CN111585519B - 梯度功率放大器系统及其并联控制方法 - Google Patents

梯度功率放大器系统及其并联控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种梯度功率放大器系统及其并联控制方法。其中，该梯度功率放大器系统的并联控制方法包括：根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制n台梯度功率放大器中的m台梯度功率放大器的输出电流的方式，其中n≥2，1≤m≤n；以及根据当前输出电流参数与n台梯度功率放大器的平均输出电流参数的第二差值，对至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制。通过本申请，解决了相关技术中采用大感值的均流电抗器并联两台或两台以上的梯度功率放大器导致的硬件成本升高的问题，降低了并联的两台或两台以上的梯度功率放大器对耦合器的要求。

Description

梯度功率放大器系统及其并联控制方法
技术领域
本申请涉及梯度功率放大器领域，特别是涉及一种梯度功率放大器系统和梯度功率放大器系统的并联控制方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)是利用生物体磁性核在磁场中的共振特性进行成像的影像技术。它具有无电离辐射、无损伤、高分辨率、高对比度、多参数成像以及任意方向截面成像等特点，在医疗成像领域得到了广泛应用。梯度功率放大器(Gradient Power Amplifier，简称为GPA)是核磁共振成像系统的重要组成部分，它负责放大前级控制系统发出的参考信号，驱动后级梯度线圈，在成像空间中产生线性变化的梯度磁场，用于实现片选、频率编码和相位编码等功能。
图1是根据相关技术的梯度功率放大器系统的并联控制方法的控制原理图。如图1所示，梯度功率放大器的控制器包括：前馈控制器11，低通滤波器12、PI控制器13、延时器14和斩波移相脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称为PWM)信号生成器15，其中，梯度功率放大器可以具有输入信号16，相关技术中通常采用梯度功率放大器的输出电流作为反馈信号17。输入信号16和反馈信号17经过控制、放大处理后，可以向梯度功率放大器的功率电路输出PWM信号，以控制连接在梯度功率放大器的输出端的梯度线圈中的梯度电流。
磁共振成像系统为了得到更清晰的图像，需要更大功率的梯度功率放大器；目前通常采用两台或两台以上的梯度功率放大器并联的方式来提供更大功率。相关技术中的梯度功率放大器系统的并联控制方法应用到两台或两台以上的梯度功率放大器并联的场景中时，如果不在各个梯度功率放大器之间采用耦合器隔离，则会导致各个梯度功率放大器产生发散震荡，触发梯度功率放大器的保护功能，甚至导致梯度功率放大器烧毁。因此，相关技术中的两台或两台以上的梯度功率放大器的并联必须采用耦合器隔离。图2是根据相关技术的两台梯度功率放大器并联的电路原理图，如图2所示，相关技术中常用的耦合器为均流电抗器。其中VPWM为梯度功率放大器的输出电压，Lf和Cf构成输出滤波器，Cgrd为穿墙滤波器电容，Lcoil和Rcoil分别为梯度线圈的等效电感和等效电阻。M为均流电抗器的互感系数。在理想情况下，均流电抗器的差模电感为0，因而不影响梯度爬升率；共模电感用以抑制两台梯度功率放大器之间的环流。
然而，相关技术中既要起到隔离作用，又要维持足够的带宽，所使用的均流电抗器的感值与梯度线圈的最大感值相当甚至更大。
因此，相关技术中采用均流电抗器并联两台或两台以上的梯度功率放大器需要占用大量空间，且需投入大量的硬件成本。
发明内容
本申请实施例提供了一种梯度功率放大器系统、梯度功率放大器系统的并联控制方法，以至少解决相关技术中采用大感值的均流电抗器并联两台或两台以上的梯度功率放大器导致的硬件成本升高的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种梯度功率放大器系统的并联控制方法，所述梯度功率放大器系统包括并联的n台梯度功率放大器，所述方法包括：获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数；根据所述梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与所述总输出电流参数的第一差值，控制所述n台梯度功率放大器中的m台梯度功率放大器的输出电流；其中n≥2，1≤m≤n。
在其中一些实施例中，根据所述梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与所述总输出电流参数的第一差值，控制所述m台梯度功率放大器的输出电流包括：对所述第一差值进行比例积分计算，得到第一控制量，并根据所述第一控制量控制所述m台梯度功率放大器的输出电流。
在其中一些实施例中，所述方法还包括：当n＞m的情况下，根据所述第一控制量控制所述n台梯度功率放大器中除所述m台梯度功率放大器之外的梯度功率放大器的输出电流。
在其中一些实施例中，所述方法还包括：根据所述总输出电流参数，确定所述n台梯度功率放大器的平均输出电流参数；获取所述n台梯度功率放大器中至少一台梯度功率放大器的当前输出电流参数；根据所述当前输出电流参数与所述平均输出电流参数的第二差值，对所述至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制。
在其中一些实施例中，根据所述当前输出电流参数与所述平均输出电流参数的第二差值，对所述至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制包括：获取所述至少一台梯度功率放大器的比例积分控制器输出的第二控制量；
根据由所述第二控制量和第三控制量运算得到的控制量，控制所述至少一台梯度功率放大器的输出电流，其中，所述第三控制量基于所述第二差值确定。
在其中一些实施例中，输出电流参数包括以下之一：输出电流值、输出电流误差值。
在其中一些实施例中，获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数包括：获取所述梯度功率放大器系统的所述总输出电流参数；或者获取并加和所述n台梯度功率放大器中每台梯度功率放大器的输出电流参数，得到所述总输出电流参数。
第二方面，本申请实施例提供了一种梯度功率放大器系统，所述梯度功率放大器系统包括：并联的n台梯度功率放大器和电流获取装置，所述梯度功率放大器系统采用如第一方面所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法进行控制。
在其中一些实施例中，所述n台梯度功率放大器通过耦合器并联，其中，所述耦合器包括以下至少之一：均流电抗器、变压器、磁环；或者所述n台梯度功率放大器通过无耦合器的方式直接并联。
其中，所述电流获取装置包括以下至少之一：用于获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数的装置、用于获取每台梯度功率放大器的输出电流参数的装置。
相比于相关技术，本申请实施例提供的梯度功率放大器系统和梯度功率放大器系统的并联控制方法，通过获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数；根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制n台梯度功率放大器中的m台梯度功率放大器的输出电流的方式，其中n≥2，1≤m≤n，解决了相关技术中采用大感值的均流电抗器并联两台或两台以上的梯度功率放大器导致的硬件成本升高的问题，降低了并联的两台或两台以上的梯度功率放大器对耦合器的要求。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据相关技术的梯度功率放大器的控制原理图；
图2是根据相关技术的两台梯度功率放大器并联的电路原理图；
图3是根据本申请实施例的磁共振系统的结构示意图；
图4是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的结构框图；
图5是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的并联控制方法的流程图；
图6是根据本申请实施例的两台梯度功率放大器的控制原理图；
图7是根据本申请优选实施例的两台梯度功率放大器的控制原理图；
图8是根据本申请实施例的两台梯度功率放大器并联的电路原理图；
图9是根据本申请实施例的具有均流控制的两台梯度功率放大器的控制原理图；
图10是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的并联控制方法控制两台梯度功率放大器的输出电流的实验电流波形图。
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，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所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。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本申请实施例可以应用于不同系统的梯度功率放大器的控制。不同的系统可以包括MRI系统、PET-MRI系统、SPECT-MRI系统等。梯度功率放大器的控制包括但不限于：稳定阻尼控制、均流控制；还可以包括输出功率控制。应当理解的是，本申请的系统及方法的应用场景仅仅是本申请的一些示例或者实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似场景。例如，MRI系统之外的其他系统的梯度功率放大器的控制。
下面将以磁共振系统为例对本申请实施例进行说明。
本实施例提供了一种磁共振系统。图3是根据本申请实施例的磁共振系统的结构示意图，如图3所示，该磁共振系统包括：磁共振扫描仪和计算机，其中计算机包括存储器325、处理器322及存储在存储器325上并可在处理器322上运行的计算机程序。
磁共振扫描仪具有成像视野的孔腔，其通常包括磁共振机架，机架内有主磁体301，主磁体301可以是由超导线圈构成，用来产生主磁场，在一些情况下也可以采用永磁体。主磁体301可以用来产生0.2特斯拉、0.5特斯拉、1.0特斯拉、1.5特斯拉、3.0特斯拉或者更高的主磁场强度。在磁共振成像时，成像对象350会由扫描床306进行承载，随着床板的移动，将成像对象350移入主磁场磁场分布较为均匀的区域305内。通常对于磁共振系统，如图3所示，空间坐标系(即设备的坐标系)的z方向设置为与磁共振系统机架的轴向相同，通常将成像对象350的身长方向与z方向保持一致进行成像，磁共振系统的水平平面设置为xz平面，x方向与z方向垂直，y方向与x和z方向均垂直。
在磁共振成像中，脉冲控制单元311控制射频脉冲产生单元316产生射频脉冲，射频脉冲由放大器放大后，经过开关控制单元317，最终由体线圈303或者局部线圈304发出，对成像对象350进行射频激发。成像对象350根据射频激发，会由共振产生相应的射频信号。在接收成像对象350根据激发产生的射频信号时，可以是由体线圈303或者局部线圈304进行接收，射频接收链路可以有很多条，射频信号发送到射频接收单元318后，进一步发送到图像重建单元321进行图像重建，形成磁共振图像。
磁共振扫描仪还包括梯度线圈302、梯度信号产生单元312和至少三组梯度功率放大器313，每组梯度功率放大器包括并联的两台或两台以上的梯度功率放大器，在本申请中，每组梯度功率放大器被称为一个梯度功率放大器系统，因此，每个磁共振扫描仪包括三个梯度功率放大器系统。每组梯度功率放大器的数量可以是两个或者两个以上的任意数量。梯度线圈可以用来在磁共振成像时对射频信号进行空间编码。脉冲控制单元311控制梯度信号产生单元312产生梯度信号，梯度信号通常会分为三个相互正交方向的信号：x方向、y方向和z方向，不同方向的梯度信号经过梯度功率放大器313放大后，由梯度线圈302发出，在区域305内产生梯度磁场。
脉冲控制单元311、图像重建单元321与处理器322、显示单元323、输入/输出设备324、存储器325、通信端口326之间可以通过通信总线327进行数据传输，从而实现对磁共振成像过程的控制。
其中，处理器322可以由一个或多个处理器组成，可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，显示单元323可以是提供给用户用来显示图像的显示器。
其中，输入/输出设备324可以是键盘、鼠标、控制盒等相关设备，支持输入/输出相应数据流。
其中，存储器325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325可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(Solid State Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(UniversalSerial Bus，简称为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325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325可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器325是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器325包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(ElectricallyAlterable Read-Only Memory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。存储器325可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器322所执行的可能的程序指令。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(FastPage Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic Random Access Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。
其中，通信端口326可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
其中，通信总线327包括硬件、软件或两者，将磁共振系统的部件彼此耦接在一起。通信总线327包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(Control Bus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，通信总线327可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro Channel Architecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral ComponentInterconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SerialAdvanced Technology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(VideoElectronics Standards Association Local Bus，简称为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，通信总线327可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
在其中一些实施例中，磁共振成像系统中的每台梯度功率放大器都包括电流获取装置330，用于获取每台梯度功率放大器的输出电流。电流获取装置330可以是相关技术中任意的采样电参量的装置，且电流获取装置可以耦接在梯度功率放大器的任意位置，只要该位置可以直接采样，或者通过采样电参量结合电路拓扑结构可以计算得到梯度功率放大器的输出电流即可。例如，该电流获取装置330包括但不限于：电流互感器、电压互感器，或者其他的电流/电压采样电路。电流获取装置330可以直接耦接在梯度功率放大器的输出端。
在另一些实施例中，磁共振成像系统中，每个梯度功率放大器系统使用一个电流获取装置来获取该组梯度功率放大器中所有梯度功率放大器的总输出电流。
上述的处理器322还可以作为磁共振成像系统中所有梯度功率放大器的控制器；或者每个梯度功率放大器系统由同一个控制器控制；或者每台梯度功率放大器均由独立的控制器控制。
在上述的梯度功率放大器系统中，包括并联的n台梯度功率放大器，梯度功率放大器系统的控制器被配置为：获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数；根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制n台梯度功率放大器中的m台梯度功率放大器的输出电流；其中n≥2，1≤m≤n。采用上述的控制方式，能够实现梯度功率放大器系统中所有梯度功率放大器的稳定阻尼控制，而不必再使用大感值的均流电抗器来并联这些梯度功率放大器。
其中，输出电流参数是指与输出电流直接相关的参数，例如输出电流参数包括但不限于输出电流值，或者输出电流误差值。其中，输出电流误差值是指真实测得的输出电流与目标输出电流值的差值，因此，在输出电流参数有效位数相同的情况下，输出电流误差值与输出电流值而言，具有更高的数据精度。例如，在测得输出电流值为12.4512A，目标输出电流值为12A时，如果保留四位有效位数，输出电流值为12.45A，而输出电流误差值同样保留四位有效位数则为0.4512A。由此可见，采用输出电流误差值进行梯度功率放大器系统的并联控制，能够提高数据精度，从而提升控制精度。
需要说明的是，在使用输出电流值作为输出电流参数来进行梯度功率放大器系统的并联控制时，梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数为梯度功率放大器系统的指令电流值。在使用输出电流误差值作为输出电流参数来进行梯度功率放大器系统的并联控制时，梯度功率放大器系统的目标总输出电流误差值为梯度功率放大器系统期望的误差值，通常为0。
在本实施例中，n台梯度功率放大器中所有的梯度功率放大器都根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制其输出电流。通常采用PI控制器的比例积分运算来计算对应的控制量，并根据计算到的控制量生成PWM信号来控制梯度功率放大器。例如，对第一差值进行比例积分计算，得到第一控制量，并根据第一控制量控制每台梯度功率放大器的输出电流。
由于梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值对于梯度功率放大器系统中每台梯度功率放大器均为相同的数值，那么，在每台梯度功率放大器均平均分摊总输出电流时，梯度功率放大器的PI控制器的传递函数也基本相同。因此，在一些实施例中，PI控制器计算得到的控制量可以共享给其他的梯度功率放大器。例如，当n＞m的情况下，根据第一控制量控制n台梯度功率放大器中除m台梯度功率放大器之外的梯度功率放大器的输出电流。此外，在具有前馈控制的情况下，并联的梯度功率放大器也可以共享其中某一台梯度功率放大器的前馈控制量。
梯度功率放大器中的部分或者全部梯度功率放大器还可以根据梯度功率放大器系统的总输出电流的平均值进行均流控制。例如，在其中一些实施例中，梯度功率放大器系统的控制器还被配置为：根据总输出电流参数，确定n台梯度功率放大器的平均输出电流参数；获取n台梯度功率放大器中至少一台梯度功率放大器的当前输出电流参数；根据当前输出电流参数与平均输出电流参数的第二差值，对至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制。
在采用了上述稳定阻尼控制，尤其是采用了上述的均流控制的梯度功率放大器系统中，梯度功率放大器的并联不再需要使用大感值的耦合器件来进行隔离。例如，在其中一些实施例中，梯度功率放大器系统通过小感值的耦合器将n台梯度功率放大器并联。该小感值的耦合器例如可以是感值在100uH以下的均流电抗器或者变压器或者磁环，从而显著地减小耦合器所需的占地空间，降低硬件成本。并且，相比于均流电抗器，磁环具有更低的成本和所需更小的占地空间。
需要说明的是，并联的n台梯度功率放大器中，如果采用滤波电容电流反馈进行稳定阻尼控制或者采用总输出电流的平均值进行均流控制，通常由每台梯度功率放大器各自独立地进行上述的稳定阻尼控制或均流控制。
在另一些实施例中，还可以不使用任何耦合器而直接并联n台梯度功率放大器。
为了提高控制效果并保证控制精度，在本申请实施例中控制器获取到的用于参与并联控制的参数的频率均不低于80kHz，即时延不高于12.5us。
为了进一步减小梯度功率放大器的输出电流波纹，减小电磁干扰，梯度功率放大器系统中的每台梯度功率放大器均可以通过交错并联技术控制。
在其中一些实施例中，控制器获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数可以采取以下至少之一的方式：获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数；或者获取并加和n台梯度功率放大器中每台梯度功率放大器的输出电流参数，得到总输出电流参数。
本实施例还提供了一种梯度功率放大器系统。图4是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的结构框图，如图4所示，该梯度功率放大器系统包括并联的n台梯度功率放大器313，以及电流获取装置330和控制器340，其中，
电流获取装置330，耦接至梯度功率放大器系统，用于获取每台梯度功率放大器313的输出电流参数，或者获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数；
控制器340，耦接至电流获取装置330和每台梯度功率放大器313的功率电路，用于根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制n台梯度功率放大器313中的m台梯度功率放大器313的输出电流；其中n≥2，1≤m≤n，以实现梯度功率放大器313的稳定阻尼控制。
在其中一些实施例中，控制器340用于对第一差值进行比例积分计算，得到第一控制量，并根据第一控制量控制m台梯度功率放大器的输出电流。
在其中一些实施例中，控制器340还用于：当n＞m的情况下，根据第一控制量控制n台梯度功率放大器中除m台梯度功率放大器之外的梯度功率放大器的输出电流。
在其中一些实施例中，控制器340还用于：获取n台梯度功率放大器中至少一台梯度功率放大器的当前输出电流参数；根据当前输出电流参数与平均输出电流参数的第二差值，对至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制。
在其中一些实施例中，控制器340用于：获取至少一台梯度功率放大器的比例积分控制器输出的第二控制量；根据由第二控制量和第三控制量运算得到的控制量，控制至少一台梯度功率放大器的输出电流，其中，第三控制量基于第二差值确定。
在其中一些实施例中，输出电流参数包括以下之一：输出电流值、输出电流误差值。
在其中一些实施例中，n台梯度功率放大器313通过耦合器并联，其中，耦合器包括以下但不限于至少之一：均流电抗器、变压器、磁环；或者n台梯度功率放大器313通过无耦合器的方式直接并联。
在其中一些实施例中，控制器340获取到的用于参与并联控制的参数的频率均不低于80kHz，即时延不高于12.5us。
下面将结合方法实施例对本申请实施例进行描述和说明。
在本优选实施例中，以两台梯度功率放大器并联得到的梯度功率放大器系统为例进行说明，其总输出电流参数选用的是梯度功率放大器系统的总输出电流值，其对应的目标总输出电流参数即为目标总输出电流值，也即指令电流。
图5是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的并联控制方法的流程图，应用于并联运行的n台梯度功率放大器的控制。如图5所示，该流程包括如下步骤：
步骤S501，获取梯度功率放大器系统的总输出电流参数。
步骤S502，根据梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与总输出电流参数的第一差值，控制两台梯度功率放大器的输出电流。
在其中一些实施例中，可以使用PI控制和反馈控制来实现上述步骤S502。例如，获取指令电流，并计算两台梯度功率放大器的总输出电流值与指令电流的第一差值；然后使用比例积分算法计算与第一差值对应的第一控制量，根据第一控制量，生成用于控制每台梯度功率放大器的功率电路的PWM信号，并使用PWM信号控制各梯度功率放大器的输出电流。
图6是根据本申请实施例的两台梯度功率放大器的控制原理图，忽略控制时延，则其对应的控制方程为：
VPWM1＝[I-(If1+If2)]Gpi
其中，I为目标总输出电流，If1和If2为两台梯度功率放大器各自的输出电流，Gpi为PI控制器传递函数。
图8是根据本申请实施例的两台梯度功率放大器并联的电路原理图，根据电路原理图，可得：
Figure BDA0002508905060000111
则：
If1sLf1＝[I-(If1+If2)]Gpi-(If1+If2)ZLoad-s2Lf1Cf1(If1+If2)ZLoad
同理，有
If2sLf2＝[I-(If1+If2)]Gpi-(If1+If2)ZLoad-s2Lf2Cf2(If1+If2)ZLoad
忽略滤波器参数差异，两式叠加得：
(If1+If2)[sLf1+2Gpi+2(1+LfCfs2)ZLoad]＝2IGpi
得总电流闭环传递函数为
Figure BDA0002508905060000121
以及开环传递函数为
Figure BDA0002508905060000122
以及单机电流传递函数为
Figure BDA0002508905060000123
考虑滤波电感差异，记Lf1＝Lf+ΔLf，Lf2＝Lf-ΔLf，有
If1s(Lf+ΔLf)
＝[I-(If1+If2)]Gpi-(If1+If2)ZLoad-s2(Lf+ΔLf)Cf(If1+If2)ZLoad
同理
If2s(Lf-ΔLf)
＝[I-(If1+If2)]Gpi-(If1+If2)ZLoad-s2(Lf-ΔLf)Cf(If1+If2)ZLoad
两式相减得：
(If1-If2)Lfs+ΔLf(If1+If2)s＝-2s2ΔLfCf(If1+If2)ZLoad
可得环流传函为
Figure BDA0002508905060000124
如果考虑滤波电容电流反馈，图7是根据本申请优选实施例的两台梯度功率放大器的控制原理图，其对应的控制方程为：
VPWM1＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcIcf
＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcsCf1(If1+If2)ZLoad
其中，I为目标总输出电流，If1和If2为两台梯度功率放大器各自的输出电流，Gpi为PI控制器传递函数，Icf和Kc分别为滤波电容电流及其反馈系数，用以实现稳定阻尼控制。
图8是根据本申请实施例的两台梯度功率放大器并联的电路原理图，根据电路原理图，可得：
Figure BDA0002508905060000125
则：
If1sLf1＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcsCf1(If1+If2)ZLoad-(If1+If2)ZLoad
-s2Lf1Cf1(If1+If2)ZLoad
同理，有
If2sLf2＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcsCf2(If1+If2)ZLoad-(If1
+If2)ZLoad-s2Lf2Cf2(If1+If2)ZLoad
忽略滤波器参数差异，两式叠加得：
(If1+If2)[sLf+2Gpi+2(1+KcCfs+LfCfs2)ZLoad]＝2IGpi
得总电流闭环传递函数为
Figure BDA0002508905060000131
以及开环传递函数为
Figure BDA0002508905060000132
以及单机电流传递函数为
Figure BDA0002508905060000133
考虑滤波电感差异，记Lf1＝Lf+ΔLf，Lf2＝Lf-ΔLf，有
If1s(Lf+ΔLf)
＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcsCf(If1+If2)ZLoad-(If1+If2)ZLoad-s2(Lf
+ΔLf)Cf(If1+If2)ZLoad
同理
If2s(Lf-ΔLf)
＝[I-(If1+If2)]Gpi-KcsCf(If1+If2)ZLoad-(If1+If2)ZLoad-s2(Lf
-ΔLf)Cf(If1+If2)ZLoad
两式相减得：
(If1-If2)Lfs+ΔLf(If1+If2)s＝-2s2ΔLfCf(If1+If2)ZLoad
可得环流传函为
Figure BDA0002508905060000134
为了抑制梯度功率放大器之间的环流，在本实施例中还引入了均流控制，将两台梯度功率放大器的输出电流的平均值作为反馈信号，控制每台梯度功率放大器的输出电流，以实现每台梯度功率放大器的均流控制。
图9是根据本申请实施例的具有均流控制的两台梯度功率放大器的控制原理图，如图9所示，与图7所示的控制原理图而言，在图9所示的控制原理图中，在使用PI算法计算与差值电流对应的第一控制量之后，再使用当前梯度功率放大器的输出电流与两台梯度功率放大器的输出电流的平均值之间的差值负补偿第一控制量，以实现均流控制。
其对应的控制方程为：
Figure BDA0002508905060000141
其中Kav/2为均流控制器传递函数。
经过推导可得环流为：
Figure BDA0002508905060000142
由上式可知，上述的均流控制相当于引入了虚拟阻抗。
图10是根据本申请实施例的梯度功率放大器系统的并联控制方法控制两台梯度功率放大器的输出电流的实验电流波形图，如图10所示，其中曲线(1)为一台梯度功率放大器的输出电流，曲线(2)和曲线(3)分别为两台梯度功率放大器的输出电流的瞬时电流误差，曲线(4)为总输出电流的瞬时电流误差。由图10可以看出，梯度功率放大器即使不使用均流电抗器并联，采用本申请实施例的梯度功率放大器系统的并联控制方法后，尽管各台梯度功率放大器之间存在微小的环流，但总输出电流的瞬时电流误差波形光滑，收敛快速，能够实现很好的稳定阻尼控制和均流控制。
另外，结合上述实施例中的梯度功率放大器系统的并联控制方法，本申请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系统的并联控制方法。
以上所述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 (10)

1.一种梯度功率放大器系统的并联控制方法，所述梯度功率放大器系统包括并联的n台梯度功率放大器，其特征在于，所述方法包括：
获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数；
根据所述梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与所述总输出电流参数的第一差值，根据所述第一差值，得到第一控制量；
根据所述第一控制量，控制所述n台梯度功率放大器中的m台梯度功率放大器的输出电流；其中n≥2，1≤m≤n。
2.根据权利要求1所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，所述根据所述梯度功率放大器系统的目标总输出电流参数与所述总输出电流参数的第一差值，根据所述第一差值，得到第一控制量；根据所述第一控制量，控制所述m台梯度功率放大器的输出电流包括：
对所述第一差值进行比例积分计算，得到所述第一控制量，并根据所述第一控制量控制所述m台梯度功率放大器的输出电流。
3.根据权利要求2所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当n＞m的情况下，根据所述第一控制量控制所述n台梯度功率放大器中除所述m台梯度功率放大器之外的梯度功率放大器的输出电流。
4.根据权利要求1所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述总输出电流参数，确定所述n台梯度功率放大器的平均输出电流参数；
获取所述n台梯度功率放大器中至少一台梯度功率放大器的当前输出电流参数；
根据所述当前输出电流参数与所述平均输出电流参数的第二差值，对所述至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制。
5.根据权利要求4所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，根据所述当前输出电流参数与所述平均输出电流参数的第二差值，对所述至少一台梯度功率放大器的输出电流进行均流控制包括：
获取所述至少一台梯度功率放大器的比例积分控制器输出的第二控制量；
根据由所述第二控制量和第三控制量运算得到的控制量，控制所述至少一台梯度功率放大器的输出电流，其中，所述第三控制量基于所述第二差值确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，输出电流参数包括以下之一：输出电流值、输出电流误差值。
7.根据权利要求6所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法，其特征在于，获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数包括：
获取所述梯度功率放大器系统的所述总输出电流参数；或者
获取并加和所述n台梯度功率放大器中每台梯度功率放大器的输出电流参数，得到所述总输出电流参数。
8.一种梯度功率放大器系统，其特征在于，所述梯度功率放大器系统包括：并联的n台梯度功率放大器和电流获取装置，所述梯度功率放大器系统采用如权利要求1至7中任一项所述的梯度功率放大器系统的并联控制方法进行控制。
9.根据权利要求8所述的梯度功率放大器系统，其特征在于，所述n台梯度功率放大器通过耦合器并联，其中，所述耦合器包括以下至少之一：均流电抗器、变压器、磁环；或者所述n台梯度功率放大器通过无耦合器的方式直接并联。
10.根据权利要求8所述的梯度功率放大器系统，其特征在于，所述电流获取装置包括以下至少之一：用于获取所述梯度功率放大器系统的总输出电流参数的装置、用于获取每台梯度功率放大器的输出电流参数的装置。
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