[发明专利]一种梯度放大器控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及梯度放大器控制领域，更具体地说涉及一种应用于核磁共振成像系统的开关式数字化梯度放大器控制装置。

背景技术

核磁共振成像被认为是二十世纪医学诊断最重要的进展之一。作为一种新兴的临床医疗诊断手段，由于其成像分辨率高、对比度好，并且具有无电离辐射、无损伤、可实现多参数成像及任意方位截面成像等优点，核磁共振成像越来越显示出广阔的发展前景。

梯度子系统是核磁共振成像设备的一个重要子系统，由梯度线圈、梯度控制器、梯度电源、梯度放大器等组成。梯度系统主要通过梯度放大器的工作来满足核磁共振成像系统的要求，它为梯度线圈提供驱动电流，将谱仪所产生的具有一定时序的与X轴、Y轴、Z轴三个方向的梯度场相对应的脉冲序列信号，进行放大以在空间中产生相应的梯度磁场。大电流输出、高电流变化率、低稳态电流波动以及良好的波形跟踪能力是梯度放大器的主要设计要求。

梯度放大器有两种类型：线性放大器和开关模式放大器。开关模式的梯度放大器考虑梯度线圈的负载特性是感抗占主要成分，进行有针对性设计，使其能效较高。而且，它可以通过串联或并联等组合配置来提供更大的梯度脉冲输出功率。随着电力电子技术的发展，开关模式梯度放大器已经基本取代了线性功率放大器。

典型的开关式梯度放大器的工作原理如图1所示。它由功率模块(102)和控制模块(101)两部分构成。功率模块由大功率开关器件如MOSFET或IGBT以H桥、多级H桥等拓扑形式构成，其输出端设置的滤波器用以滤除由于开关器件的周期性导通和截止而产生的高频谐波。控制模块一方面接收谱仪送来的电流控制信号，另一方面实时采集各传感器送来的输出电流、电压以及其它状态信号，并根据这些信号经特定控制算法计算出功率模块中各个开关器件的导通和截止的时刻及时长，并以PWM(脉冲宽度调制)信号的形式输出到功率模块，来控制功率模块中各个大功率开关器件的导通和截止，以达到控制输出电流的目的。

目前对于梯度放大器的设计大都是整体进行的，未把控制模块作为一个通用的组件进行设计，这样做存在如下问题：

首先，随着核磁共振成像系统的发展，对梯度子系统的要求越来越高，为满足这种发展需求，各种拓扑结构的功率模块不断被提出。另一方面，电力电子技术的不断进步也促使功率模块的拓扑结构不断发生变化。这种功率模块拓扑结构不断发展的趋势在将来还会继续延续。对于不同拓扑结构的功率模块，其控制模块要监测的状态信号种类及数量也会不同。目前对每种拓扑结构的功率模块往往都要进行相应的控制模块的设计，这不仅大大延长了梯度功率放大器的研发周期，而且增加了其研发成本。

另外，随着计算机技术引入控制领域,数字化控制技术脱颖而出, 控制模块的数字化使人们可以将一些先进的控制算法应用于梯度放大器的控制中，来改善梯度系统的性能。因此梯度放大器控制模块的数字化是未来发展的趋势。随着控制技术的发展，先进的控制算法也不断涌现。对于不同的控制算法，即使功率模块的拓扑结构相同，其要监测的状态变量也不尽相同。因此，以新的控制算法替代旧的算法进行系统升级时，往往也要对控制模块硬件进行重新设计以满足新的算法要求。这也会导致研发周期的增长以及研发成本的增加。

而且，目前的数字化梯度放大器控制模块仅对控制偏差信号进行模/数(A/D)转换，未对电流控制信号和实际输出电流信号分别进行模/数转换，控制算法只能利用偏差信号进行控制。这一方面大大限制了控制算法的灵活性；另一方面，在系统安装调试时，必须通过硬件调整控制输入及电流反馈输出的零点、放大倍数等参数，这使得系统安装、调试不够方便。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通用的组件化的数字化梯度放大器控制装置，它对于功率模块的不同拓扑结构以及不同数字控制算法具有很强的适应性；能对输入电流控制信号和实际输出电流信号分别进行高精度模/数转换，不仅能增强控制算法的灵活性，而且使系统的安装调试以及升级更加方便快捷。

为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：