一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，属于电子电路领域。一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器装置主要包括四桥臂功率电路和快速反馈预测电路；微处理器根据梯度功率放大器输出的响应曲线，通过调节PID电路中的数字电位器将PID控制参数调至最优，并计算出系统输出响应时间常数τ；微处理器通过调整快速预测电路中的数字电位器阻值实现预测系数与系统输出响应时间常数τ相匹配；然后将快速预测电路与PID电路进行级联，从而实现在不同应用场景下梯度功率放大器的自适应参数匹配，以及对控制电路输出信号的快速预测控制，从而提高梯度功率放大器的输出响应速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法
本专利技术属于电子电路领域，涉及一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法。
技术介绍
梯度放大器作为MRI系统的核心部件，接收谱仪输出的具有一定时序的X轴、Y轴、Z轴三个方向的梯度信号进行功率放大，通过梯度线圈驱动电流在空间上生成相应的空间编码梯度磁场，实现对成像体素的空间定位。梯度放大器通过变化的电流使梯度线圈周围生成变化的梯度磁场，梯度放大器最终的目的是为MRI提供高性能的梯度磁场，梯度技术的发展可以有效提高成像的速度和质量。梯度磁场所能达到的最大值即为梯度磁场的强度，梯度磁场强度的增大可以有效的提高成像的空间分辨率，并且进行越薄层的成像。所以高性能梯度放大器的设计也就成为了MRI系统设计的重中之重。近几年来，有一些研究机构和厂商开始了对数字电路功率放大器控制系统的研究，并在一些控制方法和结构的研究上有了初步的成效，但其控制系统的性能还远远不能满足高质量成像的要求，并不能投入实际的应用。已经上市的梯度放大器采用的电路结构一般为双H桥拓扑结构，通过数字开关为梯度线圈提供驱动电流。对于这种结构的控制方法各有不同，但一般集中在闭环控制上，采用经典的PID控制算法，并在此基础上进行算法的改进以期达到所需的性能，例如状态反馈、前馈控制、延时补偿等。梯度功率放大器的关键问题是输出梯度电流信号的高精度、快速跟踪输出以及针对不同应用系统的自适应参数整定调整。目前经典的PID控制算法仍然面临着许多问题，在实际的核磁共振成像系统应用中，研究一套快速、稳定、高精度以及控制参数自适应整定调整的梯度功率放大器系统成了目前应用中的迫切需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法。可以实现梯度功率放大器快速、高精度电流输出，解决了梯度功率放大器电流输出响应速度慢、精度低的问题，有效提高了梯度功率放大器输出电流精度与响应速度，同时针对梯度功率放大器应用的不同核磁共振成像系统需求，能够实现自适应参数调整，使其与系统参数相匹配，达到最优控制。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，包括依次连接的四桥臂功率电路以及快速反馈预测电路；四桥臂功率电路包括依次连接的四桥臂驱动电路、四桥臂开关电路、LC滤波电路和电流正反相切换H桥电路组成；快速反馈预测电路包括依次连接的模拟电路实现的放大器、快速预测电路、PID电路、比较器，以及微处理器、FPGA、DAC转换器、数字电位器和可调电位器和ADC转换器。一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，该方法包括以下步骤：S1：微处理器闭合K1，打开K2，将快速预测电路与PID电路断开，微处理器根据反馈误差信号，调节PID电路中的数字电位器，实现对PID电路相关参数的自动调节，得到最优PID控制下的梯度功率放大器输出响应时间参数τ；S2：微处理器打开K1，闭合K2，将快速预测电路与PID电路串联，根据梯度功率放大器的输出响应时间参数τ，计算得到快速预测电路中的数字电位器的电阻值，微处理器调节快速预测电路第二级放大电路和第三级微分电路中的数字电位器参数，使快速预测电路中的预测时间常数与梯度功率放大器的输出响应时间参数τ相匹配，从而实现对反馈误差信号的快速预测输出；S3：通过手动方式对电位器进行调节，经ADC转换器后，微处理器能够实时感知手动参数设置，从而控制PID和快速预测电路中的数字电位器，实现梯度功率放大器输出控制参数的人工干预。可选的，所述S1具体包括：S11：微处理器根据设定值VSET计算直流母线电压VDC，两者之间的关系表达式为：式(1)中KCONVERT为设定值与输出电流之间的转换系数，Rcoil为负载电阻，D为占空比，取60％；根据输出电流大小，微处理器通过DAC和放大器输出信号给可编程直流电源的输出电压调整端，动态调整直流母线电压到期望值VDC；S12：微处理器根据反馈误差信号VERROR，自动调节PID电路的数字电位器，从而实时改变PID电路中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd；PID电路输出VOUT与VERROR关系表达式为：S13：PID电路输出VOUT与四路移相90°的锯齿波进行比较，产生四路移相90°的PWM波送入FPGA，经处理后产生八路加死区互补的PWM波，送入四桥臂驱动电路，通过调整PWM占空比控制梯度功率放大器的输出电流，FPGA通过对设定值信号的正负极性判断，控制H桥电路开关的选通，从而实现对输出电流的方向控制；S14：根据不同PID控制参数下输出电流上升下降时间、超调量及震荡时间，调试整定得到系统最优PID控制时的输出响应时间参数τ。可选的，在所述S2中，根据系统参数计算得到与系统匹配的系统控制参数具体包括：S21：将梯度功率放大器输出电流响应时间参数τ等效为一阶指数速率变化的RC充电信号，τ＝R1C1；式(3)中V0为VERROR的初始电压，VF为稳定电压，V1为第一级放大电路输出，VT1为第一级运放输入，VT2为第一级运放输出；S22：反馈误差信号经过第一级电压跟随电路后，送入第二级放大电路，其中第二级放大电路放大倍数由微处理器通过调整数字电位器dcp1进行控制，得第二级放大电路输出V2为：式(5)中Rdcp1为数字电位器dcp1阻值，R3为反相输入端电阻阻值；S23：信号经过第三级微分电路后，得：调整微分电路中数字电位器dcp2阻值Rdcp2，使微分电路的时间常数与等效反馈误差信号一致，故Rdcp2C2＝R1C1；第三级微分电路输出V3为：S24：将第三级微分电路输出V3与第一级放大电路输出V1相加后送到第四级放大电路的同相输入端VIN4+，如下式所示：式(8)中R8、R11为加法电路电阻阻值，满足2R8＝R11；调整数字电位器dcp1阻值满足Rdcp1＝R3得：经过最终运放的放大，得：式(10)中Vout为快速预测电路输出，R9、R10为放大电路电阻阻值，满足2R9＝R10；得：Vout＝VF(11)快速预测电路能够实现对输出电流反馈信号的快速预测输出；S25：微处理器通过选择开关，断开K1，闭合K2，使快速预测电路与PID电路进行级联，快速预测电路输出直接送入PID电路，提高梯度功率放大器输出控制的响应速度。可选的，所述S3具体包括：S31：通过手动方式对可调电位器进行调节，微处理器通过ADC转换器能够实时感知PID和快速预测电路中的手动参数设置，并计算出对应的数字电位器触头位置参数；S32：微处理器控制PID和快速预测电路中的数字电位器触头到相应的位置，从而实现梯度功率放大器输出电流控制参数的人工干预和调节。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，其特征在于：包括依次连接的四桥臂功率电路及快速反馈预测电路；/n四桥臂功率电路包括依次连接的四桥臂驱动电路、四桥臂开关电路、LC滤波电路和电流正反相切换H桥电路组成；/n快速反馈预测电路包括依次连接的模拟电路实现的放大器、快速预测电路、PID电路、比较器，以及微处理器、FPGA、DAC转换器、数字电位器、可调电位器和ADC转换器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，其特征在于：包括依次连接的四桥臂功率电路及快速反馈预测电路；
四桥臂功率电路包括依次连接的四桥臂驱动电路、四桥臂开关电路、LC滤波电路和电流正反相切换H桥电路组成；
快速反馈预测电路包括依次连接的模拟电路实现的放大器、快速预测电路、PID电路、比较器，以及微处理器、FPGA、DAC转换器、数字电位器、可调电位器和ADC转换器。


2.一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：微处理器闭合K1，打开K2，将快速预测电路与PID电路断开，微处理器根据反馈误差信号，调节PID电路中的数字电位器，实现对PID电路相关参数的自动调节，得到最优PID控制下的梯度功率放大器输出响应时间参数τ；
S2：微处理器打开K1，闭合K2，将快速预测电路与PID电路串联，根据梯度功率放大器的输出响应时间参数τ，计算得到快速预测电路中的数字电位器的电阻值，微处理器调节快速预测电路第二级放大电路和第三级微分电路中的数字电位器电阻值，使快速预测电路中的预测时间常数与梯度功率放大器的输出响应时间参数τ相匹配，从而实现对反馈误差信号的快速预测输出；
S3：通过手动方式对可调电位器进行调节，经ADC转换器后，微处理器能够实时感知可调电位器的参数设置，从而控制PID和快速预测电路中的数字电位器，实现梯度功率放大器输出控制参数的人工干预。


3.根据权利要求2所述的一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法，其特征在于：所述S1具体包括：
S11：微处理器根据设定值VSET计算直流母线电压VDC，两者之间的关系表达式为：



式(1)中KCONVERT为设定值与输出电流之间的转换系数，Rcoil为负载电阻，D为占空比，取60％；
根据输出电流大小，微处理器通过DAC和放大器输出信号给可编程直流电源的输出电压调整端，动态调整直流母线电压到期望值VDC；
S12：微处理器根据反馈误差信号VERROR，自动调节PID电路的数字电位器，从而实时改变PID电路中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd；
PID电路输出VOUT与VERROR关系表达式为：



S13：PID电路输出VOUT与四路移相90°的锯齿波进行比较，产生四路移相90°的PWM波送入FPGA，经处理后产生八路加死区互补的PWM波，送入四桥臂驱动电路，通过调整PWM占空比控制梯度功率放大器的输出电流，FPGA通过对设定值信号的正负极性判断，控制H桥电路开关的选通，从而实现对输出电流的方向控制；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，田训，柳学功，李锡涛，王慧悦，梁家祺，武超，阎鑫龙，李倩文，陈靖翰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50