は、数学的モデルが、現実の共振コンバータ２０のある特定の態様を無視し、且つ長期間挙動に重点を置くための平均化に基づくため、不可避である。しかしながら、このような数学的平均モデルは、共振コンバータ２０のフラット性を利用する効率的な軌道計画アルゴリズムを助長する。
【０１０３】
以下では、本発明のさまざまな態様について簡潔に要約する。本発明は、所定の時間帯３２にわたって基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０にとって適切な軌道の決定及び実施に基づく。共振コンバータ２０のゆっくりと変動する特性のみをとらえる平均数学的モデルが適用される。この数学的モデルを使用して、所定の時間帯３２にわたって、基準デューティ比２６、基準インダクタ電流２８、及び／又は基準出力電圧３０を決定する。さらに、基準出力電圧値は電源電圧の測定値と比較され、この比較からもたらされる誤差信号は制御器２１に送られる。また、基準デューティ比ｒ（２６）は次いで、制御器２１のフィードバック制御信号２５に付加され、且つ変調器１４にフィードフォワードされる。フィードフォワードされた基準デューティ比２６は、共振コンバータ２０の線形化を達成し、且つ線形制御器設計を可能にする、すなわち、線形制御器２１を使用することを可能にする。上記のように、変調器１４は、連続的に付加された信号２７、すなわち、付加された制御信号１３及びフィードバック制御信号２５をスイッチング信号１５に変える。離散的なスイッチング信号１５はさらにまた、共振コンバータ２０の入力段階であるインバータ１８の半導体スイッチにとって適切なゲート信号を導出するために使用される。
【０１０４】
図６は、例示の実施形態によるＸ線源装置１０を概略的に示す。別段述べられていない限り、図６のＸ線源装置１０は、先の図を参照して説明されるＸ線源装置１０と同じ特徴、機能、及び／又は要素を含む。
【０１０５】
先の図において説明されるように、基準デューティ比ｒは、例えば、システムのフラットな出力によって、及び／又は例えば、数値積分法なしで、前処理制御器１２によって決定される。基準デューティ比ｒ及び／又は基準デューティ比ｒの軌道は、制御信号１３の形式でフィードフォワードされる。これによって、コンバータ装置１６及び／又はＸ線源装置１０の線形化が達成される。直列並列共振コンバータの場合、線形化は誤差信号及び／又は誤差変数ｅをもたらし、これは、基準出力電圧値と電源電圧の測定値との間の相違であり、図５を参照して説明されるように、定係数による同次２階線形常微分方程式によって律則される。換言すれば、共振コンバータ２０及び／又はコンバータ装置１６は非線形系であるが、この誤差ダイナミクスは線形微分方程式によって律則される。
【０１０６】
図６に示される制御器２１は、誤差ダイナミクスを決定する２階微分方程式の誤差変数の一次時間導関数
【数８】
2020514987.tif 000010
、及び誤差変数ｅ自体を決定する及び／又は与える。２つの係数ｃｄ及びｃｐは、同次２階線形常微分方程式の、所定の時間帯にわたって決定される特定の基準デューティ比ｒに対する定係数である、及び／又は制御器２１の比例部及び導関数部と関連付けられる。そこで、導関数部の係数ｃｄは制御器２１の第１の制御器パラメータ５０に関連及び／又はこれと相関しており、比例部の係数ｃｐは制御器２１の第２の制御器パラメータ５２に関連及び／又は相関している。
【０１０７】
さらに、前処理制御器１２は、第１の制御器パラメータ５０及び／又は第２の制御器パラメータ５２を決定、計算、及び／又は算出するように構成される。同様に、前処理制御器１２は、係数ｃｄ及びｃｐの１つ又は両方を決定するように構成される。これらの２つの係数並びに／又は第１の制御器パラメータ５０及び第２の制御器パラメータ５２は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて前処理制御器１２によって導出される。
【０１０８】
とりわけ、第１の制御器パラメータ５０及び第２の制御器パラメータ５２は、第１の基準出力電圧がコンバータ装置１６によって生じる、コンバータ装置１６の第１の状態と、第２の基準出力電圧がコンバータ装置１６によって生じる、コンバータ装置１６の第２の状態との間の遷移時間、例えば、事前計算された遷移時間から導出される。遷移時間は所定の時間帯を指し、これにわたって、基準デューティ比ｒは決定される。第１の状態及び第２の状態は、平衡点又は平衡状態を指す。前処理制御器１２は、図５を参照して説明されるように、同次２階線形常微分方程式の固有値が、ある特定の値及び／又は特定値を想定するように、第１の制御器パラメータ５０及び第２の制御器パラメータ５２を決定する。固有値によってさらにまた、２階線形微分方程式のダイナミクスを決定する。それ故に、適切な係数ｃｄ、ｃｐを選定することによって、及び／又は適切な制御器パラメータ５０、５２を選定することによって、コンバータ装置１６の誤差ダイナミクスは、電源電圧を第１の状態の初期値から第２の状態の最終値まで変更するなど、特定の制御目的を達成するのに適切とみなされるやり方で、直接影響され得る。
【０１０９】
それ故に、制御器パラメータ５０、５２の設計は、軌道計画プロセス、すなわち、所定の時間帯にわたって基準デューティ比ｒを決定することが終了した直後に続く、透明で自動的な繰り返し可能なプロセスになる。換言すれば、所定の時間帯にわたる基準デューティ比ｒのそれぞれの軌道計画及び／又はそれぞれの決定は、事前計算された軌道に従ってシステムを安定させる、一意の制御器パラメータ５０、５２を有する第１の状態と第２の状態との間の所望の遷移と関連付けられる。
【０１１０】
要約すると、前処理制御器１２は、第１の制御器パラメータ５０及び第２の制御器パラメータ５２の少なくとも１つ又は両方を決定する。前処理制御器１２は、制御器２１に対して、決定された第１の制御器パラメータ５０及び／又は第２の制御器パラメータ５２を提供する、出力する、及び／又はフィードフォワードする。制御器２１はさらにまた、誤差変数ｅ及び誤差変数の一次時間導関数
【数９】
2020514987.tif 000011
を決定する。制御器２１は、誤差変数ｅ、誤差変数の一次時間導関数
【数１０】
2020514987.tif 000012
、第１の制御器パラメータ５０、及び／又は第２の制御器パラメータ５２に基づいて変調器１４に提供されるフィードバック制御信号２５を決定及び／又は合成するようにさらに構成される。これによって、Ｘ線源装置１０及び／又はコンバータ装置１６を、所定の時間帯にわたって決定される基準デューティ比ｒに従って正確に案内することが可能になる。
【０１１１】
図７は、例示の実施形態によるＸ線源装置１０を動作させる方法のステップを示すフローチャートを示す。Ｘ線源装置１０は、Ｘ線管２２、及び電源電圧をＸ線管２２に提供するための、インバータ１８及び共振コンバータ２０を有するコンバータ装置１６を備える。しかしながら、Ｘ線源装置１０はまた、先の図を参照して説明されるような任意のさらなる特徴及び／又は要素を含む。
【０１１２】
第１のステップＳ１では、所定の時間帯３２にわたる共振コンバータ２０の基準デューティ比２６は、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて決定される。さらに、所定の時間帯３２にわたる共振コンバータ２０の基準インダクタ電流２８、及び／又は所定の時間帯３２にわたるコンバータ装置１６の基準出力電圧３０は、ステップＳ１において、共振コンバータ２０の数学的モデルに基づいて決定される。
【０１１３】
ステップＳ２において、所定の時間帯３２にわたる基準デューティ比２６と相関する制御信号１３が決定される。
【０１１４】
ステップＳ３において、スイッチング信号１５は、制御信号１３に基づいて、例えば、Ｘ線源装置１０の変調器１４によって制御信号１３をスイッチング信号１５に変換することによって、決定される。
【０１１５】
ステップＳ４において、コンバータ装置１６のインバータ１８は、電源電圧がコンバータ装置１６によって生じるように、スイッチング信号１５をインバータ１８に提供することによって作動させ、この信号は、Ｘ線放射１０２を生成するためにＸ線管２２に供給される。
【０１１６】
オプションのステップＳ５では、電源電圧の値が、例えば、Ｘ線源装置１０の電圧測定装置１９によって測定される。
【０１１７】
さらなるオプションのステップＳ６では、電源電圧の測定値は、Ｘ線源装置１０の制御器２１によって基準出力電圧値と比較される。
【０１１８】
さらなるオプションのステップＳ７では、基準出力電圧値からの電源電圧の測定値の偏差を指示するフィードバック制御信号２５は、制御器２１によって決定される。
【０１１９】
さらなるオプションのステップＳ８において、フィードバック制御信号２５は、前処理制御器２１によって決定される制御信号１３に付加される。
【０１２０】
さらなるオプションのステップＳ９では、スイッチング信号１５は、付加されたフィードバック制御信号２５及び制御信号１３に基づいて決定される。
【０１２１】
本発明は、図面及び先述の説明において詳細に例証され且つ説明されているが、このような例証及び説明は、例証又は例示とみなされるものとして制限するのものではなく、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することによって、当業者が理解し且つ成し遂げることができ、特許請求された発明を実践できるものである。
【０１２２】
特許請求の範囲において、単語「備える」は他の要素又はステップを除外するものではなく、単数形は複数を除外するものではない。単に、ある特定の方策が相互に異なる従属請求項に列挙されるという事実は、これらの方策の組み合わせを有利になるように使用できないことを指示するものではない。特許請求の範囲におけるいずれの参照符号も、この範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【図１】
2020514987.tif 000013
【図２】
2020514987.tif 000014
【図３】
2020514987.tif 000015
【図４】
2020514987.tif 000016
【図５】
2020514987.tif 000017
【図６】
2020514987.tif 000018
【図７】
2020514987.tif 000019
【国際調査報告】
2020514987.tif 000020
2020514987.tif 000021