CN110784099A - 梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质。其中，该梯度功率放大器采用功率电路向梯度线圈输出梯度电流，输出滤波器对所述梯度电流的谐波分量进行滤波，电流采样装置采样所述输出滤波器的输出电流，电流获取装置获取所述输出滤波器的滤波电容的电流，控制器根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述功率电路输出的梯度电流。通过本发明，解决了采用LC滤波器进行输出滤波的梯度功率放大器的稳定性低的问题，提高了梯度功率放大器的稳定性。

Description

梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，特别是涉及一种梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质。

背景技术

MR成像设备在医疗领域具有重要的作用。MR成像设备种类繁多，可以包括，例如，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称为MRI)、磁共振血管成像(MagneticResonance Angiography，简称为MRA)、单光子发射计算机断层成像(SPECT)-MR、数字减影心血管造影(DSA)-MR、正电子发射断层扫描(PET)-MR、经颅磁刺激磁共振成像(TMS)-MR、超声扫描(US)-MR等设备，或者上述成像设备的任意组合。MR设备成像时需要梯度磁场进行空间编码，梯度磁场可以由梯度功率放大器将驱动电流施加到梯度线圈中产生。梯度功率放大器可以为MR成像设备提供可快速变化、具有一定线性度的梯度磁场，实现成像体素的空间定位和编码。梯度功率放大器提供的梯度磁场的性能可以影响MR设备成像的质量和速度。

梯度功率放大器主要由功率电路、输出滤波器、梯度滤波器和梯度线圈组成。其中，为了滤除功率电路的输出中的谐波分量，常见的方法是采用LC滤波电路作为输出滤波器。但是如果LC滤波器的谐振频率处于功率电路的工作频率范围内，则在谐振频率下LC滤波器将在负载上产生不希望的大电压，从而导致梯度功率放大器的稳定性下降。

为了避免输出滤波器的LC滤波器的自然振荡对梯度功率放大器的稳定性的破坏，有的产品采用了阻尼电阻，从而牺牲了滤波效率并产生热耗。例如在现有技术中公开了一种梯度功率放大器，该梯度功率放大器的输出滤波器包括第一滤波电感、第二滤波电感、第一滤波电容、第二滤波电容、第一电阻和第二电阻，其中，第一滤波电感串联耦合在功率放大器的正输出端和梯度线圈之间，第二滤波电感串联耦合在功率放大器的负输出端和梯度线圈之间，第一滤波电感、第一电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、第二电阻和第二滤波电感一次串联耦合，且第一滤波电容和第二滤波电容的连接点被耦合到地。其中的第一电阻和第二电阻的作用就是通过耗散的方式提供对由滤波电感和滤波电容组成的LC滤波器的响应进行阻尼，以防止LC滤波器在谐振频率下产生不希望的大电压。

有的产品在输出滤波器中采用了谐振频率很高的LC滤波器以避免形成谐振正反馈，但是这样的输出滤波效率较低，且对负载的容性适应性也较差。

针对相关技术中采用LC滤波器进行输出滤波的梯度功率放大器的稳定性低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

在本发明实施例中提供了一种梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质，以至少解决相关技术中采用LC滤波器进行输出滤波的梯度功率放大器的稳定性低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种梯度功率放大器，包括：功率电路，用于向梯度线圈输出梯度电流；输出滤波器，耦合在所述功率电路和所述梯度线圈之间，用于对所述梯度电流的谐波分量进行滤波；电流采样装置，耦合至所述输出滤波器的输出端，用于采样所述输出滤波器的输出电流；电流获取装置，用于获取所述输出滤波器的滤波电容的电流；控制器，分别耦合至所述功率电路、所述电流采样装置和所述电流获取装置，用于根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，所述电流获取装置，用于根据所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；或者所述电流获取装置，耦合至所述滤波电容，用于采样所述滤波电容的电流；或者所述电流获取装置，耦合至所述滤波电容，用于采样所述滤波电容的电压，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；或者所述电流获取装置，耦合至所述输出滤波器的滤波电感，用于采样所述滤波电感的电流，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流。

在其中一个实施例中，所述输出滤波器包括：第一滤波电感、第二滤波电感、第一滤波电容、第二滤波电容；所述电流获取装置包括：电流传感器；所述第一滤波电感串联耦合在所述功率电路的正输出端和所述梯度线圈之间；所述第二滤波电感串联耦合在所述功率电路的负输出端和所述梯度线圈之间；其中，所述第一滤波电感、所述第一滤波电容、所述电流传感器的原边线圈、所述第二滤波电容和所述第二滤波电感依次串联耦合；所述电流传感器的副边输出端耦合至所述控制器。

在其中一个实施例中，所述原边线圈的中点被耦合到地。

在其中一个实施例中，所述控制器，用于采用所述输出滤波器的输出电流为外环反馈、所述滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制所述功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，所述输出滤波器中滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为

且接近0；其中，ω_r为所述输出滤波器中滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

在其中一个实施例中，所述电流采样装置和/或所述电流获取装置包括高速ADC采样器，所述高速ADC采样器用于对电流或者电压进行高速采样；所述控制器包括并行处理芯片，所述并行处理芯片用于根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，高速控制所述功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，所述并行处理芯片的处理周期不超过2.5us；所述高速ADC采样器的转换周期不超过2.5us。

在其中一个实施例中，所述控制器至少包括：闭环控制器、指令前馈控制模块、滤波电容的电流反馈模块、虚拟电容电流前馈模块，其中，所述闭环控制器，用于根据所述输出滤波器的输出电流和输入指令电流，生成用于反馈控制所述梯度电流的控制量；所述指令前馈控制模块，用于根据所述输入指令电流，补偿所述控制量；所述滤波电容的电流反馈模块，用于根据所述滤波电容的电流，负补偿所述控制量；所述虚拟电容电流前馈模块，用于前馈补偿所述控制量，以抵消所述滤波电容的电流反馈模块负补偿所述控制量造成的控制量损失。

在其中一个实施例中，所述虚拟电容电流前馈模块，用于根据所述指令前馈控制模块输出的控制量估算滤波电容的电流，使用估算的滤波电容的电流乘以所述滤波电容的电流的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量，并使用所述虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿所述控制量。

第二方面，本发明实施例提供了一种梯度功率放大器的控制方法，包括：从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流，以及获取所述输出滤波器的滤波电容的电流；根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，获取所述输出滤波器的滤波电容的电流包括以下至少之一：根据所述电流采样装置采样的所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；采样所述滤波电容的电流；采样所述滤波电容的电压，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；采样所述滤波电感的电流，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流。

在其中一个实施例中，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：采用所述输出滤波器的输出电流为外环反馈、所述滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制所述功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，所述输出滤波器的滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为

且接近0；其中，ω_r为所述输出滤波器中滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

在其中一个实施例中，从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流包括：采用高速ADC采样器对所述输出滤波器的输出电流进行高速采样；获取所述输出滤波器的滤波电容的电流包括：根据所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器采样所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器对所述滤波电容的电压进行高速采样，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器对所述输出滤波器的滤波电感的电流进行高速采样，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流；根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：采用并行处理芯片，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，高速控制所述功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：闭环控制器根据所述输出滤波器的输出电流和输入指令电流生成用于反馈控制所述梯度电流的控制量；指令前馈控制模块根据所述输入指令电流补偿所述控制量；滤波电容的电流反馈模块根据所述滤波电容的电流负补偿所述控制量；虚拟电容电流前馈模块前馈补偿所述控制量，以抵消负补偿所述控制量造成的控制量损失。

在其中一个实施例中，虚拟电容电流前馈模块前馈补偿所述控制量，以抵消负补偿所述控制量造成的控制量损失包括：所述虚拟电容电流前馈模块根据所述指令前馈控制模块输出的控制量估算滤波电容的电流；所述虚拟电容电流前馈模块使用估算的滤波电容的电流乘以滤波电容的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量；所述虚拟电容电流前馈模块使用所述虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿所述控制量。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现第二方面所述的方法。

通过本发明实施例提供的梯度功率放大器及其控制方法和计算机可读存储介质，采用功率电路向梯度线圈输出梯度电流；输出滤波器对梯度电流的谐波分量进行滤波；电流采样装置采样输出滤波器的输出电流；电流获取装置获取输出滤波器的滤波电容的电流；控制器根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制功率电路输出的梯度电流的方式，解决了采用LC滤波器进行输出滤波的梯度功率放大器的稳定性低的问题，提高了梯度功率放大器的稳定性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的梯度功率放大器的结构框图；

图2是根据本发明实施例的梯度功率放大器的电路结构示意图一；

图3是根据本发明实施例的梯度功率放大器的电路结构示意图二；

图4是根据本发明实施例的梯度功率放大器的电路结构示意图三；

图5是根据本发明实施例的输出滤波器电路结构的等效电路图；

图6是根据本发明实施例的虚拟阻抗特性在环路延时较小和较大时随电感电流增大的变化轨迹的示意图；

图7a和图7b是根据本发明实施例的采用非并行处理的DSP控制和采用FPGA控制的PWM响应延时的示意图；

图8是根据本发明实施例的梯度功率放大器的控制原理图；

图9是根据本发明实施例的梯度功率放大器的优选控制原理图；

图10是根据本发明实施例的虚拟电容电流前馈控制的控制结果的示意图；

图11是根据本发明实施例的梯度功率放大器的控制方法的流程图；

图12是根据本发明实施例的梯度功率放大器的控制设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本实施例中提供了一种梯度功率放大器。图1是根据本发明实施例的梯度功率放大器的结构框图，如图1所示，该梯度功率放大器包括：

功率电路11，用于向梯度线圈10输出梯度电流；

输出滤波器12，耦合在功率电路11和梯度线圈10之间，用于对梯度电流10的谐波分量进行滤波；

电流采样装置13，耦合至输出滤波器12的输出端，用于采样输出滤波器12的输出滤波器的输出电流；

电流获取装置14，用于获取输出滤波器12的滤波电容的电流；

控制器15，分别耦合至功率电路11、电流采样装置13和电流获取装置14，用于根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制功率电路11输出的梯度电流。

在上述实施例的梯度功率放大器中，采用电流采样装置13采样输出滤波器12的输出滤波器的输出电流，采用电流获取装置14获取输出滤波器12的滤波电容的电流，再由控制器15根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制功率电路11输出的梯度电流。其中，采用了电流采样装置13获取的输出滤波器的输出电流进行外环控制，采用了电流获取装置14获取的输出滤波器12的滤波电容的电流进行内环阻尼控制，实现了梯度功率放大器的稳定控制，并且输出滤波器12具有较强的滤波能力。采用这样的结构，即使输出滤波器12采用LC滤波器，也能够摆脱LC滤波器对阻尼电阻的依赖，即采用LC滤波器的输出滤波器12不再需要采用阻尼电阻进行阻尼，减少了热耗损失，也避免了输出滤波器12可靠性的降低。

如图2所示，在其中一个实施例中，输出滤波器12包括：第一滤波电感Lf1、第二滤波电感Lf2、第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2；电流获取装置14包括：电流传感器CT1；第一滤波电感Lf2串联耦合在功率电路11的正输出端和梯度线圈10之间；第二滤波电感Lf2串联耦合在功率电路11的负输出端和梯度线圈10之间；其中，第一滤波电感Lf1、第一滤波电容Cf1、电流传感器CT1的原边线圈、第二滤波电容Cf2和第二滤波电感Lf2依次串联耦合；电流传感器CT1的副边输出端耦合至控制器15。通过上述电路结构，输出滤波器12不仅滤除了输出滤波器的输出电流中的差模谐波，还滤除了对地的共模谐波；电流传感器CT1实现了通过采集的方式获取滤波电容的电流。

在其中一个实施例中，电流传感器CT1的原边线圈的中点被耦合到地。在这种电路结构中，采用电流传感器CT1采样梯度功率放大器的滤波电容的电流，其中原边线圈相当于有两匝完全相同的线圈，这两匝线圈分别取正输出母线对地电流和地对负输出母线电流，以实现谐波分量中共模分量的相互抵消，使得电流传感器的副边输出端仅感应到滤波电容的电流的差模分量，提高了内环阻尼控制的效果。

基于图2的相似构思，输出滤波器12和电流获取装置14还可以有多种变型形式。

如图3所示，在一种变型形式中，输出滤波器12包括：第一滤波电感Lf1、第二滤波电感Lf2、第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2、第三滤波电容Cf3；电流获取装置14包括：电流传感器CT1；第一滤波电感Lf1串联耦合在功率电路11的正输出端和梯度线圈10之间；第二滤波电感Lf2串联耦合在功率电路11的负输出端和梯度线圈10之间；其中，第一滤波电感Lf1、第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2和第二滤波电感Lf2依次串联耦合，第一滤波电容Cf1和第二滤波电容Cf2连接点被耦合到地；第一滤波电感Lf1、第三滤波电容Cf3、电流传感器CT1的原边线圈、第二滤波电感Lf2依次串联耦合；电流传感器CT1的副边输出端耦合至控制器15。采用上述的电路结构，输出滤波器12不仅滤除了输出滤波器的输出电流中的差模谐波，还滤除了对地的共模谐波；电流传感器CT1实现了通过采集的方式获取滤波电容的电流。

如图4所示，在一种变型形式中，输出滤波器12包括：第一滤波电感Lf1、第二滤波电感Lf2、第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2；电流获取装置14包括：第一电流传感器CT1和第二电流传感器CT2；第一滤波电感Lf1串联耦合在功率电路11的正输出端和梯度线圈10之间；第二滤波电感Lf2串联耦合在功率电路11的负输出端和梯度线圈10之间；其中，第一滤波电感Lf1、第一滤波电容Cf1、第一电流传感器CT1的原边线圈、第二电流传感器CT2的原边线圈、第二滤波电容Cf2和第二滤波电感Lf2串联耦合，第一电流传感器CT1的原边线圈和第二电流传感器CT2的原边线圈的连接点被耦合到地；第一电流传感器CT1的副边输出端和第二电流传感器CT2的副边输出端分别耦合至控制器15。采用上述的电路结构，采用上述的电路结构，输出滤波器12不仅滤除了输出滤波器的输出电流中的差模谐波，还滤除了对地的共模谐波；电流传感器实现了通过采集的方式获取滤波电容的电流。

其中，第一电流传感器CT1和第二电流传感器CT2优选为相同参数的电流传感器；在控制器15获取到两个电流传感器采集到的滤波电容的电流后，可以对两个电流传感器采集到的滤波电容的电流相加并取平均值，也可以实现谐波分量中共模分量的相互抵消，提高内环阻尼控制的效果。

在本实施例中，电流传感器包括但不限于：电流互感器或者霍尔电流传感器。

另外需要说明的是，在梯度功率放大器中还可以包括如图2至图4中示出的梯度滤波器，为了清楚表示梯度功率放大器的输出滤波器12的电路结构，在图2至图4中未示出控制器15以及电流采样装置13的具体结构；在图2至图4中，r为负载电阻，Lcoil为梯度线圈(即负载电感)。

在上述图2至图4的电路结构中，对滤波电容的电流的采集都是通过电流传感器来采集的，也是本实施例的优选实施方式。但是本发明实施例的滤波电容的电流采集方式并不限于此，例如，还可以通过在滤波电容所在支路上串联采样电阻，通过测量采样电阻的压降来采集滤波电容的电流。在滤波电容所在支路上串联采样电阻后，虽然也会带来电阻热耗损失的问题，但是相较而言采样电阻的阻值可以远低于相关技术中用于阻尼LC滤波器谐振的阻尼电阻，因此也将降低电阻的热耗损失。

当然，输出滤波器12和电流获取装置14的电路结构并不限于图2至图4中三种形式，只要能够实现对输出滤波器12的滤波电容的电流的采集的电路结构，均应在本发明保护范围之内。

此外，滤波电容的电流的获取方式除了通过采集的方式获取之外，还可以通过估测的方式获取。由于梯度功率放大器中各个元器件的参数和响应特性是已知的，因此，采样输出滤波器12所输出的输出滤波器的输出电流，或者采样滤波电容的电压，或者同时采样输出滤波器的滤波电感的电流和输出滤波器的输出电压等方式，也能够估测或者计算出滤波电容的电流。

例如，电流获取装置，耦合至输出滤波器以采样输出滤波器的输出电流，或者直接利用电流采样装置采样得到的输出滤波器的输出电流，估测滤波电容的电流；或者电流获取装置，耦合至滤波电容，以采样滤波电容的电压，并对滤波电容的电压求取微分的方式计算滤波电容的电流；或者电流获取装置，耦合至输出滤波器的滤波电感和输出滤波器的输出端，用于采样滤波电感的电流，以及同时采样输出滤波器的输出电流或者直接利用电流采样装置同时采样得到的输出滤波器的输出电流，并对输出滤波器的输出电流和滤波电感的电流作差，得到滤波电容的电流。

采用估测或者计算的方式确定滤波电容的电流的方式避免了在梯度功率放大器中新增电路结构，降低了硬件成本。此外，在采用估测或者计算方式获取滤波电容的电流时，还可以进一步考虑元器件的老化特征对元器件的参数和响应特性的影响，提高电流估测或者计算的精度。

在本实施例中，控制器15用于采用输出滤波器的输出电流为外环反馈、滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制功率电路11输出的梯度电流。

图5是根据本发明实施例的输出滤波器电路结构的等效电路图，图5揭示了滤波电容的电流反馈的物理意义，即相当于在滤波电容支路上并联了电阻和电感。其中，并联阻抗的表达式为：

其中，符号“//”表示并联，ω_r为LC滤波器自然振荡频率，由于负载电感Lcoil远大于滤波电感Lf因而对谐振频率的影响可忽略。

由上式可知，为了使并联阻抗尽可能呈阻性，阻抗角ω_r(T_c+T_d)应接近为0或π。其中，前者适合环路延时较小的情况，后者适合环路延时较大的情况。由于电感一般采用合金或铁粉芯，其电感值随电流增大而减小，即存在饱和特性。如图6所示为虚拟阻抗特性在环路延时较小和较大时随电感电流增大的变化轨迹的示意图，其中实线所示位置的环路延时较小，而虚线所示位置的环路延时较大。可见在相同的电感漂移范围内，延时越大，阻抗角变化范围越大，阻尼性能偏差也就越大。

滤波电容的电流反馈的阻尼性能同LC滤波器的谐振频率和控制环路延时的乘积相关。因此，为了克服滤波电感的电感值随负载电流变化而变化，从而引起LC谐振频率漂移，继而影响阻尼性能，在其中一个实施例中，输出滤波器12的滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为

且接近0；其中，ω_r为滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

为了进一步降低控制时延，在本实施例中还采用了高速采样控制来大幅减小控制环路延时，以增强阻尼控制对滤波电感参数漂移的鲁棒性。在其中一个实施例中，控制器15包括并行处理芯片，电流采样装置和/或电流获取装置包括高速ADC采样器，其中，高速ADC采样器，用于对所需的电流或者电压进行高速采样，这些电流或者电压包括但不限于以下至少之一：输出滤波器的输出电流、滤波电容的电流、滤波电容的电压、滤波电感的电流等。并行处理芯片用于根据滤波电容的电流和输出滤波器的输出电流对功率电路进行高速控制，以减小控制时延。

优选地，并行处理芯片处理周期不超过2.5us；高速ADC采样器转换周期不超过2.5us。其中，并行处理芯片包括但不限于以下之一：现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称为FPGA)芯片、集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称为ASIC)芯片、中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)芯片、图形处理器(Graphics Processing Unit，简称为GPU)芯片、或者支持并行处理的数字信号处理(Digital Signal Processing，简称为DSP)芯片。

例如，为了尽量减小环路延时，在本实施例中采用FPGA作为控制芯片，利用其并行处理的优势，控制频率达到MHz级别，远高于采用非并行处理的DSP的控制频率。同时，选用高速ADC器件分别采样外环输出滤波器的输出电流和内环滤波电容的电流，从而将各环路延时大幅减小。如图7a和图7b所示为分别采用非并行处理的DSP控制和采用FPGA控制的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称为PWM)响应延时。当采用非并行处理的DSP同步采样控制时，其延时分别为：

其平均延时为再考虑数字控制中的滞后一拍(为防止计算得到的占空比D来不及与载波比较而引入)，其总的平均延时为1.5T_s。当采用FPGA高速采样控制时，其延时分别为：其平均延时为

其中N为采样倍数。再考虑滞后一拍，其总的平均延时为

比较可知，相对于非并行处理的DSP的同步采样控制，基于FPGA的高速采样控制延时仅为前者的1/N。

可选地，控制器15除了采用数字电路芯片与模拟电路元器件相结合的方式来实现以外，在一些实施例中控制器15还可以全部采用模拟电路元器件来实现。

图8是根据本发明实施例的梯度功率放大器的控制原理图。在图8中示出了输出滤波器的输出电流的反馈控制和滤波电容的电流的反馈控制。其中虚线框A表示控制对象(control plant)，虚线框B表示滤波电流反馈。

采用滤波电容的电流反馈尽管避免了LC滤波器的自然振荡，却有可能降低梯度功率放大器的动态响应能力，增大瞬时误差，影响成像效果。为了解决上述问题，在本实施例中还采用了虚拟电容电流前馈控制，即在由传统指令前馈估测得到的输出电压Uload的基础上，进一步估测该电压变化引起的滤波电容的电流Icap，并将该滤波电容的电流乘以实际滤波电容的电流的反馈系数Kc后前馈至内环，以抵消滤波电容的电流内环的控制量，改善动态响应。

图9是根据本发明实施例的梯度功率放大器的优选控制原理图。如图9所示，在传统的比例调节和积分调节(Proportional Integral，简称为PI)闭环控制和指令前馈控制的基础上，引入了滤波电容的电流负反馈作为内环，Kc为反馈系数，Td和Tc分别为外环环路延时和内环环路延时。在其中一个实施例中，控制器15至少包括：闭环控制器、指令前馈控制模块152、滤波电容的电流反馈模块153、虚拟电容电流前馈模块154，其中，闭环控制器，用于根据输出滤波器的输出电流和输入指令电流，生成用于反馈控制梯度电流的控制量；指令前馈控制模块152，用于根据输入指令电流，补偿控制量；滤波电容的电流反馈模块153，用于根据滤波电容的电流，负补偿控制量；虚拟电容电流前馈模块154，用于前馈补偿控制量，以抵消滤波电容的电流反馈模块负补偿控制量造成的控制量损失。

在其中一个实施例中，虚拟电容电流前馈模块154，用于根据指令前馈控制模块152输出的控制量估算滤波电容的电流，使用估算的滤波电容的电流乘以滤波电容的电流的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量，并使用虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿控制量。

在图10中示出了一种虚拟电容电流前馈控制的控制结果的示意图。

在本实施例中还提供了一种梯度功率放大器的控制方法，该控制方法可以应用于上述的梯度功率放大器；也可以应用于其他可能的梯度功率放大器而实现相同或者相似的控制效果。并且，在不冲突的情况下，本实施例可以结合梯度功率放大器的实施例进行描述和说明，在前述实施例中已经描述过的优选实施方式以及优点，在本实施例中将不再赘述。

图11是根据本发明实施例的梯度功率放大器的控制方法的流程图，如图10所示，该流程包括如下步骤：

步骤S1101，从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流，以及获取输出滤波器的滤波电容的电流；

步骤S1102，根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，获取输出滤波器的滤波电容的电流的方式包括但不限于以下至少之一：根据电流采样装置采样的输出滤波器的输出电流，估测滤波电容的电流；采样滤波电容的电流；采样滤波电容的电压，并根据滤波电容的电压，确定滤波电容的电流；采样滤波电感的电流，并根据滤波电感的电流和输出滤波器的输出电流，确定滤波电容的电流。

在其中一个实施例中，根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：采用输出滤波器的输出电流为外环反馈、滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，输出滤波器的滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为

且接近0；其中，ω_r为输出滤波器中滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

在其中一个实施例中，从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流，以及获取输出滤波器的滤波电容的电流包括：采用高速ADC采样器对输出滤波器的输出电流进行高速采样。

在其中一个实施例中，获取输出滤波器的滤波电容的电流包括：采用高速ADC采样器对滤波电容的电流进行高速采样；或者采用高速ADC采样器对滤波电容的电压进行高速采样，并根据滤波电容的电压，确定滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器对输出滤波器的滤波电感的电流进行高速采样，并根据滤波电感的电流和输出滤波器的输出电流，确定滤波电容的电流。

在其中一个实施例中，根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：采用并行处理芯片，根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，高速控制功率电路输出的梯度电流。

在其中一个实施例中，根据输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，控制梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：闭环控制器根据输出滤波器的输出电流和输入指令电流生成用于反馈控制梯度电流的控制量；指令前馈控制模块根据输入指令电流补偿控制量；滤波电容的电流反馈模块根据滤波电容的电流负补偿控制量；虚拟电容电流前馈模块前馈补偿控制量，以抵消负补偿控制量造成的控制量损失。

在其中一个实施例中，虚拟电容电流前馈模块前馈补偿控制量，以抵消负补偿控制量造成的控制量损失包括：虚拟电容电流前馈模块根据指令前馈控制模块输出的控制量估算滤波电容的电流；虚拟电容电流前馈模块使用估算的滤波电容的电流乘以滤波电容的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量；虚拟电容电流前馈模块使用虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿控制量。

另外，结合图11描述的本发明实施例的梯度功率放大器的控制方法可以由梯度功率放大器的控制设备来实现。图12示出了本发明实施例提供的梯度功率放大器的控制设备的硬件结构示意图。

梯度功率放大器的控制设备可以包括处理器121以及存储有计算机程序指令的存储器122。

具体地，上述处理器121可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

存储器122可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器122可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器122可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器122可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器122是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器122包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

处理器121通过读取并执行存储器122中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种梯度功率放大器的控制方法。

在一个示例中，梯度功率放大器的控制设备还可包括通信接口123和总线120。其中，如图12所示，处理器121、存储器122、通信接口123通过总线120连接并完成相互间的通信。

通信接口123，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。

总线120包括硬件、软件或两者，将梯度功率放大器的控制设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线120可包括一个或多个总线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。

该梯度功率放大器的控制设备可以基于获取到的输出滤波器的输出电流和滤波电容的电流，执行本发明实施例中的梯度功率放大器的控制方法，从而实现结合图11描述的梯度功率放大器的控制方法。

另外，结合上述实施例中的梯度功率放大器的控制方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种梯度功率放大器的控制方法。

综上所述，通过本发明提供的上述实施例或者优选实施方式，通高速采样滤波电容的电流作控制内环实现梯度功率放大器的稳定控制；对于采样输出滤波器的其他物理量实现相同目的的做法，亦在本发明权利要求范围之内。通过本发明提供的上述实施例或者优选实施方式，采用对地反相的两匝原边线圈穿过电流传感器以克服共模分量的干扰；对于其他方式实现同样目的的方法，如用两个电流传感器分别采样正对地电流和地对负电流，再将采样结果相加，或正负输出端之间的电容不接地，然后用单个电流传感器采样该电容电流，亦在本发明权利要求范围之内。通过本发明提供的上述实施例或者优选实施方式，采用高速采样控制减小环路延时，从而增强阻尼性能对滤波电感饱和特性的鲁棒性，并不局限于所选用的控制芯片；对于采用其他允许并行处理的芯片，或者改变采样节奏(时刻)以减小数字控制延时的做法，亦在本发明权利要求范围之内。通过本发明提供的上述实施例或者优选实施方式，采用虚拟电容电流前馈改善动态响应；对于改变前馈控制实现类似目的的做法也在本专利要求保护范围之内。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种梯度功率放大器，其特征在于，包括：

功率电路，用于向梯度线圈输出梯度电流；

输出滤波器，耦合在所述功率电路和所述梯度线圈之间，用于对所述梯度电流的谐波分量进行滤波；

电流采样装置，耦合至所述输出滤波器的输出端，用于采样所述输出滤波器的输出电流；

电流获取装置，用于获取所述输出滤波器的滤波电容的电流；

控制器，分别耦合至所述功率电路、所述电流采样装置和所述电流获取装置，用于根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述功率电路输出的梯度电流。

2.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，

所述电流获取装置，用于根据所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；或者

所述电流获取装置，耦合至所述滤波电容，用于采样所述滤波电容的电流；或者

所述电流获取装置，耦合至所述滤波电容，用于采样所述滤波电容的电压，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；或者

所述电流获取装置，耦合至所述输出滤波器的滤波电感，用于采样所述滤波电感的电流，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流。

3.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述输出滤波器包括：第一滤波电感、第二滤波电感、第一滤波电容、第二滤波电容；所述电流获取装置包括：电流传感器；所述第一滤波电感串联耦合在所述功率电路的正输出端和所述梯度线圈之间；所述第二滤波电感串联耦合在所述功率电路的负输出端和所述梯度线圈之间；其中，

所述第一滤波电感、所述第一滤波电容、所述电流传感器的原边线圈、所述第二滤波电容和所述第二滤波电感依次串联耦合；

所述电流传感器的副边输出端耦合至所述控制器。

4.根据权利要求3所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述原边线圈的中点被耦合到地。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述控制器，用于采用所述输出滤波器的输出电流为外环反馈、所述滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制所述功率电路输出的梯度电流。

6.根据权利要求5所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述输出滤波器中滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为

且接近0；其中，ω_r为所述输出滤波器中滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的梯度功率放大器，其特征在于，

所述电流采样装置和/或所述电流获取装置包括高速ADC采样器，所述高速ADC采样器用于对电流或者电压进行高速采样；

所述控制器包括并行处理芯片，所述并行处理芯片用于根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，高速控制所述功率电路输出的梯度电流。

8.根据权利要求7所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述并行处理芯片的处理周期不超过2.5us；所述高速ADC采样器的转换周期不超过2.5us。

9.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述控制器至少包括：闭环控制器、指令前馈控制模块、滤波电容的电流反馈模块、虚拟电容电流前馈模块，其中，

所述闭环控制器，用于根据所述输出滤波器的输出电流和输入指令电流，生成用于反馈控制所述梯度电流的控制量；

所述指令前馈控制模块，用于根据所述输入指令电流，补偿所述控制量；

所述滤波电容的电流反馈模块，用于根据所述滤波电容的电流，负补偿所述控制量；

所述虚拟电容电流前馈模块，用于前馈补偿所述控制量，以抵消所述滤波电容的电流反馈模块负补偿所述控制量造成的控制量损失。

10.根据权利要求9所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述虚拟电容电流前馈模块，用于根据所述指令前馈控制模块输出的控制量估算滤波电容的电流，使用估算的滤波电容的电流乘以所述滤波电容的电流的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量，并使用所述虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿所述控制量。

11.一种梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，包括：

从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流，以及获取所述输出滤波器的滤波电容的电流；

根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流。

12.根据权利要求11所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，获取所述输出滤波器的滤波电容的电流包括以下至少之一：

根据所述电流采样装置采样的所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；

采样所述滤波电容的电流；

采样所述滤波电容的电压，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；

采样所述滤波电感的电流，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流。

13.根据权利要求11或12所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：

采用所述输出滤波器的输出电流为外环反馈、所述滤波电容的电流为内环反馈的双环控制结构控制所述功率电路输出的梯度电流。

14.根据权利要求13所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，所述输出滤波器的滤波电容所在支路的阻抗角ω_r(T_c+T_d)被配置为且接近0；其中，ω_r为所述输出滤波器中滤波电感和滤波电容构成的LC滤波器的自然振荡频率，T_d为外环环路延时，T_c为内环环路延时。

15.根据权利要求11所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，

从梯度功率放大器的输出滤波器采样输出滤波器的输出电流包括：采用高速ADC采样器采样所述输出滤波器的输出电流；

获取所述输出滤波器的滤波电容的电流包括：根据所述输出滤波器的输出电流，估测所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器采样所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器采样所述滤波电容的电压，并根据所述滤波电容的电压，确定所述滤波电容的电流；或者采用高速ADC采样器采样所述输出滤波器的滤波电感的电流，并根据所述滤波电感的电流和所述输出滤波器的输出电流，确定所述滤波电容的电流；

根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：采用并行处理芯片，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，高速控制所述功率电路输出的梯度电流。

16.根据权利要求11所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，根据所述输出滤波器的输出电流和所述滤波电容的电流，控制所述梯度功率放大器的功率电路输出的梯度电流包括：

闭环控制器根据所述输出滤波器的输出电流和输入指令电流生成用于反馈控制所述梯度电流的控制量；

指令前馈控制模块根据所述输入指令电流补偿所述控制量；

滤波电容的电流反馈模块根据所述滤波电容的电流负补偿所述控制量；

虚拟电容电流前馈模块前馈补偿所述控制量，以抵消负补偿所述控制量造成的控制量损失。

17.根据权利要求16所述的梯度功率放大器的控制方法，其特征在于，虚拟电容电流前馈模块前馈补偿所述控制量，以抵消负补偿所述控制量造成的控制量损失包括：

所述虚拟电容电流前馈模块根据所述指令前馈控制模块输出的控制量估算滤波电容的电流；

所述虚拟电容电流前馈模块使用估算的滤波电容的电流乘以滤波电容的反馈系数，得到虚拟电容电流前馈控制量；

所述虚拟电容电流前馈模块使用所述虚拟电容电流前馈控制量前馈补偿所述控制量。

18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求11至17中任一项所述的方法。

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