CN102508183B - 一种负载自适应控制的数字可变频pwm梯度放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，用于驱动梯度线圈，进而产生磁共振系统成像所需的梯度场。由数字控制及处理部分、功率部分和输出信号检测部分组成。本发明的负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，能根据不同的输出负载，自动调节最佳的PID控制参数，并通过数字信号处理和数字变频，形成驱动功率部分的PWM控制信号，产生所需的目标梯度场。本发明的梯度放大器，能够降低硬件成本，提升工作效率，最大程度优化梯度系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种特别用于磁共振成像系统的一种梯度放大器。该梯度放大器，用于产生和控制磁共振成像系统内的梯度线圈中的脉冲电流。
背景技术
梯度系统是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为系统提供线性度和精度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体素的空间定位。梯度系统由梯度波形发生器产生控制信号作为梯度放大器的输入，梯度放大器的电流输出驱动三组梯度线圈，在成像空间内产生梯度场，给出成像部位的空间坐标，使图像中各像素与人体成像部位一一对应。
梯度系统包括梯度波形发生器、梯度放大器和负载(梯度线圈)三部分。现阶段普遍使用的梯度放大器，都采用模拟量进行处理和控制。在负载(梯度线圈)识别和对应的PID参数控制上，根据约定的负载情况，采用相对固定的控制参数。这种控制实现方式，无法最大程度优化梯度系统的性能，无法使系统的性能发挥到极致。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，采用的技术方案是：
一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器包括：
数字控制及处理部分(1-1)，用于对梯度控制数据和反馈信号的处理，并根据负载特征自动调节和优化相应的PID参数，实现不同的PWM控制信号；输入端连接梯度波形发生器，接收数字信号的梯度控制数据；输入端连接输出信号检测部分(1-3)，接收反馈信号；输出PWM控制信号到功率部分(1-2)；
功率部分(1-2)，用于完成电压源到电流源的功率转换；输入端连接数字控制及处理部分(1-1)，接收PWM控制信号；输出电流至负载；
输出信号检测部分(1-3)，用于检测输出电流对应梯度线圈内的目标电流，或检测电磁场对应目标梯度场；获取负载的电流或电磁场信号反馈到数字控制及处理部分(1-1)。
所述数字控制及处理部分(1-1)由以下几部分组成：
输入数据预处理模块(2-1)，用于对梯度控制数据进行波形整定、预加重处理；输入端接收来自梯度波形发生器的梯度控制数据；将输入数据输出到自适应控制及数字PID处理模块和输出波形特征甄别及处理模块(2-3)；将前馈数据输出到自适应控制及数字PID处理模块(2-4)；
反馈处理及AD转换模块(2-2)，用于完成将来自电流或电磁场传感器的信号转换成和经过输入数据预处理模块(2-1)后的输入数据对应形式的信号波形；输出反馈数据到自适应控制及数字PID处理模块(2-4)和输出波形特征甄别及处理模块(2-3)；
输出波形特征甄别及处理模块(2-3)，用于完成反馈数据波形与输入数据波形的特征对比，甄别出反馈数据波形的响应特征与预期的输入数据波形响应特征的差别，并将这个差别提取出来形成甄别数据，作为主要控制参数，输出至自适应控制及数字PID处理模块(2-4)中；输入端接收来自输入数据预处理模块(2-1)的输入数据和反馈处理及AD转换模块(2-2)的反馈数据；
自适应控制及数字PID处理模块(2-4)，完成针对不同负载情况下的数字PID控制，进而实现负载自适应控制；输入端接收来自输入数据预处理模块(2-1)的前馈数据和输入数据；输入端接收来自输出波形特征甄别及处理模块(2-3)的甄别数据；输入端接收来自反馈处理及AD转换模块(2-2)的反馈数据；输出PID数据至数字可变频PWM模块(2-5)；
数字可变频PWM模块(2-5)，用于根据甄别数据的触发控制实现不同响应阶段时不同频率的PWM控制；输入端接收来自自适应控制及数字PID处理模块(2-4)的PID数据；输入端接收来自输出波形特征甄别及处理模块(2-3)的甄别数据；输出可变频的PWM控制信号至功率部分(1-2)。
所述梯度控制数据是来自于梯度波形发生器的数字控制数据；所述反馈信号是来自电流传感器和电磁场传感器的模拟信号。所述不同的PWM控制信号是不同频率和不同占空比时的PWM控制信号。所述负载特征指连接负载的电感、电阻及电容的阻抗网络特征。
所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为根据磁共振成像系统的扫描需要，可以增加固定上升时间参数响应、固定上升斜率参数响应、多阶段阶跃响应的不同类型响应，从而得到所需的最优化PID控制参数。所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为将实时响应与响应模型比对，根据误差幅值、时间常数、超调欠调情况，实时形成控制PID参数。所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为引入了前馈数据进行前馈控制。
所述功率部分由全桥电路和滤波单元组成；全桥电路由功率半导体器件组成，结构为一个全桥，或者多个全桥，或者多个全桥移相后并联构成；输入端接收来自于数字控制及处理部分(1-1)的PWM控制信号，输出端连接滤波单元；
滤波单元由电感电容滤波器件组成，构成不同开关频率下的低通滤波；输入端接收来自全桥电路的一定占空比的高压脉冲，输出滤波后的电流至负载。
所述输出信号检测部分(1-3)由电流传感器或电磁场传感器组成。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用负载自适应控制，全数字化信号处理；本发明设计的梯度放大器，能够降低硬件成本，提升工作效率，最大程度优化梯度系统性能。
2.自适应控制的参数优化可以通过两种控制方式实现。可以根据不同的工作需要切换工作方式。
3.方式一的控制方式的优点是，一旦梯度系统固定下来，经过一次负载自适应控制的PID参数优化，得到相应的最优化PID参数后，即可根据这个PID参数运行，节省控制系统的运行资源，加快控制环的运行速度。虽然难以对输入的梯度控制数据的每个瞬间突变进行实时的PID优化响应，但是，这种实现方式已经能够最大程度的优化梯度系统的性能。
4.方式二的负载自适应控制，可以针对当前连接负载的任何时刻的任何激励。这种实现方式的优点是对当前连接负载的、输入的梯度控制数据的每个瞬间突变进行实时的PID优化响应。随着连接的不同负载特征(连接负载的电感、电阻及电容的阻抗网络特征)、不同的输入激励，实时优化PID参数，最大程度优化梯度系统性能。虽然会占用控制系统的运行资源，可能会一定程度的影响控制环的运行速度，但是随着硬件运行速度的不断提高，仍能够优化梯度系统的性能。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2是本发明的数字控制及处理部分结构框图；
图3是本发明的自适应控制及数字PID处理模块中控制方式一的流程图；
图4是本发明的自适应控制及数字PID处理模块中控制方式二的流程图。
图5是本发明的数字可变频PWM模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的梯度放大器如图1所示，由数字控制及处理部分(1-1)(包含处理器件及实现自适应控制及数字可变频PWM的算法)、功率部分(1-2)(实现电压-电流转换)和输出信号检测部分(1-3)组成。
系统采用全数字化信号处理，能根据不同的梯度线圈的负载情况，自动调节最佳的PID控制参数，并通过数字信号处理和数字变频，形成驱动功率部分的PWM控制信号，功率部分的电流输出驱动梯度线圈，产生所需的目标梯度场。系统能够自动调节和优化相应的PID参数，可以通过两种方式实现：
实现方式一的特征为，加已知激励源对梯度放大器进行激励，将检测到的输出特征与相对应的响应模型进行逐级比较，得到拟合PID参数，进行下一次调节，直到达到检测到的输出特征与其响应模型差值在要求阈值内。同时，根据需要，可以选择几组不同类型激励源，进行多次拟合优化，选取最佳PID参数。
实现方式二的特征为，根据输入激励及其对应的实时响应，参照响应模型，实时进行PID参数调节，从而得到比较理想的输出响应。
如图2所示，本发明的数字控制及处理部分(1-1)由以下几部分组成：输入数据预处理模块(2-1)(波形整定、预加重等)、反馈处理及AD转换模块(2-2)、输出波形特征甄别及处理模块(2-3)、自适应控制及数字PID处理模块(2-4)、数字可变频PWM模块(2-5)。
输入数据预处理模块(2-1)：主要完成对来自梯度波形发生器的梯度控制数据进行波形整定、预加重等处理。根据磁共振成像系统的扫描需要，可以增加固定上升时间参数、固定上升斜率参数、多阶段阶跃上升等不同类型输入预处理。上述输入数据预处理模块(2-1)功能根据设定可以选择加入和不加入。
经过预处理的数据，作为输入数据分别输出到自适应控制及数字PID处理模块(2-4)和输出波形特征甄别及处理模块(2-3)。同时，根据预先设置的前馈参数，实时给出对应的前馈数据，提高响应速度，优化系统性能。
反馈处理及AD转换模块(2-2)：主要完成对来自电流传感器或梯度场传感器的信号，转换成和梯度控制输入对应形式的信号波形。将必要的模拟量转换成数字量的器件，为AD转换器件，该器件可以是独立的AD芯片，也可以与数字控制及处理部分的器件集成在一起。
其中电流传感器，如果是电压形式的反馈，经过低噪放大器放大到所需的放大倍数，然后进行AD转换。如果是电流形式的反馈，需要相应精度的取样电阻，转换成所需的电压信号，并经过低噪放大器放大到所需的放大倍数，然后进行AD转换。
梯度场传感器的信号，需要进行相应的积分转换，将场信号(一般为微分信号)转换成和梯度控制输入对应形式的信号波形。经过低噪放大器放大到所需的放大倍数，然后进行AD转换。
经过反馈处理及AD转换模块(2-2)的数据，作为反馈数据分别输出到自适应控制及数字PID处理模块(2-4)和输出波形特征甄别及处理模块(2-3)。
输出波形特征甄别及处理模块(2-3)：主要完成输出波形与输入波形特征对比，甄别出输出波形的响应特征与预期响应的差别，并将这个差别提取出来，作为主要控制参数，加入到自适应控制及数字PID处理模块(2-4)中。
自适应控制及数字PID处理模块(2-4)：主要完成针对不同负载情况下的数字PID控制，进而实现负载自适应控制。输入得到的数据有：前馈数据、输入数据、甄别数据、反馈数据，上述数据作为自适应控制及数字PID处理模块(2-4)的输入参数。自动调节和优化相应的PID参数，可以引入前馈数据进行前馈控制，提高响应速度，优化系统性能。
本发明阐述了两种实现方式。实现方式一如图3所示，在梯度放大器系统需要与负载进行适应时，可以选择启动自适应控制参数优化。激励源给出预设的初始激励信号，与经过反馈处理及AD转换模块(2-2)的反馈数据进行相减，得到相应的误差数据。反馈数据与初始激励信号进行输出波形特征甄别，得到甄别数据。甄别数据对应输出特征，与相对应的响应模型进行比较，得到自适应数据。与误差数据、前馈数据一起，得到拟合PID参数。从而得到相应的PWM控制信号，驱动功率部分(1-2)。同时，对甄别数据进行判断，检测到的输出特征与其响应模型差值是否在要求阈值内。如果不符合要求，继续进行自适应调节；如果符合要求，则进行是否进行下一个激励信号的自适应优化，判断结果如果是需要，则进行下一个激励信号的自适应优化，判断结果如果是不需要，则自适应优化调节结束。根据需要，可以选择几组不同类型激励源，进行多次拟合优化，选取最佳PID参数。这种实现方式的负载自适应控制，在需要时进行内部控制的自适应优化，比如：新的梯度线圈，或者需要梯度系统进一步参数优化的情况。而在不需要自适应控制优化时，梯度放大器系统根据已得到并储存的对应PID参数自动运行。
实现方式二如图4所示，根据输入激励及其对应的实时响应，参照响应模型，实时进行PID参数调节，从而得到比较理想的输出响应。经过前段预处理的输入数据和反馈数据进行相减，得到相应的误差数据。反馈数据与输入数据进行输出波形特征甄别，得到甄别数据。甄别数据对应输出特征，与相对应的响应模型进行比较，得到自适应数据。与误差数据、前馈数据一起，得到拟合PID参数。从而得到相应的PWM控制信号，驱动功率部分(1-2)。
负载自适应控制，自动调节和优化相应的PID参数特征，实时响应与响应模型比对，根据误差幅值、时间常数、类型，实时形成控制PID参数，作为数字可变频PWM模块(2-5)的输入。
数字可变频PWM模块(2-5)：如图5所示，数字可变频PWM模块(2-5)部分由频率控制、数字三角波(或锯齿波)生成器、数字比较器组成。频率控制部分，根据接收到的来自输出波形特征甄别及处理模块(2-3)部分的甄别数据，判断实时响应阶段，从而选择不同的PWM频率，生成数字三角波(或锯齿波)。数字比较器接收上述自适应控制部分生成的PID输出数据，通过与数字三角波(或锯齿波)比较，形成PWM控制信号，去驱动功率部分(1-2)。
数字可变频PWM模块(2-5)控制方式，能够实现不同响应阶段情况下，不同的PWM开关频率控制。这种控制方式，能够有效降低输出纹波电流，最大程度优化梯度系统性能。同时，相应的功率器件就可以选择相对低频元件，降低硬件成本。
功率部分(1-2)：主要完成电压源到电流源的功率转换。由PWM方式工作的功率半导体器件和电感电容滤波器件组成。通过PWM方式工作的功率半导体器件和电感电容滤波器件，将高压电压源转换成预期的电流源，流过负载线圈。
PWM方式工作的功率半导体器件，通过逻辑控制，将高压电压源，转换成一定占空比的高压脉冲，输出到电感电容滤波部分。一定占空比的高压脉冲对应PWM控制信号，对应PID处理后的误差控制信号。如图1所示的K1～K4为功率半导体器件，它是指IGBT、MOS等开关类半导体器件。可以是单种类半导体器件，也可以是几种半导体器件的组合使用。
图1所示的K1～K4组成的结构只是一种示意，其组成结构可以由一个全桥组成，或者由多个全桥并联，也可以由多个全桥移相后并联组成。
电感电容滤波器件，分别将正负两端的一定占空比的高压脉冲滤波成相应的直流电压，在负载线圈两端形成电压差，产生和调节负载线圈内的电流。电感电容滤波器件，组成相对于开关频率下的低通滤波。同时，实现有效工作脉冲时低感抗，其他时间高感抗，降低内部损耗，提高转换效率。
输出信号检测部分(1-3)：检测输出电流或电磁场的器件，根据控制目的和控制方式不同，检测输出电流对应梯度线圈内的目标电流控制；检测电磁场对应目标梯度场控制。检测输出电流或电磁场的器件，检测输出电流的器件可以是霍尔传感器、电阻式传感器、电流互感器等电流检测器件；检测电磁场的器件可以是霍尔式电磁场传感器、线圈式传感器等电磁场检测器件。
反馈处理及AD转换模块、自适应控制及数字PID处理模块和数字变频PWM模块可以是DSP、FPGA、CPLD、MCU等处理器件，也可以是几种器件混合使用。
以上为本发明的优选实施例，但是本发明并不局限于上述特定实施例子，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应改变和变形，如只选用自适应控制或只选用可变频PWM控制、将本发明的电路设计的局部改为模拟电路，而这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围内。
Claims (9)
1.一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于包括：
数字控制及处理部分（1-1），用于对梯度控制数据和反馈信号的处理，并根据负载特征自动调节和优化相应的PID参数，实现不同的PWM控制信号；输入端连接梯度波形发生器，接收数字信号的梯度控制数据；输入端连接输出信号检测部分（1-3），接收反馈信号；输出PWM控制信号到功率部分（1-2）；
功率部分（1-2），用于完成电压源到电流源的功率转换；输入端连接数字控制及处理部分（1-1），接收PWM控制信号；输出电流至负载；
输出信号检测部分（1-3），用于检测输出电流对应梯度线圈内的目标电流，或检测电磁场对应的目标梯度场；获取负载的电流或电磁场信号反馈到数字控制及处理部分（1-1）；
所述数字控制及处理部分（1-1）由以下几部分组成：
输入数据预处理模块（2-1），用于对梯度控制数据进行波形整定、预加重处理；输入端接收来自梯度波形发生器的梯度控制数据；将输入数据输出到自适应控制及数字PID处理模块和输出波形特征甄别及处理模块（2-3）；将前馈数据输出到自适应控制及数字PID处理模块（2-4）；
反馈处理及AD转换模块（2-2），用于完成将来自电流或电磁场传感器的信号转换成和经过输入数据预处理模块（2-1）后的输入数据对应形式的信号波形；输出反馈数据到自适应控制及数字PID处理模块（2-4）和输出波形特征甄别及处理模块（2-3）；
输出波形特征甄别及处理模块（2-3），用于完成反馈数据波形与输入数据波形的特征对比，甄别出反馈数据波形的响应特征与预期的输入数据波形响应特征的差别，并将这个差别提取出来形成甄别数据，作为主要控制参数，输出至自适应控制及数字PID处理模块（2-4）中；输入端接收来自输入数据预处理模块（2-1）的输入数据和反馈处理及AD转换模块（2-2）的反馈数据；
自适应控制及数字PID处理模块（2-4），完成针对不同负载情况下的数字PID控制，进而实现负载自适应控制；输入端接收来自输入数据预处理模块（2-1）的前馈数据和输入数据；输入端接收来自输出波形特征甄别及处理模块（2-3）的甄别数据；输入端接收来自反馈处理及AD转换模块（2-2）的反馈数据；输出PID数据至数字可变频PWM模块（2-5）；
数字可变频PWM模块（2-5），用于根据甄别数据的触发控制实现不同响应阶段时不同频率的PWM控制；输入端接收来自自适应控制及数字PID处理模块（2-4）的PID数据；输入端接收来自输出波形特征甄别及处理模块（2-3）的甄别数据；输出可变频的PWM控制信号至功率部分（1-2）。
2.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述梯度控制数据是来自于梯度波形发生器的数字控制数据；所述反馈信号是来自电流传感器和电磁场传感器的模拟信号。
3.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述不同的PWM控制信号是不同频率和不同占空比时的PWM控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述负载特征指连接负载的电感、电阻及电容的阻抗网络特征。
5.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为根据磁共振成像系统的扫描需要，可以增加固定上升时间参数响应、固定上升斜率参数响应、多阶段阶跃响应的不同类型响应，从而得到所需的最优化PID控制参数。
6.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为将实时响应与响应模型比对，根据误差幅值、时间常数、超调欠调情况，实时形成控制PID参数。
7.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述自动调节和优化相应的PID参数，具体为引入了前馈数据进行前馈控制。
8.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述功率部分由全桥电路和滤波单元组成；
全桥电路由功率半导体器件组成，结构为一个全桥，或者多个全桥，或者多个全桥移相后并联构成；输入端接收来自于数字控制及处理部分（1-1）的PWM控制信号，输出端连接滤波单元；
滤波单元由电感电容滤波器件组成，构成不同开关频率下的低通滤波；输入端接收来自全桥电路的一定占空比的高压脉冲，输出滤波后的电流至负载。
9.根据权利要求1所述的一种负载自适应控制的数字可变频PWM梯度放大器，其特征在于：所述输出信号检测部分（1-3）由电流传感器或电磁场传感器组成。
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