專利名稱：一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻pwm梯度放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別用于磁共振成像系統(tǒng)的一種梯度放大器。該梯度放大器，用于產(chǎn)生和控制磁共振成像系統(tǒng)內(nèi)的梯度線圈中的脈沖電流。
背景技術(shù)：
梯度系統(tǒng)是指與梯度磁場有關(guān)的一切電路單元。它的功能是為系統(tǒng)提供線性度和精度滿足要求的、可快速開關(guān)的梯度場，以便動態(tài)地修改主磁場，實現(xiàn)成像體素的空間定位。梯度系統(tǒng)由梯度波形發(fā)生器產(chǎn)生控制信號作為梯度放大器的輸入，梯度放大器的電流輸出驅(qū)動三組梯度線圈，在成像空間內(nèi)產(chǎn)生梯度場，給出成像部位的空間坐標，使圖像中各像素與人體成像部位一一對應(yīng)。梯度系統(tǒng)包括梯度波形發(fā)生器、梯度放大器和負載(梯度線圈)三部分?，F(xiàn)階段普遍使用的梯度放大器，都采用模擬量進行處理和控制。在負載(梯度線圈)識別和對應(yīng)的PID參數(shù)控制上，根據(jù)約定的負載情況，采用相對固定的控制參數(shù)。這種控制實現(xiàn)方式， 無法最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)的性能，無法使系統(tǒng)的性能發(fā)揮到極致。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，采用的技術(shù)方案是一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器包括數(shù)字控制及處理部分(1-1)，用于對梯度控制數(shù)據(jù)和反饋信號的處理，并根據(jù)負載特征自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，實現(xiàn)不同的PWM控制信號；輸入端連接梯度波形發(fā)生器，接收數(shù)字信號的梯度控制數(shù)據(jù)；輸入端連接輸出信號檢測部分(1-3)，接收反饋信號； 輸出PWM控制信號到功率部分(1-2)；功率部分(1-2)，用于完成電壓源到電流源的功率轉(zhuǎn)換；輸入端連接數(shù)字控制及處理部分(1-1)，接收PWM控制信號；輸出電流至負載；輸出信號檢測部分(1-3)，用于檢測輸出電流對應(yīng)梯度線圈內(nèi)的目標電流，或檢測電磁場對應(yīng)目標梯度場；獲取負載的電流或電磁場信號反饋到數(shù)字控制及處理部分 (1-1)。所述數(shù)字控制及處理部分(1-1)由以下幾部分組成輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對梯度控制數(shù)據(jù)進行波形整定、預(yù)加重處理；輸入端接收來自梯度波形發(fā)生器的梯度控制數(shù)據(jù)；將輸入數(shù)據(jù)輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID 處理模塊和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)；將前饋數(shù)據(jù)輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字 PID處理模塊0-4)；反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊(2-2)，用于完成將來自電流或電磁場傳感器的信號轉(zhuǎn)換成和經(jīng)過輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊后的輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)形式的信號波形；輸出反饋數(shù)據(jù)到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)；
輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)，用于完成反饋數(shù)據(jù)波形與輸入數(shù)據(jù)波形的特征對比，甄別出反饋數(shù)據(jù)波形的響應(yīng)特征與預(yù)期的輸入數(shù)據(jù)波形響應(yīng)特征的差別，并將這個差別提取出來形成甄別數(shù)據(jù)，作為主要控制參數(shù)，輸出至自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)中；輸入端接收來自輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(2-1)的輸入數(shù)據(jù)和反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)的反饋數(shù)據(jù)；自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)，完成針對不同負載情況下的數(shù)字PID控制，進而實現(xiàn)負載自適應(yīng)控制；輸入端接收來自輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的前饋數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)；輸入端接收來自輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)的甄別數(shù)據(jù)；輸入端接收來自反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)的反饋數(shù)據(jù)；輸出PID數(shù)據(jù)至數(shù)字可變頻PWM模塊 (2-5)；數(shù)字可變頻PWM模塊0-5)，用于根據(jù)甄別數(shù)據(jù)的觸發(fā)控制實現(xiàn)不同響應(yīng)階段時不同頻率的PWM控制；輸入端接收來自自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)的PID數(shù)據(jù)； 輸入端接收來自輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)的甄別數(shù)據(jù)；輸出可變頻的PWM控制信號至功率部分(1-2)。所述梯度控制數(shù)據(jù)是來自于梯度波形發(fā)生器的數(shù)字控制數(shù)據(jù)；所述反饋信號是來自電流傳感器和電磁場傳感器的模擬信號。所述不同的PWM控制信號是不同頻率和不同占空比時的PWM控制信號。所述負載特征指連接負載的電感、電阻及電容的阻抗網(wǎng)絡(luò)特征。所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為根據(jù)磁共振成像系統(tǒng)的掃描需要， 可以增加固定上升時間參數(shù)響應(yīng)、固定上升斜率參數(shù)響應(yīng)、多階段階躍響應(yīng)的不同類型響應(yīng)，從而得到所需的最優(yōu)化PID控制參數(shù)。所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為將實時響應(yīng)與響應(yīng)模型比對，根據(jù)誤差幅值、時間常數(shù)、超調(diào)欠調(diào)情況，實時形成控制PID參數(shù)。所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為引入了前饋數(shù)據(jù)進行前饋控制。所述功率部分由全橋電路和濾波單元組成；全橋電路由功率半導(dǎo)體器件組成，結(jié)構(gòu)為一個全橋，或者多個全橋，或者多個全橋移相后并聯(lián)構(gòu)成；輸入端接收來自于數(shù)字控制及處理部分(1-1)的PWM控制信號，輸出端連接濾波單元；濾波單元由電感電容濾波器件組成，構(gòu)成不同開關(guān)頻率下的低通濾波；輸入端接收來自全橋電路的一定占空比的高壓脈沖，輸出濾波后的電流至負載。所述輸出信號檢測部分(1-3)由電流傳感器或電磁場傳感器組成。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.本發(fā)明采用負載自適應(yīng)控制，全數(shù)字化信號處理；本發(fā)明設(shè)計的梯度放大器， 能夠降低硬件成本，提升工作效率，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。2.自適應(yīng)控制的參數(shù)優(yōu)化可以通過兩種控制方式實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)不同的工作需要切換工作方式。3.方式一的控制方式的優(yōu)點是，一旦梯度系統(tǒng)固定下來，經(jīng)過一次負載自適應(yīng)控制的PID參數(shù)優(yōu)化，得到相應(yīng)的最優(yōu)化PID參數(shù)后，即可根據(jù)這個PID參數(shù)運行，節(jié)省控制系統(tǒng)的運行資源，加快控制環(huán)的運行速度。雖然難以對輸入的梯度控制數(shù)據(jù)的每個瞬間突變進行實時的PID優(yōu)化響應(yīng)，但是，這種實現(xiàn)方式已經(jīng)能夠最大程度的優(yōu)化梯度系統(tǒng)的性能。4.方式二的負載自適應(yīng)控制，可以針對當前連接負載的任何時刻的任何激勵。這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點是對當前連接負載的、輸入的梯度控制數(shù)據(jù)的每個瞬間突變進行實時的 PID優(yōu)化響應(yīng)。隨著連接的不同負載特征(連接負載的電感、電阻及電容的阻抗網(wǎng)絡(luò)特征)、 不同的輸入激勵，實時優(yōu)化PID參數(shù)，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。雖然會占用控制系統(tǒng)的運行資源，可能會一定程度的影響控制環(huán)的運行速度，但是隨著硬件運行速度的不斷提高， 仍能夠優(yōu)化梯度系統(tǒng)的性能。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)字控制及處理部分結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明的自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊中控制方式一的流程圖；圖4是本發(fā)明的自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊中控制方式二的流程圖。圖5是本發(fā)明的數(shù)字可變頻PWM模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明的梯度放大器如圖1所示，由數(shù)字控制及處理部分(1-1)(包含處理器件及實現(xiàn)自適應(yīng)控制及數(shù)字可變頻PWM的算法)、功率部分(1-2)(實現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換)和輸出信號檢測部分(1-3)組成。系統(tǒng)采用全數(shù)字化信號處理，能根據(jù)不同的梯度線圈的負載情況，自動調(diào)節(jié)最佳的PID控制參數(shù)，并通過數(shù)字信號處理和數(shù)字變頻，形成驅(qū)動功率部分的PWM控制信號，功率部分的電流輸出驅(qū)動梯度線圈，產(chǎn)生所需的目標梯度場。系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，可以通過兩種方式實現(xiàn)實現(xiàn)方式一的特征為，加已知激勵源對梯度放大器進行激勵，將檢測到的輸出特征與相對應(yīng)的響應(yīng)模型進行逐級比較，得到擬合PID參數(shù)，進行下一次調(diào)節(jié)，直到達到檢測到的輸出特征與其響應(yīng)模型差值在要求閾值內(nèi)。同時，根據(jù)需要，可以選擇幾組不同類型激勵源，進行多次擬合優(yōu)化，選取最佳PID參數(shù)。實現(xiàn)方式二的特征為，根據(jù)輸入激勵及其對應(yīng)的實時響應(yīng)，參照響應(yīng)模型，實時進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，從而得到比較理想的輸出響應(yīng)。如圖2所示，本發(fā)明的數(shù)字控制及處理部分(1-1)由以下幾部分組成輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(波形整定、預(yù)加重等)、反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)、輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)、自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊0-4)、數(shù)字可變頻PWM模塊0-5)。輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要完成對來自梯度波形發(fā)生器的梯度控制數(shù)據(jù)進行波形整定、預(yù)加重等處理。根據(jù)磁共振成像系統(tǒng)的掃描需要，可以增加固定上升時間參數(shù)、固定上升斜率參數(shù)、多階段階躍上升等不同類型輸入預(yù)處理。上述輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 (2-1)功能根據(jù)設(shè)定可以選擇加入和不加入。經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，作為輸入數(shù)據(jù)分別輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊 (2-4)和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)。同時，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的前饋參數(shù)，實時給出對應(yīng)的前饋數(shù)據(jù)，提高響應(yīng)速度，優(yōu)化系統(tǒng)性能。反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)主要完成對來自電流傳感器或梯度場傳感器的信號，轉(zhuǎn)換成和梯度控制輸入對應(yīng)形式的信號波形。將必要的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，為 AD轉(zhuǎn)換器件，該器件可以是獨立的AD芯片，也可以與數(shù)字控制及處理部分的器件集成在一起。其中電流傳感器，如果是電壓形式的反饋，經(jīng)過低噪放大器放大到所需的放大倍數(shù)，然后進行AD轉(zhuǎn)換。如果是電流形式的反饋，需要相應(yīng)精度的取樣電阻，轉(zhuǎn)換成所需的電壓信號，并經(jīng)過低噪放大器放大到所需的放大倍數(shù)，然后進行AD轉(zhuǎn)換。梯度場傳感器的信號，需要進行相應(yīng)的積分轉(zhuǎn)換，將場信號(一般為微分信號)轉(zhuǎn)換成和梯度控制輸入對應(yīng)形式的信號波形。經(jīng)過低噪放大器放大到所需的放大倍數(shù)，然后進行AD轉(zhuǎn)換。經(jīng)過反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊(2-2)的數(shù)據(jù)，作為反饋數(shù)據(jù)分別輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)。輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)主要完成輸出波形與輸入波形特征對比， 甄別出輸出波形的響應(yīng)特征與預(yù)期響應(yīng)的差別，并將這個差別提取出來，作為主要控制參數(shù)，加入到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)中。自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊0-4)主要完成針對不同負載情況下的數(shù)字PID 控制，進而實現(xiàn)負載自適應(yīng)控制。輸入得到的數(shù)據(jù)有前饋數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、甄別數(shù)據(jù)、反饋數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)作為自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊0-4)的輸入?yún)?shù)。自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，可以引入前饋數(shù)據(jù)進行前饋控制，提高響應(yīng)速度，優(yōu)化系統(tǒng)性能。本發(fā)明闡述了兩種實現(xiàn)方式。實現(xiàn)方式一如圖3所示，在梯度放大器系統(tǒng)需要與負載進行適應(yīng)時，可以選擇啟動自適應(yīng)控制參數(shù)優(yōu)化。激勵源給出預(yù)設(shè)的初始激勵信號，與經(jīng)過反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊(2- 的反饋數(shù)據(jù)進行相減，得到相應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)。反饋數(shù)據(jù)與初始激勵信號進行輸出波形特征甄別，得到甄別數(shù)據(jù)。甄別數(shù)據(jù)對應(yīng)輸出特征，與相對應(yīng)的響應(yīng)模型進行比較，得到自適應(yīng)數(shù)據(jù)。與誤差數(shù)據(jù)、前饋數(shù)據(jù)一起，得到擬合PID參數(shù)。從而得到相應(yīng)的PWM控制信號，驅(qū)動功率部分(1-2)。同時，對甄別數(shù)據(jù)進行判斷，檢測到的輸出特征與其響應(yīng)模型差值是否在要求閾值內(nèi)。如果不符合要求，繼續(xù)進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；如果符合要求，則進行是否進行下一個激勵信號的自適應(yīng)優(yōu)化，判斷結(jié)果如果是需要，則進行下一個激勵信號的自適應(yīng)優(yōu)化，判斷結(jié)果如果是不需要，則自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)結(jié)束。根據(jù)需要， 可以選擇幾組不同類型激勵源，進行多次擬合優(yōu)化，選取最佳PID參數(shù)。這種實現(xiàn)方式的負載自適應(yīng)控制，在需要時進行內(nèi)部控制的自適應(yīng)優(yōu)化，比如新的梯度線圈，或者需要梯度系統(tǒng)進一步參數(shù)優(yōu)化的情況。而在不需要自適應(yīng)控制優(yōu)化時，梯度放大器系統(tǒng)根據(jù)已得到并儲存的對應(yīng)PID參數(shù)自動運行。實現(xiàn)方式二如圖4所示，根據(jù)輸入激勵及其對應(yīng)的實時響應(yīng)，參照響應(yīng)模型，實時進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，從而得到比較理想的輸出響應(yīng)。經(jīng)過前段預(yù)處理的輸入數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)進行相減，得到相應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)。反饋數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)進行輸出波形特征甄別，得到甄別數(shù)據(jù)。甄別數(shù)據(jù)對應(yīng)輸出特征，與相對應(yīng)的響應(yīng)模型進行比較，得到自適應(yīng)數(shù)據(jù)。與誤差數(shù)據(jù)、前饋數(shù)據(jù)一起，得到擬合PID參數(shù)。從而得到相應(yīng)的PWM控制信號，驅(qū)動功率部分(1-2)。負載自適應(yīng)控制，自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)特征，實時響應(yīng)與響應(yīng)模型比對，根據(jù)誤差幅值、時間常數(shù)、類型，實時形成控制PID參數(shù)，作為數(shù)字可變頻PWM模塊(2-5) 的輸入。
數(shù)字可變頻PWM模塊0-5)如圖5所示，數(shù)字可變頻PWM模塊Q-5)部分由頻率控制、數(shù)字三角波(或鋸齒波)生成器、數(shù)字比較器組成。頻率控制部分，根據(jù)接收到的來自輸出波形特征甄別及處理模塊(2- 部分的甄別數(shù)據(jù)，判斷實時響應(yīng)階段，從而選擇不同的PWM頻率，生成數(shù)字三角波(或鋸齒波)。數(shù)字比較器接收上述自適應(yīng)控制部分生成的PID輸出數(shù)據(jù)，通過與數(shù)字三角波(或鋸齒波)比較，形成PWM控制信號，去驅(qū)動功率部分(1-2)。數(shù)字可變頻PWM模塊(2- 控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同響應(yīng)階段情況下，不同的PWM 開關(guān)頻率控制。這種控制方式，能夠有效降低輸出紋波電流，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。 同時，相應(yīng)的功率器件就可以選擇相對低頻元件，降低硬件成本。功率部分(1-2)主要完成電壓源到電流源的功率轉(zhuǎn)換。由PWM方式工作的功率半導(dǎo)體器件和電感電容濾波器件組成。通過PWM方式工作的功率半導(dǎo)體器件和電感電容濾波器件，將高壓電壓源轉(zhuǎn)換成預(yù)期的電流源，流過負載線圈。PWM方式工作的功率半導(dǎo)體器件，通過邏輯控制，將高壓電壓源，轉(zhuǎn)換成一定占空比的高壓脈沖，輸出到電感電容濾波部分。一定占空比的高壓脈沖對應(yīng)PWM控制信號，對應(yīng) PID處理后的誤差控制信號。如圖1所示的Kl K4為功率半導(dǎo)體器件，它是指IGBT、MOS 等開關(guān)類半導(dǎo)體器件。可以是單種類半導(dǎo)體器件，也可以是幾種半導(dǎo)體器件的組合使用。圖1所示的Kl K4組成的結(jié)構(gòu)只是一種示意，其組成結(jié)構(gòu)可以由一個全橋組成， 或者由多個全橋并聯(lián)，也可以由多個全橋移相后并聯(lián)組成。電感電容濾波器件，分別將正負兩端的一定占空比的高壓脈沖濾波成相應(yīng)的直流電壓，在負載線圈兩端形成電壓差，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)負載線圈內(nèi)的電流。電感電容濾波器件，組成相對于開關(guān)頻率下的低通濾波。同時，實現(xiàn)有效工作脈沖時低感抗，其他時間高感抗，降低內(nèi)部損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。輸出信號檢測部分(1- 檢測輸出電流或電磁場的器件，根據(jù)控制目的和控制方式不同，檢測輸出電流對應(yīng)梯度線圈內(nèi)的目標電流控制；檢測電磁場對應(yīng)目標梯度場控制。檢測輸出電流或電磁場的器件，檢測輸出電流的器件可以是霍爾傳感器、電阻式傳感器、電流互感器等電流檢測器件；檢測電磁場的器件可以是霍爾式電磁場傳感器、線圈式傳感器等電磁場檢測器件。反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊、自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊和數(shù)字變頻PWM模塊可以是DSP、FPGA、CPLD、MCU等處理器件，也可以是幾種器件混合使用。以上為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本發(fā)明并不局限于上述特定實施例子，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)改變和變形，如只選用自適應(yīng)控制或只選用可變頻PWM控制、將本發(fā)明的電路設(shè)計的局部改為模擬電路，而這些相應(yīng)改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于包括數(shù)字控制及處理部分(1-1)，用于對梯度控制數(shù)據(jù)和反饋信號的處理，并根據(jù)負載特征自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，實現(xiàn)不同的PWM控制信號；輸入端連接梯度波形發(fā)生器， 接收數(shù)字信號的梯度控制數(shù)據(jù)；輸入端連接輸出信號檢測部分(1-3)，接收反饋信號；輸出 PWM控制信號到功率部分(1-2)；功率部分(1-2)，用于完成電壓源到電流源的功率轉(zhuǎn)換；輸入端連接數(shù)字控制及處理部分(1-1)，接收PWM控制信號；輸出電流至負載；輸出信號檢測部分(1-3)，用于檢測輸出電流對應(yīng)梯度線圈內(nèi)的目標電流，或檢測電磁場對應(yīng)的目標梯度場；獲取負載的電流或電磁場信號反饋到數(shù)字控制及處理部分(1-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述數(shù)字控制及處理部分(1-1)由以下幾部分組成輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊0-1)，用于對梯度控制數(shù)據(jù)進行波形整定、預(yù)加重處理；輸入端接收來自梯度波形發(fā)生器的梯度控制數(shù)據(jù)；將輸入數(shù)據(jù)輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)；將前饋數(shù)據(jù)輸出到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)；反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊(2- ，用于完成將來自電流或電磁場傳感器的信號轉(zhuǎn)換成和經(jīng)過輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(2-1)后的輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)形式的信號波形；輸出反饋數(shù)據(jù)到自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)和輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)；輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)，用于完成反饋數(shù)據(jù)波形與輸入數(shù)據(jù)波形的特征對比，甄別出反饋數(shù)據(jù)波形的響應(yīng)特征與預(yù)期的輸入數(shù)據(jù)波形響應(yīng)特征的差別，并將這個差別提取出來形成甄別數(shù)據(jù)，作為主要控制參數(shù)，輸出至自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊 (2-4)中；輸入端接收來自輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的輸入數(shù)據(jù)和反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)的反饋數(shù)據(jù)；自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊0-4)，完成針對不同負載情況下的數(shù)字PID控制，進而實現(xiàn)負載自適應(yīng)控制；輸入端接收來自輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的前饋數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)；輸入端接收來自輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)的甄別數(shù)據(jù)；輸入端接收來自反饋處理及AD轉(zhuǎn)換模塊0-2)的反饋數(shù)據(jù)；輸出PID數(shù)據(jù)至數(shù)字可變頻PWM模塊Q-5)；數(shù)字可變頻PWM模塊0-5)，用于根據(jù)甄別數(shù)據(jù)的觸發(fā)控制實現(xiàn)不同響應(yīng)階段時不同頻率的PWM控制；輸入端接收來自自適應(yīng)控制及數(shù)字PID處理模塊(2-4)的PID數(shù)據(jù)；輸入端接收來自輸出波形特征甄別及處理模塊0-3)的甄別數(shù)據(jù)；輸出可變頻的PWM控制信號至功率部分(1-2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述梯度控制數(shù)據(jù)是來自于梯度波形發(fā)生器的數(shù)字控制數(shù)據(jù)；所述反饋信號是來自電流傳感器和電磁場傳感器的模擬信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述不同的PWM控制信號是不同頻率和不同占空比時的PWM控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述負載特征指連接負載的電感、電阻及電容的阻抗網(wǎng)絡(luò)特征。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為根據(jù)磁共振成像系統(tǒng)的掃描需要，可以增加固定上升時間參數(shù)響應(yīng)、固定上升斜率參數(shù)響應(yīng)、多階段階躍響應(yīng)的不同類型響應(yīng)，從而得到所需的最優(yōu)化PID控制參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為將實時響應(yīng)與響應(yīng)模型比對，根據(jù)誤差幅值、時間常數(shù)、超調(diào)欠調(diào)情況，實時形成控制PID參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的PID參數(shù)，具體為引入了前饋數(shù)據(jù)進行前饋控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述功率部分由全橋電路和濾波單元組成；全橋電路由功率半導(dǎo)體器件組成，結(jié)構(gòu)為一個全橋，或者多個全橋，或者多個全橋移相后并聯(lián)構(gòu)成；輸入端接收來自于數(shù)字控制及處理部分(1-1)的PWM控制信號，輸出端連接濾波單元；濾波單元由電感電容濾波器件組成，構(gòu)成不同開關(guān)頻率下的低通濾波；輸入端接收來自全橋電路的一定占空比的高壓脈沖，輸出濾波后的電流至負載。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，其特征在于所述輸出信號檢測部分(1-3)由電流傳感器或電磁場傳感器組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，用于驅(qū)動梯度線圈，進而產(chǎn)生磁共振系統(tǒng)成像所需的梯度場。由數(shù)字控制及處理部分、功率部分和輸出信號檢測部分組成。本發(fā)明的負載自適應(yīng)控制的數(shù)字可變頻PWM梯度放大器，能根據(jù)不同的輸出負載，自動調(diào)節(jié)最佳的PID控制參數(shù)，并通過數(shù)字信號處理和數(shù)字變頻，形成驅(qū)動功率部分的PWM控制信號，產(chǎn)生所需的目標梯度場。本發(fā)明的梯度放大器，能夠降低硬件成本，提升工作效率，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。
文檔編號G01R33/385GK102508183SQ20111035780
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者盧廣, 吳繼峰, 孔祥林, 張丙春, 施金泉 申請人:遼寧開普醫(yī)療系統(tǒng)有限公司