DE19856800C1 - Gradientenverstärker mit kombinierter Stromregelung und Differentialsteuerung - Google Patents

Abstract

Gradientenverstärker für ein Kernspintomographiegerät mit einem einer Modulatorstufe vor einer Endstufe vorgeschalteten Regler zur Stromsteuerung, der einen Vergleicher für einen Soll- und Istwert eines jeweiligen Gradientenspulenstroms mit nachgeschaltetem P-Regelzweig und einem am Ausgang des P-Regelzweiges liegenden I-Regelzweig umfaßt, wobei die Ausgänge der Regelzweige über Skalier-Widerstände einem Summierer zugeführt sind. Dabei ist ein Ausgang einer Differentialsteuerstufe (9) dem Summierer zugeführt, wobei die Differentialsteuerstufe (9) eine den Regler entlastende, einer Steilheit einer Pulsflanke des Gradientenspulenstroms proportionale Spannung ausgibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gradientenverstärker für ein Kernspintomographiegerät mit einer einer Modulatorstufe vor der Endstufe vorzuschaltenden Regeleinrichtung zur Strom­ regelung, die eine Vergleichsstufe für den Soll- und Istwert des jeweiligen Gradientenspulenstroms mit nachgeschaltetem P- Regelzweig und einen am Ausgang des P-Regelzweigs liegenden I-Regelzweig umfaßt, wobei die Ausgänge der Regelzweige über Kalibrierwiderstände einer Endsummierstufe zugeführt werden.

Ein derartiger Gradientenverstärker ist bereits aus der deut­ schen Offenlegungsschrift DE 197 06 756 A1 bekannt. Der Gra­ dientenverstärker arbeitet dabei auf eine - abgesehen von den relativ geringen ohmschen Widerstandsverlusten - rein induk­ tive Last. Der Stromregler des Verstärkers regelt die Re­ gelabweichung bereits während einer Pulsflanke auf 0, wobei jedoch dabei ein von der Schaltfrequenz, der Endstufenspan­ nung, der Flankensteilheit und der Reglereinstellung abhängi­ ger kurzzeitiger Überschwinger von 5 bis 10% der Höhe des angesteuerten Pulsdaches auftritt. Somit tritt eine uner­ wünschte Deformation des Pulses auf.

Um dies zu vermeiden, wird dann eine möglichst hohe Schaltfre­ quenz der Endstufe angestrebt, und es bedarf einer sehr guten Reglereinstellung. Darüber hinaus wird auch die Wirbelstrom­ kompensation zur Minimierung der unerwünschten Deformation des Pulses eingesetzt, obgleich die Wirbelstromkompensation hierfür eigentlich nicht gedacht ist. Alle diese Maßnahmen können aber trotz eines erheblichen Aufwandes die unerwünsch­ ten Pulsdeformationen nicht völlig beseitigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gra­ dientenverstärker der eingangs genannten Art so auszugestal­ ten, daß mit einem nur geringen schaltungstechnischen Aufwand unerwünschte Pulsdeformationen weitestgehend vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zum Reglerausgang eine den Regler entlastende, der Steilheit der Pulsflanke des Gradientenspulenstroms proportionale Span­ nung addiert wird.

Erfindungsgemäß wird somit der Regelkreis mit einer zusätzli­ chen Steuerung kombiniert, wobei durch diese zusätzliche Steuerung der Regelkreis weitgehend entlastet wird und im Endeffekt praktisch nur noch für eine Feinregelung und für das Aufbringen des ohmschen Anteils zu sorgen hat.

In Weiterbildung der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß der Ausgang einer zusätzlichen Differentialsteuerstufe, die di­ rekt vom Stromsollwert angesteuert wird, über einen Kali­ brierwiderstand an den Eingang der End-Summierstufe angelegt ist.

Die Differentialsteuerstufe kann dabei bevorzugt einen Opera­ tionsverstärker enthalten, dem ein Widerstand parallel ge­ schaltet ist und der vom Stromsollwertsignal am Eingang der Vergleichsstufe über einen Kondensator angesteuert wird.

Dem Operationsverstärker kann dabei analog der Ausbildung der Regelzweige ein einstellbarer Verstärker nachgeschaltet sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen grundsätzlichen Schaltungsaufbau der Regler­ einrichtung eines Gradientenverstärkers,

Fig. 2 die Schaltung des dem Modulator vorgeschalteten er­ findungsgemäßen Reglers mit kombiniertem Differen­ tialsteuerteil, und

Fig. 3 eine Darstellung der an verschiedenen Stellen des Reglers auftretenden Impulsformen.

Der Regelkreis besteht, wie in Fig. 1 zu erkennen ist, im we­ sentlichen aus dem Regler 1 mit den Eingängen 2 und 3 für den Sollwert und den Istwert, dem Modulator 4, der das Reglersi­ gnal 5 am Ausgang des Reglers in die Pulsbreitenmodulation der Endstufe umformt, und der Schaltverstärkerendstufe 6, an deren Ausgang über die Stromistwerterfassung 7, mit der der Laststrom gemessen und entsprechend das Signal "Istwert" er­ zeugt wird, das dem einen der beiden Eingänge des Reglers 1 zugeführt wird, die mit ohmschen Verlusten behaftete induk­ tive Last 8 angeschlossen ist.

Der in Fig. 2 im einzelnen dargestellte Regler 1, der erfin­ dungsgemäß eine zusätzliche Differentialsteuerstufe 9 ent­ hält, umfaßt neben dieser weiter unten noch im einzelnen zu beschreibenden Differentialsteuerstufe 9 den eigentlichen Regler umfassend einen Vergleicher 10, einen diesem nachge­ schalteten P-Regelzweig 11, einen I-Regelzweig 12, der vom Ausgang 13 des P-Regelzweigs 11 angesteuert wird, und einen Summierer 15, von dem das Reglerendsignal 5 abgegeben wird. Zusätzlich kann in den Sollwerteingang 2 des Vergleichers 10 ein Verzögerungsglied 23 geschaltet sein.

Der Aufbau des eigentlichen Reglers mit den Bauteilen 10 (ohne das Verzögerungsglied 23) bis 15 entspricht dabei den bereits eingangs angesprochenen bekannten Regler der deut­ schen Offenlegungsschrift DE 197 06 756 A1. Dieser bekannte PI-Regler ist sowohl im P-Regelzweig als auch im I-Regelzweig digital einstellbar. Nachfolgend sollen zunächst die Signale anhand der Fig. 3 erläutert werden, die ohne die Differenti­ alsteuerstufe 9 mit dem in Fig. 2 dargestellten Regler bei einem Gradientenpuls erzielt werden.

Die in Fig. 3 dargestellten Signale sind qualitativ zu ver­ stehen, eventuelle Polaritätsumkehrungen durch invertierende Verstärker sind hier nicht berücksichtigt.

Die Fig. 3a zeigt den Sollwert eines Gradientenpulses. Der Laststrom und damit der Istwert entsprechen der Darstellung in Fig. 3b, wobei der Istwert am Eingang 3 beim dargestellten prinzipiellen Reglerschaltbild umgekehrte Polarität zum Soll­ wert haben muß. Gepunktet ist zum Vergleich der Sollwert eingezeichnet. Der tatsächliche Pulsanfang ist gegenüber dem Sollwert verzögert, aber bereits während der Flanke kann die Sollwertvorgabe wieder erreicht werden. Am Pulsdach tritt ein Überschwingen des Laststromes auf. An der abfallenden Flanke tritt zunächst erneut eine Verzögerung auf und am Pulsende ein Unterschwingen.

Die Fig. 3c zeigt das Reglersignal 5 am Reglerausgang, das bei vorausgesetzter linearer Umsetzung im Modulator und der Endstufe in seinem Verlauf der Lastspannung entspricht. Das Reglersignal 5 setzt sich aus der Summe des P-Regelsignals 13 des P-Regelzweiges 11 und des I-Regelsignals 14 des I-Regel­ zweiges 12 zusammen. Gestrichelt ist zum Vergleich ein idea­ ler Spannungsverlauf eingezeichnet, mit dem unter Idealbedin­ gungen (trägheitslose lineare Umsetzung des Signales in End­ stufe und Modulator) ein Stromverlauf entsprechend dem Soll­ wert bewirkt würde. Um die im Sollwert dargestellte Stromän­ derung zu bewirken, ist ein Sprung der Lastspannung entspre­ chend "L" notwendig. Der zu fließen beginnende Strom braucht einen ansteigenden Spannungsbedarf "R". Ist das Pulsdach er­ reicht, bleibt als Spannung nur "R" übrig.

In Fig. 3d ist der Spannungsverlauf des P-Regelzweiges, in Fig. 3e der des I-Regelzweiges dargestellt. Der Signalverlauf in Fig. 3c setzt sich entsprechend einer Skalierung durch die Widerstände 16 und 17 aus den Signalen von Fig. 3d und Fig. 3e zusammen. Der P-Anteil hat im wesentlichen die Flächenin­ halte F1 bis F4 gegenüber der "Nullinie" in Fig. 3d. Eine kleine Fläche zwischen F1 und F2 und zwischen F3 und F4 ist vernachlässigt. Der I-Anteil in Fig. 3e integriert die Fläche F1 auf und erreicht damit den Wert L(I), dann integriert er die vernachlässigte Fläche zwischen F1 und F2 auf und wächst um R(I). Das Integrieren der Fläche F2 läßt den I-Anteil auf R(I) absinken. Mit Erscheinen der Fläche F2 hat der Istwert den vom Sollwert vorgegebenen Wert bereits erreicht, der Überschwinger wäre vermieden, wenn zu diesem Zeitpunkt die Reglerspannung sofort den Wert "R" hätte. Dies ist jedoch nicht möglich, da der I-Anteil zum Absinken auf den Wert R(I) die Fläche F2, und damit den Überschwinger, zum Herunterinte­ grieren braucht.

Der Überschwinger läßt sich nur dann vermeiden, wenn die Spannung L bzw. L(I) nicht vom Regler, inbesonders vom I- Zweig, erzeugt werden muß.

Fig. 3f zeigt das Differential des Sollwertes, es entspricht in seinem Verlauf der idealen Reglerspannung von Fig. 3c ohne den Anteil R. Addiert man mit passender Skalierung durch den Widerstand 18 diese Spannung "D" im Summierer 15 zu den ande­ ren Reglersignalen, so kann man den Überschwinger vermeiden, da dann der Integrierer nicht auf den Wert L(I) integrieren (und dann herunterintegrieren) muß. Da es sich bei der Gra­ dientenspule um ein lineares System handelt (nichtlinear sind z. B. Halbleiter), gilt die weitere Überlegung, daß die Addi­ tion des Sollwertdifferentials zum Reglersignal auch bei an­ deren Stromkurvenformen günstig ist.

Die zusätzliche Differentialsteuerung zum Regler ist in Fig. 2 bei 9 dargestellt. Zum bekannten Regler mit den Bauteilen 10, 11, 12, 15 aus Fig. 2 kommt eine Differentialsteuerstufe 9 hinzu, bestehend aus dem Kondensator 22, dem Widerstand 21, einem Operationsverstärker 19 und einem einstellbaren Ver­ stärker 20. Im Summierer 15 ist der Widerstand 18 dazugekom­ men, mit dem wieder eine Skalierung, also Anpassung an die beiden anderen Signale, möglich ist. Das Eingangssignal der Differentialsteuerstufe 9 ist der Stromsollwert 2 am Eingang des Vergleichers 10.

Das Verzögerungsglied 23 (z. B. ein einfacher RC-Tiefpaß) op­ timiert die Wirkung der Differentialsteuerung zusätzlich. Das Signal der Differentialstufe 9 bewirkt nicht sofort einen Stromistwert 3, da im Signalweg durch den Summierer 15, den Modulator 4, die Endstufe 6 und die Stromistwerterfassung 7 eine geringe Zeitverzögerung auftritt. Diese Zeitverzögerung führt ohne Verzögerungsglied 23 zu einer kleinen Regeldiffe­ renz und zu einem kleinen Regelsignal des P- und I-Regelzwei­ ges. Das Verzögerungsglied ist an diese Zeitverzögerung ange­ paßt und bewirkt, daß im Vergleicher 10 der nun verzögerte Sollwert (aus 2) mit dem von der Differentialsteuerstufe her­ vorgerufenen Istwert 3 zeitgleich eintrifft, wodurch die Re­ aktion des P- und I-Regelzweiges nicht mehr auftritt.

Zum Reglereinstellen ist die Beurteilung des Überschwingens hilfreich. Daher ist es vorteilhaft, wenn der vorzugsweise digital einstellbare Verstärker in der Differentialsteuer­ stufe 9 die Verstärkung 0 zuläßt.

Abschließend soll nochmals ausdrücklich betont werden, daß es sich bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung nicht um einen PID-Regler handelt. Bei einem PID-Regler wird der Differen­ tialanteil aus der Regeldifferenz angesteuert. Bei der Erfin­ dung erfolgt die Ansteuerung vom Sollwert allein. Es handelt sich also bei dem Differentialsteuerkreis um eine tatsächli­ che Ansteuerung und nicht um einen Zweig eines Regelkreises. Da der in Fig. 1 dargestellte Gradientenverstärker pulsbrei­ tenmoduliert arbeitet, ist der Istwert mit einer Schaltwel­ ligkeit behaftet, die durch den Differentialanteil unnötig verstärkt an den Reglerausgang weitergegeben würde. Ein PID- Regler bietet den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen zufolge kaum einen Vorteil gegenüber dem PI-Regler. Dagegen entlastet die erfindungsgemäße Differentialsteuerstufe den eigentlichen Regler ganz beträchtlich, der abgesehen von einer geringen Feinregelung praktisch nur noch den ohmschen Anteil aufbringen muß.

Claims (5)

1. Gradientenverstärker für ein Kernspintomographiegerät mit einem einer Modulatorstufe vor einer Endstufe vorgeschalteten Regler zur Stromsteuerung, der einen Vergleicher für einen Soll- und Istwert eines jeweiligen Gradientenspulenstroms mit nachgeschaltetem P-Regelzweig und einem am Ausgang des P-Re­ gelzweiges liegenden I-Regelzweig umfaßt, wobei die Ausgänge der Regelzweige über Skalier-Widerstände einem Summierer zu­ geführt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Ausgang einer Differentialsteuerstufe (9) dem Summierer zugeführt ist, wobei die Differentialsteuer­ stufe (9) eine den Regler entlastende, der Steilheit einer Pulsflanke des Gradientenspulenstroms proportionale Spannung ausgibt.

2. Gradientenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Dif­ ferentialsteuerstufe (9) über einen Skalier-Widerstand (18) an einen Eingang des Summierers angelegt ist und die Dif­ ferentialsteuerstufe (9) direkt vom Sollwert ansteuerbar ist.

3. Gradientenverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differential­ steuerstufe (9) einen Operationsverstärker (19) enthält, der durch einen Widerstand (21) rückgekoppelt ist und der vom Sollwert am Eingang des Vergleichers (10) über einen Kondensator (22) ansteuerbar ist.

4. Gradientenverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Operationsverstärker (19) der Differentialsteuerstufe (9) ein einstellbarer Ver­ stärker (20) nachgeschaltet ist.

5. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Soll­ wert (2) im Stromzweig zum Vergleicher (10) eine zeitliche Verzögerung (23) zugefügt ist.