[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于电子电路领域，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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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，本发明提供如下技术方案：

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；