DE19824761A1 - Power amplifier especially for NMR medical tomograph - Google Patents
Power amplifier especially for NMR medical tomographInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Die Erfindung ist bei allen Arten von Leistungsverstärkern ein setzbar. Insbesondere ist eine Verwendung für medizinische Geräte, besonders Kernspintomographen, vorgesehen. Der Lei stungsverstärker kann im letztgenannten Fall zur Stromversor gung einer Gradientenspule dienen.The invention relates to a power amplifier according to the Preamble of claim 1 and a method for generating of control signals according to the preamble of claim 7. Die Invention is common to all types of power amplifiers settable. In particular, a use for medical Devices, especially magnetic resonance tomographs, are provided. The lei Power amplifier can in the latter case to the electricity supplier serve a gradient coil.
Beim Betrieb eines Kernspintomographen werden magnetische Feldgradienten durch Gradientenspulen erzeugt. Jede Gradien tenspule wird von einem Strom durchflossen, der in einer exakt festgelegten Stromkurvenform Werte bis beispielsweise 300 A erreichen kann. Die vorgegebene Stromkurvenform muß typischerweise bis auf einige mA genau eingehalten werden und weist steile Stromflanken auf. Um die geforderten Stromände rungsgeschwindigkeiten zu erreichen, kann es erforderlich sein, eine Spannung von mehreren 100 V bis zu über 1000 V an die Gradientenspule anzulegen. Es wird daher ein Leistungs verstärker zur Stromversorgung der Gradientenspule benötigt, der diese Anforderungen erfüllt.When operating a magnetic resonance scanner, magnetic Field gradients generated by gradient coils. Any gradients A current flows through the tensile coil exactly defined current waveform values up to, for example Can reach 300 A. The specified current curve shape must are typically observed to within a few mA and has steep current edges. To the required beaches to reach speeds, it may be necessary be a voltage of several 100 V up to over 1000 V. create the gradient coil. It will therefore be an achievement amplifier needed to power the gradient coil, who meets these requirements.
Aus der gattungsbildenden DE 43 04 517 A1 ist eine Stromver sorgungseinrichtung für eine induktive Last bekannt, bei der zwei Schaltendstufen ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Beide Schaltendstufen werden von einem gemeinsamen Regler an gesteuert. Eine derartige Reihenschaltung von Endstufen er fordert jedoch einen hohen regeltechnischen Aufwand und eine aufwendige Ansteuerschaltung. Dies gilt insbesondere, wenn mittels einer analogen Ansteuerschaltung sichergestellt wer den soll, daß ausreichende Totzeiten zwischen den Einschalt phasen der Endstufentransistoren eingehalten werden und daß die Endstufennetzteile gleichmäßig belastet werden.From the generic DE 43 04 517 A1 is a Stromver supply device known for an inductive load, in which two switching amplifiers are connected in series on the output side. Both switching amplifiers are controlled by a common controller controlled. Such a series connection of output stages he however, requires a high level of control engineering and a complex control circuit. This is especially true if ensured by means of an analog control circuit the aim is that sufficient dead times between the switch-on phases of the output stage transistors are observed and that the power stage power supplies are loaded evenly.
Die EP 0 562 791 A1 zeigt einen Gradientenverstärker mit einer Endstufe und einer mit dieser in Reihe geschalteten Gleichspannungsquelle. In zwei Ausführungsbeispielen vermag die Gleichspannungsquelle zwei beziehungsweise acht unter schiedliche Spannungen in je zwei Polaritäten zu erzeugen. Die Gleichspannungsquelle wird in Abhängigkeit von einem Gradientensignal gesteuert, während die Endstufe geregelt wird. Bei einer derartigen Schaltung besteht jedoch beim Umschalten der Gleichspannungsquelle die Gefahr von Stör impulsen. Wegen des völlig unterschiedlichen Aufbaus ist überdies ein Energieausgleich zwischen der Endstufe und der Gleichspannungsquelle schwierig oder sogar unmöglich.EP 0 562 791 A1 also shows a gradient amplifier an output stage and one connected in series with it DC voltage source. Can in two embodiments the DC voltage source two or eight below to generate different voltages in two polarities. The DC voltage source is dependent on one Gradient signal controlled while the output stage is regulated becomes. However, with such a circuit Switching the DC voltage source the risk of interference impulse. Because of the completely different structure moreover an energy balance between the final stage and the DC voltage source difficult or even impossible.
In der DE 196 39 719 A1 wird ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für eine Gradientenstromversorgung beschrie ben, bei dem eine Kondensatorbank wahlweise in einen Gradien tenstromkreis geschaltet wird. Die Kondensatorbank weist kei ne eigene Stromversorgung auf. Daher ist die Schaltung nur für spezielle Stromkurvenformen des EPI-Verfahrens (EPI = echo planar imaging) geeignet.DE 196 39 719 A1 describes a method for generating Control signals for a gradient power supply described ben, in which a capacitor bank optionally in a Gradien circuit is switched. The capacitor bank has no ne own power supply. Therefore the circuit is only for special current waveforms of the EPI process (EPI = echo planar imaging).
Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Leistungsverstärker sowie ein Ansteuer verfahren bereit zustellen, durch die mit relativ geringem Aufwand hohe Leistungs- und Qualitätsanforderungen erfüllt werden können.The object of the invention is to overcome the disadvantages mentioned avoid and a power amplifier as well as a drive to provide procedures through which with relatively little Effort meets high performance and quality requirements can be.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leistungs verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die ab hängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, this task is accomplished by a service amplifier with the features of claim 1 and by a Method with the features of claim 7 solved. The off dependent claims relate to preferred embodiments of the Invention.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei Lei
stungsverstärkern der hier betrachteten Art die Last im we
sentlichen bekannt ist. Zum Beispiel kann eine Gradienten
spule als ein zeitlich unveränderliches RL-Glied angesehen
werden. Dann gilt der folgende Zusammenhang zwischen der an
der Last anliegenden Ausgangsspannung Ua des Verstärkers und
dem durch die Last fließenden Strom i:
The invention is based on the consideration that in Lei power amplifiers of the type considered here, the load is essentially known. For example, a gradient coil can be viewed as a time-invariable RL element. Then the following relationship applies between the output voltage U a of the amplifier applied to the load and the current i flowing through the load:
Ua = L.di/dt + i.R.U a = L.di / dt + iR
Somit läßt sich die Ausgangsspannung Ua des Leistungs verstärkers, die zum Hervorrufen eines gewünschten Stromflusses i in der Last erforderlich ist, unmittelbar berechnen. Dies ist in ähnlicher Weise auch für andere Lasten möglich, deren Eigenschaften bekannt sind, auch wenn sie sich von denen der hier beispielhaft genannten Gradientenspule unterscheiden.Thus, the output voltage U a of the power amplifier, which is required to produce a desired current flow i in the load, can be calculated directly. In a similar way, this is also possible for other loads whose properties are known, even if they differ from those of the gradient coil mentioned here by way of example.
Basierend auf dieser Überlegung beruht die Erfindung auf der Grundidee, bei einem Leistungsverstärker mit mindestens einer ersten und einer zweiten Endstufe, die ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind, die erste Endstufe unter Berück sichtigung eines rückgekoppelten Istwertes zu regeln, während die zweite Endstufe gemäß dem Sollwert gesteuert wird. Auf diese Weise verringert sich der Aufwand für die sonst erfor derliche gestaffelte Regelung mehrerer Endstufen erheblich. Dennoch wird der gewünschte Laststrom mit hoher Genauigkeit erzeugt, weil eventuelle Modellungenauigkeiten, Fehler oder sonstige Abweichungen durch die Regelung der ersten Endstufe ausgeglichen werden. Based on this consideration, the invention is based on the Basic idea for a power amplifier with at least one first and a second output stage, the output side in Series are connected, the first power amplifier under Berück control of a feedback actual value while the second output stage is controlled according to the setpoint. On this way the effort for the otherwise required is reduced staggered regulation of several amplifiers considerably. Nevertheless, the desired load current is with high accuracy generated because of possible model inaccuracies, errors or other deviations due to the regulation of the first output stage be balanced.
In bevorzugten Ausführungsformen sind/ist die ersten Endstufe
und/oder die zweite Endstufe und/oder weitere Endstufe(n) zur
Erzeugung der jeweiligen Endstufenspannung mittels Pulswei
tenmodulation eingerichtet. Die Endstufenspannung UE einer
derart ausgestalteten Endstufe läßt sich wie folgt aus der
Zwischenkreisspannung UZ und der Einschaltzeit ton relativ zur
Schalttaktzeit ta bestimmen:
In preferred embodiments, the first output stage and / or the second output stage and / or further output stage (s) are / are set up for generating the respective output stage voltage by means of pulse width modulation. The output stage voltage U E of an output stage designed in this way can be determined as follows from the intermediate circuit voltage U Z and the switch-on time t on relative to the switching clock time t a :
UE = UZ.ton/ta.U E = U Z .t on / t a .
Die Endstufensteuerung kann somit insbesondere die Einschalt zeit der zweiten, gesteuerten Endstufe unmittelbar berechnen.The power stage control can thus switch on in particular Calculate the time of the second, controlled output stage immediately.
Bevorzugt ist vorgesehen, die Steuereinrichtung als digitale Schaltung auszubilden, weil sich hierdurch eine größere Flexibilität und mehr Möglichkeiten der Signalverarbeitung ergeben. Eine derartige digitale Schaltung ist zudem erheb lich weniger aufwendig als eine entsprechende analoge Signal verarbeitung. Die erzielbare Genauigkeit reicht aus, weil eventuelle Abweichungen durch die geregelte Endstufe ausge glichen werden.It is preferably provided that the control device is digital Training circuit, because this is a larger Flexibility and more possibilities of signal processing surrender. Such a digital circuit is also significant Lich less expensive than a corresponding analog signal processing. The achievable accuracy is sufficient because possible deviations due to the regulated output stage be compared.
Um höhere maximale Ausgangsspannungen zu erreichen, sind be vorzugt mehrere von den Steuereinrichtung gesteuerte und aus gangsseitig in Reihe geschaltete Endstufen vorgesehen. Le diglich eine einzige Endstufe braucht geregelt zu sein. Die geregelte Endstufe wird wenig belastet, so daß sie nur eine geringe Leistungsfähigkeit und einen einfachen Modulator aufzuweisen braucht.To achieve higher maximum output voltages, be preferably several controlled and controlled by the control device Output stages connected in series on the aisle side. Le only a single power amplifier needs to be regulated. The regulated output stage is little stressed, so that it only one low performance and a simple modulator needs to show.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist ferner vorgesehen, einen Ladungsausgleich zwischen der gesteuerten Endstufe und mindestens einer weiteren (gesteuerten oder ge regelten) Endstufe durchzuführen. Dies ist insbesondere bei digital gesteuerten Endstufen durch entsprechende Steuer algorithmen ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand möglich. Fer ner kann eine besonders schnelle Systemdynamik erzielt wer den, wenn ein Zeitversatz zwischen der/den digital gesteuer ten Endstufe(n) und der/den analog geregelten Endstufe(n) eingefügt wird.In advantageous developments of the invention is also provided a charge balance between the controlled Power amplifier and at least one other (controlled or ge regulated) power stage. This is particularly the case with digitally controlled power amplifiers by appropriate tax algorithms possible without additional circuitry. Fer Especially fast system dynamics can be achieved by anyone if there is a time lag between the digital controller (s) th power amplifier (s) and the analog power amplifier (s) is inserted.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie mehrere Ausfüh rungsalternativen werden nun unter Hinweis auf die schemati sche Zeichnung genauer beschrieben. Die (einzige) Figur stellt ein Blockschaltbild eines an eine Last angeschlossenen Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung dar.An embodiment of the invention and several Ausfüh Rungs alternatives are now with reference to the schematic cal drawing described in more detail. The (only) figure provides a block diagram of one connected to a load Power amplifier according to the invention.
Der Leistungsverstärker ist als Gradientenverstärker eines Kernspintomographen ausgebildet. Drei Endstufen 10, 12 und 14 sind in an sich bekannter Weise als Schaltendstufen mit je vier Leistungstransistoren in Brückenschaltung ausgebildet. Die Endstufen 10, 12 und 14 weisen ferner Stromversorgungs einrichtungen auf, die Zwischenkreisspannungen UZ1, UZ2 und UZ3 bereitstellen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel betragen UZ1 = 200 V und UZ2 = UZ3 = 600 V. In Ausführungs alternativen sind andere Zwischenkreisspannungen vorgesehen. Insbesondere können UZ2 und UZ3 größer sein und beispielsweise 800 V oder 1000 V betragen. UZ1 kann dagegen deutlich kleiner als UZ2 und LZ3 sein und zum Beispiel zwischen 50 V und 200 V betragen.The power amplifier is designed as a gradient amplifier of an MRI scanner. Three output stages 10 , 12 and 14 are designed in a manner known per se as switching output stages with four power transistors each in a bridge circuit. The output stages 10 , 12 and 14 also have power supply devices which provide intermediate circuit voltages U Z1 , U Z2 and U Z3 . In the exemplary embodiment described here, U Z1 = 200 V and U Z2 = U Z3 = 600 V. In alternative embodiments, other intermediate circuit voltages are provided. In particular, U Z2 and U Z3 can be larger and, for example, be 800 V or 1000 V. U Z1 , on the other hand, can be significantly smaller than U Z2 and L Z3 and, for example, between 50 V and 200 V.
Die Endstufen 10, 12 und 14 sind ausgangsseitig in Reihe ge schaltet und an eine als Last 16 dienende Gradientenspule an geschlossen. Die Last 16 weist einen induktiven Anteil 18 und einen ohmschen Anteil 20 auf. Eine Regeleinrichtung dient zum Regeln der ersten Endstufe 10, und eine Steuereinrichtung steuert die zweite und die dritte Endstufe 12 und 14. Die Regel- und die Steuereinrichtung weisen je mehrere, teils gemeinsam genutzte Komponenten auf, die im folgenden genauer beschrieben werden. The output stages 10 , 12 and 14 are connected in series on the output side and connected to a gradient coil serving as a load 16 . The load 16 has an inductive component 18 and an ohmic component 20 . A regulating device serves to regulate the first output stage 10 , and a control device controls the second and the third output stage 12 and 14 . The regulating and control devices each have several, partly shared components, which are described in more detail below.
Eine Mikroprozessorstufe 22 ist sowohl Bestandteil der Regel- als auch der Steuereinrichtung. Die Mikroprozessorstufe 22 weist einen Mikroprozessor 24, einen als RAM (Schreib-Lese- Speicher) ausgebildeten Arbeitsspeicher 26 und einen als ROM (Festwertspeicher) ausgebildeten Programmspeicher 28 auf. Ein Sollwert liegt als 18 Bit breiter Digitalwert an einem Soll werteingang 30 der Mikroprozessorstufe 22 an. Ein Regel- Sollwertausgang 32 und ein Steuer-Sollwertausgang 34 sind vorgesehen, um einen digitalen Regel-Sollwert mit einer Brei te von 18 Bit beziehungsweise einen digitalen Steuer-Sollwert aus zugeben.A microprocessor stage 22 is part of both the control and the control device. The microprocessor stage 22 has a microprocessor 24 , a working memory 26 designed as RAM (read-write memory) and a program memory 28 designed as ROM (read-only memory). A setpoint is present as a 18 bit wide digital value at a setpoint input 30 of the microprocessor stage 22 . A control setpoint output 32 and a control setpoint output 34 are provided in order to output a digital control setpoint with a width of 18 bits or a digital control setpoint.
Der Steuer-Sollwert liegt an einer digitalen Kommunikations stufe 36 an, die ihrerseits geeignete Signale zur Ansteuerung eines der zweiten Endstufe 12 zugeordneten Modulators 38 und eines der dritten Endstufe 14 zugeordneten Modulators 40 er zeugt. Sowohl die Kommunikationsstufe 36 als auch die Modu latoren 38 und 40 sind durch je einen digitalen, geeignet programmierten PLD (programmable logic device = programmier barer Logikbaustein) gebildet.The control setpoint is applied to a digital communication stage 36 , which in turn generates suitable signals for controlling a modulator 38 assigned to the second output stage 12 and a modulator 40 assigned to the third output stage 14 . Both the communication stage 36 and the modulators 38 and 40 are each formed by a digital, suitably programmed PLD (programmable logic device).
Je eine Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke verbindet die Kommunikationsstufe 36 mit den beiden Modulatoren 38 und 40. Jede der beiden Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken weist zwei Sender/Empfänger 42, 44 beziehungsweise 46, 48 auf. Die Sender/Empfänger 42, 44 sind über ein Lichtwellenleiter-Bün del 50 miteinander verbunden, und die Sender/ Empfänger über ein Lichtwellenleiter-Bündel 52. Die Lichtwellenleiter-Über tragungsstrecken weisen je drei Kanäle für ein Taktsignal, ein Hinsignal und ein Rücksignal auf. Derartige Übertra gungsstrecken sind an sich bekannt. Sie werden in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eingesetzt, um die Lei stungselektronik von den störempfindlichen Steuerelementen galvanisch zu trennen. In Ausführungsalternativen sind andere Übertragungsstrecken vorgesehen, insbesondere solche, bei de nen Optokoppler oder andere Mittel zur optischen, induktiven, kapazitiven oder sonstigen Trennung vorgesehen sind.One optical fiber transmission link connects the communication stage 36 to the two modulators 38 and 40 . Each of the two optical fiber transmission links has two transceivers 42 , 44 and 46, 48, respectively. The transmitter / receiver 42 , 44 are connected to one another via an optical fiber bundle 50 , and the transmitter / receiver are connected via an optical fiber bundle 52 . The optical waveguide transmission paths each have three channels for a clock signal, a forward signal and a return signal. Such transmission lines are known per se. They are used in the exemplary embodiment described here to electrically isolate the power electronics from the interference-sensitive control elements. In alternative embodiments, other transmission links are provided, in particular those in which an optocoupler or other means for optical, inductive, capacitive or other separation are provided.
Die Kommunikationsstufe 36 und die beiden Modulatoren 38 und 40 sind Bestandteile der Steuereinrichtung des Leistungsver stärkers. Diese Bauteile sind digitale Schaltungen.The communication stage 36 and the two modulators 38 and 40 are components of the control device of the power amplifier. These components are digital circuits.
Der Regel-Sollwertausgang 32 ist mit einem Eingang eines Digital-Analog-Wandlers 54 verbunden, an dessen Ausgang das Regel-Sollwertsignal in analoger Form abgegeben wird. Ein Subtrahierer 56 bildet ein Fehlersignal aus dem analogen Regel-Sollwertsignal und einem Istwertsignal. Das Istwert signal stammt von einer an sich bekannten Strommeßeinrichtung 58, die in Reihe mit der Last 16 geschaltet ist.The control setpoint output 32 is connected to an input of a digital-to-analog converter 54 , at the output of which the control setpoint signal is output in analog form. A subtractor 56 forms an error signal from the analog control setpoint signal and an actual value signal. The actual value signal comes from a known current measuring device 58 , which is connected in series with the load 16 .
Das von dem Subtrahierer 56 erzeugte Fehlersignal wird einem Regelmodul 60 zugeführt, das einen analogen PI-Regler 62, einen Analogmodulator 64 und eine digitale Nachverarbeitungs einrichtung 66 aufweist. Das Regelmodul 60 ist an sich be kannt. Es ist über zwei Lichtwellenleiter-Übertragungs strecken mit der ersten Endstufe 10 verbunden. Die erste Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke weist vier Kanäle für je ein Endstufentransistor-Schaltsignal auf. Diese Signale werden von einem Sender 68 über ein Lichtwellenleiter-Bündel 70 an einen Empfänger 72 und von dort an die Endstufe 10 geleitet. Zwei Rückmeldesignale von der Endstufe 10, bei spielsweise ein Übertemperatur- und ein Überspannungssignal, gelangen über einen Sender 74, ein Lichtwellenleiter-Bündel 76 und einen Empfänger 78 an das Regelmodul 60.The error signal generated by the subtractor 56 is fed to a control module 60 , which has an analog PI controller 62 , an analog modulator 64 and a digital postprocessing device 66 . The control module 60 is known per se. It is connected to the first output stage 10 via two optical fiber transmission lines. The first optical fiber transmission path has four channels for each output stage switching signal. These signals are sent from a transmitter 68 via an optical fiber bundle 70 to a receiver 72 and from there to the output stage 10 . Two feedback signals by the output stage 10, in play, a overtemperature and overvoltage signal arrive via a transmitter 74, a optical fiber bundle 76 and a receiver 78 to the control module 60th
Der Digital-Analog-Wandler 54, der analoge Subtrahierer 56 und das analoge Regelmodul 60 sind Bestandteile der Regel einrichtung des Leistungsverstärkers. The digital-to-analog converter 54 , the analog subtractor 56 and the analog control module 60 are components of the control device of the power amplifier.
Im Betrieb des Leistungsverstärkers wertet die Mikroprozes sorstufe 22 den am Sollwerteingang 30 anliegenden digitalen Sollwert aus und bestimmt nach der im einleitenden Teil der Beschreibung angegebenen Formel die erforderliche Ausgangs spannung, die an die Last 16 angelegt werden soll. Im Normal fall soll diese Ausgangsspannung von den gesteuerten End stufen - im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Endstufen 12 und 14 - möglichst genau erzeugt werden. Die geregelte Endstufe 10 dient dann nur noch zum Ausgleichen von Diffe renzen. Bei besonders guten Bedingungen braucht die Endstufe 10 nur ein Korrektursignal in der Größenordnung von etwa 1 V zu liefern. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Ausgangsspannung der Endstufe 10 jedoch 200 V, damit genügend Reserven vorhanden sind, um Modellungenauig keiten auszugleichen und um bei steilen Änderungen des Strom sollwertes eine möglichst hohe Gesamtausgangsspannung des Leistungsverstärkers bereitzustellen.In operation of the power amplifier, the microprocessor stage 22 evaluates the digital setpoint present at the setpoint input 30 and determines the required output voltage to be applied to the load 16 according to the formula given in the introductory part of the description. In the normal case, this output voltage from the controlled output stages - in the present embodiment, the output stages 12 and 14 - should be generated as precisely as possible. The regulated output stage 10 then only serves to compensate for differences. In particularly good conditions, the output stage 10 only has to deliver a correction signal in the order of magnitude of approximately 1 V. In the exemplary embodiment described here, however, the maximum output voltage of the output stage 10 is 200 V, so that there are sufficient reserves to compensate for model inaccuracies and to provide the highest possible total output voltage of the power amplifier in the event of steep changes in the current setpoint.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gibt die Mikropro zessorstufe 22 als Steuer-Sollwert einen Wert aus, der zur Erzeugung der berechneten Ausgangsspannung durch die gesteu erten Endstufen 12 und 14 führt. Dieser Wert kann unmittelbar die Ausgangsspannung angeben. Die Umrechnung in die beiden Endstufenspannungen wird dann in der Kommunikationsstufe 36 oder in den Modulatoren 38, 40 vorgenommen. Dabei können in Ausführungsalternativen unterschiedliche Eigenschaften, bei spielsweise unterschiedliche Zwischenkreisspannungen, der Endstufen 12, 14 berücksichtigt werden. Alternativ kann vor gesehen sein, daß der von der Mikroprozessorstufe 22 ausge gebene Steuer-Sollwert mehrere Komponenten aufweist, die die ausgangsseitige Endstufenspannung je einer Endstufe bestim men.In the exemplary embodiment described here, the microprocessor stage 22 outputs a value as the control setpoint value, which leads to the generation of the calculated output voltage by the controlled output stages 12 and 14 . This value can directly indicate the output voltage. The conversion into the two output stage voltages is then carried out in the communication stage 36 or in the modulators 38 , 40 . Different properties, for example different intermediate circuit voltages, of the output stages 12 , 14 can be taken into account in alternative embodiments. Alternatively, it can be seen that the control setpoint output by the microprocessor stage 22 has several components which determine the output-side output stage voltage of each output stage.
Ferner erzeugt die Mikroprozessorstufe 22 den Regel-Sollwert, der im einfachsten Fall dem am Sollwerteingang 30 anliegenden Wert entspricht. In Ausführungsalternativen führt die Mikro prozessorstufe 22 jedoch komplexere Berechnungsvorgänge zur Bestimmung des Regel- und des Steuer-Sollwertes aus. Hierbei können beispielsweise Systemzustandsdaten wie die Temperatur der Halbleiter (insbesondere der Leistungstransistoren), Feh lermeldungen, Informationen über die Zwischenkreisspannungen oder andere Werte herangezogen werden. Insbesondere die Feh lerbehandlung kann von einer geeignet programmierten Mikro prozessorstufe 22 ohne schaltungstechnischen Mehraufwand vor genommen werden.Furthermore, the microprocessor stage 22 generates the control setpoint, which in the simplest case corresponds to the value applied to the setpoint input 30 . In alternative embodiments, however, the microprocessor stage 22 carries out more complex calculation processes for determining the regulation and control setpoint. For example, system status data such as the temperature of the semiconductors (in particular the power transistors), error messages, information about the intermediate circuit voltages or other values can be used. In particular, the error treatment can be carried out by a suitably programmed microprocessor stage 22 without additional circuitry.
In weiteren Ausführungsalternativen erzeugt die Mikro prozessorstufe 22 einen Zeitversatz zwischen dem Regel- und dem Steuer-Sollwert. Hierdurch kann die durch die Regel schleife bedingte Verzögerung kompensiert werden. Nach dem Prinzip des "idealen Folgens" ist durch diese Maßnahme eine besonders schnelle Systemdynamik erzielbar.In further alternative embodiments, the microprocessor stage 22 generates a time offset between the control and the control setpoint. In this way, the delay caused by the control loop can be compensated for. According to the principle of "ideal following", this measure enables particularly fast system dynamics to be achieved.
Der von der Mikroprozessorstufe 22 stammende Steuer-Sollwert wird in einem schnellen, seriellen und bidirektionalen Daten übertragungsprotokoll zwischen der Kommunikationsstufe 36 und den Modulatoren 38, 40 übertragen. Die Modulatoren 38, 40 er zeugen in Abhängigkeit von dem Steuer-Sollwert die Schalt signale für die Leistungstransistoren der Endstufen 12, 14. Beispielsweise können die rein digital angesteuerten Endstu fen 12, 14 bei einem internen Takt der Modulatoren 38, 40 von 32 MHz und einem Endstufen-Schalttakt von 25 kHz eine Span nungsauflösung von gut 10 Bit liefern, wodurch sich der be reits genannte Idealwert von 1 V für die Abweichung der von den gesteuerten Endstufen 12, 14 erzeugten Spannung von der Soll-Ausgangsspannung ergibt.The control setpoint originating from the microprocessor stage 22 is transmitted in a fast, serial and bidirectional data transmission protocol between the communication stage 36 and the modulators 38 , 40 . The modulators 38 , 40 testify, depending on the control setpoint, the switching signals for the power transistors of the output stages 12 , 14 . For example, the purely digitally controlled end stages 12 , 14 with an internal clock of the modulators 38 , 40 of 32 MHz and an output stage switching clock of 25 kHz provide a voltage resolution of a good 10 bits, which results in the already mentioned ideal value of 1 V for the deviation of the voltage generated by the controlled output stages 12 , 14 from the target output voltage.
Neben der Datenübertragung und der Schaltzeitgenerierung die nen die Modulatoren 38, 40 auch zur Fehlererfassung. Eventu ell erkannte Fehlerzustände werden über die Rückleitungen der entsprechenden Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken an die Kommunikationsstufe 36 und von dort an die Mikroprozessor stufe 22 übermittelt. Bei zeitkritischen Fehlern erlaubt das Kommunikationsprotokoll eine Signalisierung mit geringer Latenz zeit, wodurch sich der Leistungsverstärker schnell in einen sicheren Zustand bringen läßt.In addition to data transmission and switching time generation, the modulators 38 , 40 are also used for fault detection. Eventually detected error states are transmitted via the return lines of the corresponding optical fiber transmission links to the communication stage 36 and from there to the microprocessor stage 22 . In the case of time-critical errors, the communication protocol allows signaling with low latency, which means that the power amplifier can be brought quickly into a safe state.
Das von dem Subtrahierer 56 aus dem analogen Regler-Sollwert signal und dem Istwertsignal erzeugte Fehlersignal wird von dem analogen PI-Regler 62 gemäß einer Reglerfunktion, die einen proportionalen und einen integralen Anteil aufweist, in ein analoges Stellsignal umgesetzt. Der Analogmodulator 64 generiert in an sich bekannter Weise die vier Endstufentran sistor-Schaltsignale durch einen Vergleich des Stellsignals mit einer periodischen, analog erzeugten Dreiecksspannung. Die digitale Nachverarbeitungseinrichtung 66 läßt die Schalt signale im Regelfall unverändert passieren. Sie überwacht dabei die korrekte Verriegelung der Schaltsignale zueinander zur Vermeidung eines Brückenkurzschlusses und gewährleistet ferner die Einhaltung definierter Totzeiten. In Ausführungs varianten weist die Nachverarbeitungseinrichtung 66 ferner eine Überlastsicherung auf und bedient gegebenenfalls mehrere Endstufen. Die der geregelten Endstufe 10 zugeführten Endstu fentransistor-Schaltsignale sind pulsweitenmoduliert und wei sen eine Schaltfrequenz von beispielsweise 50 kHz auf.The error signal generated by the subtractor 56 from the analog controller setpoint signal and the actual value signal is converted into an analog actuating signal by the analog PI controller 62 according to a controller function that has a proportional and an integral component. The analog modulator 64 generates the four output stage transistor switching signals in a manner known per se by comparing the actuating signal with a periodic, analog generated triangular voltage. The digital post-processing device 66 usually allows the switching signals to pass unchanged. It monitors the correct interlocking of the switching signals to avoid a short circuit in the bridge and also ensures compliance with defined dead times. In embodiment variants, the post-processing device 66 also has an overload protection device and optionally operates a number of output stages. The output stage switching signals supplied to the regulated output stage 10 are pulse-width modulated and have a switching frequency of, for example, 50 kHz.
In weiteren Ausführungsalternativen des Leistungsverstärkers werden auch die Schaltsignale für die gesteuerten Endstufen 12, 14 über Lichtwellenleiter übertragen. Dies ist aber re lativ aufwendig, da in diesem Fall mehr Übertragungskanäle und schnellere Übertragungsstrecken benötigt werden.In further alternative embodiments of the power amplifier, the switching signals for the controlled output stages 12 , 14 are also transmitted via optical fibers. However, this is relatively expensive since in this case more transmission channels and faster transmission paths are required.
Ferner sind Ausführungsvarianten vorgesehen, in denen ein Ladungsausgleich zwischen allen oder einigen Endstufen des Leistungsverstärkers, insbesondere zwischen den gesteuerten Endstufen, erfolgt. Dies kann wünschenswert sein, wenn die Endstufen so angesteuert werden, daß sich die wegen des induktiven Anteils 18 der Last 16 periodisch in die Endstufen zurückgespeiste Energie ungleichmäßig verteilt. Die Mikro prozessorstufe 22 und/oder die Kommunikationsstufe 36 steuern dann, in Abhängigkeit von der jeweiligen Zwischenkreisspan nung, die am Ladungsausgleich beteiligten Endstufen so an, daß in einem speziellen Ladungsausgleichszyklus ein Energie fluß zwischen den Endstufen stattfindet. Durch diese Maßnahme können die Endstufennetzteile sehr viel kleiner dimensioniert werden, oder es kann sogar auf einige dieser Netzteile ganz verzichtet werden.In addition, design variants are provided in which charge equalization takes place between all or some output stages of the power amplifier, in particular between the controlled output stages. This can be desirable if the output stages are controlled in such a way that the energy which is periodically fed back into the output stages due to the inductive component 18 of the load 16 is distributed unevenly. The micro processor stage 22 and / or the communication stage 36 then control, depending on the respective intermediate circuit voltage, the power stages involved in the charge equalization in such a way that an energy flow takes place between the output stages in a special charge equalization cycle. This measure allows the power stage power supplies to be dimensioned much smaller, or even some of these power supplies can be dispensed with entirely.
Die Prinzipien der Erfindung sind in einer Vielzahl weiterer Ausführungsalternativen anwendbar. Beispielsweise können mehr oder weniger Endstufen als die drei in der Zeichnung gezeig ten verwendet werden. Dies gilt sowohl hinsichtlich der gesteuerten als auch der geregelten Endstufen. Die Endstufen können unterschiedliche Zwischenkreisspannungen aufweisen, und der Endstufen-Schalttakt kann zur Verringerung der Wel ligkeit gegeneinander versetzt sein. Unterschiedliche Schnittstellen und Front-Ends für die Schrankansteuerung sind nur eine Frage des Programminhalts des PLDs und der Mikropro zessorstufe 22 und dadurch kostengünstig zu realisieren, zu ändern und zu aktualisieren. Ebenso ist eine Änderung oder Aktualisierung der verwendeten Algorithmen problemlos mög lich.The principles of the invention can be used in a large number of further alternative embodiments. For example, more or fewer amplifiers than the three shown in the drawing can be used. This applies to both the controlled and the regulated output stages. The output stages can have different DC link voltages, and the output stage switching clock can be offset from one another in order to reduce the welfare. Different interfaces and front ends for the cabinet control are only a question of the program content of the PLD and the microprocessor level 22 and can therefore be implemented, changed and updated inexpensively. It is also possible to change or update the algorithms used without any problems.
In der Zeichnungsfigur sind nur diejenigen Komponenten des Leistungsverstärkers dargestellt, die eine einzige Gradien tenspule als Last 16 bedienen. Prinzipiell kann für jede der drei Gradientenspulen eines Kernspintomographen die darge stellte Schaltung getrennt aufgebaut werden. Es ist jedoch auch möglich, einzelne Komponenten, insbesondere die Mikro prozessorstufe 22 und/oder die Kommunikationsstufe 36, ge meinsam für alle drei Gradientenspulen zu verwenden. So kann beispielsweise die Kommunikationsstufe 36 neben den Modula toren 38, 40 noch mit vier weiteren Modulatoren in Verbindung stehen, die je paarweise den beiden weiteren Gradientenspulen zugeordnet sind.In the drawing figure, only those components of the power amplifier are shown that serve a single gradient coil as load 16 . In principle, the circuit shown can be constructed separately for each of the three gradient coils of an MRI scanner. However, it is also possible to use individual components, in particular the microprocessor stage 22 and / or the communication stage 36 , together for all three gradient coils. For example, in addition to the modulators 38 , 40 , the communication stage 36 can also be connected to four further modulators, which are each assigned in pairs to the two further gradient coils.
Claims (10)
- - mindestens einer ersten und einer zweiten Endstufe (10, 12), die ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind und je eine im wesentlichen kontinuierlich einstellbare Endstufenspannung abzugeben vermögen, und
- - einer Regeleinrichtung zum Regeln der ersten Endstufe
(10) in Abhängigkeit von einem Sollwert sowie einem rückge
koppelten Istwert,
gekennzeichnet durch - - eine Steuereinrichtung zum Steuern der zweiten Endstufe (12) in Abhängigkeit von dem Sollwert.
- - At least a first and a second output stage ( 10 , 12 ), which are connected in series on the output side and are each capable of delivering an essentially continuously adjustable output stage voltage, and
- - a control device for controlling the first output stage ( 10 ) as a function of a setpoint and a feedback actual value,
marked by - - A control device for controlling the second output stage ( 12 ) as a function of the setpoint.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998124761 DE19824761A1 (en) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Power amplifier especially for NMR medical tomograph |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998124761 DE19824761A1 (en) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Power amplifier especially for NMR medical tomograph |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19824761A1 true DE19824761A1 (en) | 1999-07-08 |
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ID=7869756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1998124761 Ceased DE19824761A1 (en) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Power amplifier especially for NMR medical tomograph |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19824761A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004022947B3 (en) * | 2004-05-10 | 2005-12-22 | Infineon Technologies Ag | Method for controlling pulse-width-controlled, inductive loads and drive circuit therefor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3044956C2 (en) * | 1979-11-30 | 1987-04-30 | Harris Corp., Melbourne, Fla., Us | |
| EP0562791A1 (en) * | 1992-03-23 | 1993-09-29 | General Electric Company | Gradient amplifier system employing a combination of linear amplifiers and DC power sources |
| DE4304517A1 (en) * | 1993-02-15 | 1994-08-18 | Siemens Ag | Power supply for predominantly inductive loads |
| DE19639719C1 (en) * | 1996-09-26 | 1998-04-09 | Siemens Ag | Control signal generation for gradient power supply |
-
1998
- 1998-06-03 DE DE1998124761 patent/DE19824761A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3044956C2 (en) * | 1979-11-30 | 1987-04-30 | Harris Corp., Melbourne, Fla., Us | |
| EP0562791A1 (en) * | 1992-03-23 | 1993-09-29 | General Electric Company | Gradient amplifier system employing a combination of linear amplifiers and DC power sources |
| DE4304517A1 (en) * | 1993-02-15 | 1994-08-18 | Siemens Ag | Power supply for predominantly inductive loads |
| DE19639719C1 (en) * | 1996-09-26 | 1998-04-09 | Siemens Ag | Control signal generation for gradient power supply |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004022947B3 (en) * | 2004-05-10 | 2005-12-22 | Infineon Technologies Ag | Method for controlling pulse-width-controlled, inductive loads and drive circuit therefor |
| US7180279B2 (en) | 2004-05-10 | 2007-02-20 | Infineon Technologies Ag | Method for driving pulse-width-controlled inductive loads, and a drive circuit for this purpose |
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